CN115541017A - 一种基于aotf的同时全偏振光谱成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统及方法，以解决目前基于AOTF的偏振光谱成像系统无法满足全固定状态和无需电调谐就可实时获得瞬时目标全偏振信息的问题。该系统包括根据光路传输依次排列的前置物镜、视场光阑、前置准直镜、AOTF、成像镜、探测器和探测器控制处理系统，AOTF连接有AOTF驱动器，前置准直镜和AOTF之间依光路传输固定设有四孔径消色差波片阵列和偏振片P1，二者组成偏振调制系统；所述AOTF和成像镜之间设置有偏振片P2；所述偏振片P1和偏振片P2设置方向正相交，所述设置方向正相交为偏振片P1水平设置且偏振片P2垂直设置或偏振片P1垂直设置且偏振片P2水平设置。
Description
技术领域
本发明涉及全偏振光谱成像系统，具体涉及一种基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统及方法。
背景技术
偏振光谱成像技术结合了偏振成像技术和光谱成像技术的优点，不仅获得偏振信息，还能获得光谱信息和空间信息，增加被测目标的信息维度，有效提高了被测目标在复杂背景中的探测和识别能力，在航天，军事，医疗，食品等方面有着重要应用和广泛前景。
声光可调谐滤光片(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)是一种根据声光衍射原理制成的电压调谐的新型分光元件，结合光谱成像技术，可以获得光谱、偏振、图像信息，为目标的识别和检测提供了极大便利。目前基于AOTF的全Stokes光谱仪主要是AOTF结合液晶可变延迟器(Liquid Crystal Variable Retarder,LCVR)实现偏振调制和波段选择，结合面阵探测器(Charge Coupled Device,CCD)获得偏振光谱图像。
日本航天局国家宇航实验室提出的基于AOTF的偏振光谱成像系统是分两束光路进行的，利用两个CCD分别对AOTF的+1级衍射光和-1级衍射光成像，同时获得被测目标水平和垂直方向的偏振光谱信息。美国陆军研究实验室的N.Gupta小组提出了AOTF前放置一个LCVR的偏振光谱成像系统，选择AOTF±1级衍射光中的一束衍射光实现偏振光谱成像，此系统能够得到Stokes矢量的前三个分量，无法获得圆偏振信息。西安光机所的邱跃洪等人提出了基于孔径分割加AOTF的偏振光谱成像系统，将四个偏振方向分别为-45°、0°、90°、45°的偏振片分别放置在四个孔径中，选择AOTF+1级衍射光实现偏振光谱成像，根据Stokes矢量定义，也是只能获得Stokes矢量的前三个分量，无法获得圆偏振信息。上述的系统都只能获得Stokes矢量的线偏振信息，无法获得圆偏振信息。
为了获得Stokes矢量全偏振信息，N.Gupta小组又提出了有两个LCVR和AOTF的偏振光谱成像系统。LCVR加AOTF的偏振光谱成像系统中，温度等外界因素会极大的影响液晶的相位延迟特性,降低了偏振测量精度，还要进行多次电调谐相位延迟量，尽管电调谐的速度很快，但本质上仍属于分时成像图像，只针对静态目标进行测量，不能对瞬时动态目标进行测量；并且要实现全偏振测量，就必须两个LCVR级联结合AOTF进行偏振调制，而且两个LCVR和AOTF的偏振光谱成像系统也增大了系统体积。
发明内容
本发明为解决目前基于AOTF的偏振光谱成像系统无法同时获得线偏振信息和圆偏振信息的技术问题，且为满足全固态无需电调谐就可实时获得瞬时动态目标信息的需求，提出一种基于AOTF的全偏振光谱成像系统。
本发明的总体思路为：为获得瞬时目标全偏振信息，提出一种基于AOTF的全偏振光谱成像系统。通过不同方位角的四孔径消色差波片阵列和偏振片P1，实现无需电调谐就能同时获得包含所需波段圆偏振信息和线偏振信息的全偏振光谱图像。
本发明的技术方案为：
本发明提供一种基于AOTF的全偏振光谱成像系统，包括根据光路传输依次排列的前置物镜、视场光阑、前置准直镜、AOTF、成像镜和探测器，所述AOTF连接有AOTF驱动器，所述AOTF驱动器连接有探测器控制处理系统，所述探测器依次连接有探测器控制处理系统和控制采集处理计算机，其特征在于：所述前置准直镜和AOTF之间依光路传输固定设有四孔径消色差波片阵列和偏振片P1；所述四孔径消色差波片阵列和所述偏振片P1组成偏振调制系统；所述AOTF和成像镜之间设置有偏振片P2；所述偏振片P1和偏振片P2设置方向正相交，所述设置方向正相交为偏振片P1水平设置且偏振片P2垂直设置或偏振片P1垂直设置且偏振片P2水平设置。
本发明中前置物镜、视场光阑、前置准直镜、四孔径消色差波片阵列、偏振片P1组成孔径分割偏振成像系统；由方位角不同的四孔径消色差波片阵和偏振片P1组成偏振调制系统，四孔径消色差波片阵列和偏振片P1固定设置在光谱成像系统中，不再转动，整个光谱成像系统为全固定状态且无需电调谐就能同时获得包含所需波段圆偏振信息和线偏振信息的全偏振光谱图像。
AOTF前后各有一个标准偏振片，其偏振方向正交设置。对于+1级衍射光来说，两个偏振方向相互正交的偏振片P1、偏振片P2和AOTF组成的偏振器件可等效于一个偏振方向为0°的偏振片，其中偏振方向相互正交的偏振片P1和偏振片P2可以将无用衍射光(0级衍射光和-1级衍射光)与有用衍射光(+1级衍射光)分开并消除AOTF光束中0级衍射光和-1级衍射光对成像的干扰，不需要光楔和挡光板。
进一步地，所述四孔径消色差波片阵列由四个不同方位角的子孔径消色差波片组成，各子孔径强度为：
其中I为入射偏振光总光强，Q为相互正交偏振光的光强差，U为±45°偏振光的光强差，V为左旋和右旋圆偏振光的光强差，δ为消色差波片相位延迟量，θ为各子孔径消色差波片的方位角，
为偏振片透光轴与x参考轴间的夹角；各子孔径消色差波片在四孔径消色差波片阵列(4)中的位置根据需要设置。
进一步地，所述四孔径消色差波片阵列和偏振片P1胶合设置在全偏振光谱成像系统光路中。
在光学系统要尽量避免两个平面连续出现，容易出鬼像，四孔径消色差波片阵列(4)和偏振片P1(5)胶合一体化设置，减少了零部件，使系统更简单方便。
进一步地，所述AOTF为非共线性设计，其声光材料为TeO2或TAS。
进一步地，所述前置物镜、前置准直镜和成像镜采用复消色差设计；成像镜的入瞳设置在AOTF的中心；复消色差设计提高了宽波段成像的质量。
进一步地，所述前置物镜是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜；前置物镜的焦面与前置准直镜前焦面重合；所述视场光阑是方形，其尺寸与视场和探测器面积相匹配。
进一步地，所述探测器是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器。
本发明还提供了一种基于AOTF的全偏振光谱成像方法，具体步骤包括：
S1.目标形成的入射光经前置物镜收集后，经位于前置物镜像面处的视场光阑，在前置物镜后焦面处获得目标一次像面；
S2.步骤S1所述目标一次像面经前置准直镜准直，经四孔径消色差波片阵列和偏振片P1调制后获得偏振取向不同的四束子孔径偏振光；
S3.所述四束子孔径偏振光平行进入AOTF，通过与AOTF连接的AOTF驱动器扫频实现可调谐+1级衍射滤光，滤光后的出射光依次通过偏振片P2和成像镜成像在探测器；
S4.采用探测器、探测器控制处理系统和控制采集处理计算机完成偏振超光谱图像采集和处理，同时获得包含所需波段圆偏振信息和线偏振信息的全偏振光谱图像。
本发明与现有技术相比有益效果在于：
1、波片相位延迟量不需电调谐：本发明提供的四孔径消色差波片阵列的相位延迟量不变，四孔径消色差波片阵列和偏振片P1固定设置在光谱成像系统中，不再转动，整个偏振光谱成像系统为全固定状态，以达到不需要电调谐四孔径波片的相位延迟量就能实现全偏振调制，减少由于机械转动产生的误差，且不易受外界温度等环境因素干扰。
2、滤光方式：AOTF前后各有一个标准偏振片，其偏振方向相互正交。对于+1级衍射光来说，两个偏振方向相互正交的偏振片P1、偏振片P2和AOTF组成的偏振器件可等效于一个偏振方向为0°的偏振片，其中偏振方向相互正交的偏振片P1和偏振片P2可以消除AOTF的0级衍射光和-1级衍射光对成像的干扰，不需要光楔和挡光板，并且可快速电调谐AOTF波段，提高信息处理效率。
3、获取圆偏振信息：本发明中偏振调制系统由方位角不同的四孔径消色差波片阵列和偏振片P1组成，根据孔径分割型偏振成像系统原理一次成像就可以求解出含圆偏振分量的所有的Stokes矢量，获得全偏振信息。
4、宽谱段成像：一般情况下，波片的相位延迟量是针对某一特定波长，适用范围较小，给使用带来诸多不便，本发明所用四孔径波片阵列为消色差波片，可在一定的波长范围内实现相同的相位延迟。
5、适用性强：本发明提供的基于AOTF的全偏振光普成像系统不仅可以一次性获得线偏振信息、圆偏振信息，而且能同时获取动态目标、静态目标的偏振、光谱及图像信息；系统中没有运动部件，稳定性高，能适应各类使用场景。
附图说明
图1为本发明基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统实施例示意图；
图2为图1中四孔径消色差波片阵列中各个波片30°、45°、60°、90°配置图；
附图标记如下：
1-前置物镜，2-视场光阑，3-前置准直镜，4-四孔径消色差波片阵列，5-偏振片P1，6-AOTF，7-偏振片P2，8-成像镜，9-探测器，10-探测器控制处理系统，11-控制采集处理计算机，12-AOTF驱动器，15-30°子孔径消色差波片，16-45°子孔径消色差波片，17-60°子孔径消色差波片，18-90°子孔径消色差波片。
具体实施方式
以下按照附图对本发明实施例做具体说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于AOTF的全偏振光谱成像系统，按照光路传输方向依次设置有前置物镜1、视场光阑2、前置准直镜3、四孔径消色差波片阵列4、偏振片P1 5、AOTF 6、偏振片P2 7和成像镜8；电机装置包括探测器9、探测器控制处理系统10、控制采集处理计算机11和AOTF驱动器12，探测器9依次连接探测器控制处理系统10和控制采集处理计算机11；其中前置物镜1、视场光阑2、前置准直镜3、四孔径消色差波片阵列4、偏振片P1 5组成孔径分割偏振成像系统。
所述偏振片P1 5和偏振片P2 7设置方向正相交，所述正相交为偏振片P1 5水平设置且偏振片P2 7垂直设置或偏振片P1 5垂直设置且偏振片P2 7水平设置。
四孔径消色差波片阵列4和水平方向的偏振片P1 5组成偏振调制系统，所述四孔径消色差波片阵列4和水平方向的偏振片P1 5胶合后设置在全偏振光谱成像系统中，能使所有准直的光线以给定的入射角进入四孔径消色差波片阵列4。该偏振调制系统利用穆勒矩阵和Stokes矢量测量原理可以求解出含圆偏振分量的所有的Stokes矢量分量，获得全偏振信息。
四孔径消色差波片阵列4由四个不同子孔径消色差波片组成，实施例采用典型波片为λ/4消色差波片，其方位角是如图2所示，分别为30°子孔径消色差波片15，45°子孔径消色差波片16，60°子孔径消色差波片17，90°子孔径消色差波片18；当偏振片P1 5水平设置，各子孔径强度为：
其中I为入射偏振光总光强，Q为相互正交偏振光的光强差，U为±45°偏振光的光强差，V为左旋和右旋圆偏振光的光强差，δ为消色差波片相位延迟量，本实施例中δ＝90°；θ为各子孔径消色差波片的方位角，本实施例中分别取30°，45°，60°，90°；
为偏振片透光轴与x参考轴间的夹角，本实施例中
各子孔径波片在四孔径消色差波片阵列(4)中的位置根据需要设置。
其它实施例中，子孔径波片也可以根据需要采用其它方位角取向的配置，偏振片P1 5也可以垂直设置；当偏振片P1 5垂直设置时，需要根据Stokes矢量测量原理重新分配各子孔径消色差波片的方位角取向。
AOTF 6设计为非共线性，其材料是以二氧化碲或TAS的声光晶体，AOTF 6连接AOTF驱动器12，AOTF驱动器12连接探测器控制处理系统10。
为了保证宽波段成像质量，前置物镜1、前置准直镜3和成像镜8采用复消色差设计，保证在全波段范围内，单色光弥散圆直径小于探测器9像元尺寸。为了充分利用AOTF 6的有效孔径，成像镜8的入瞳设置在AOTF 6的中心。
前置物镜1是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜；前置物镜1的焦面与前置准直镜3前焦面重合；视场光阑2是方形，其尺寸与视场和探测器9面积相匹配。
AOTF 6作为可调谐滤光器，利用AOTF驱动器12调谐AOTF6的驱动频率选择需要窄带偏振光谱。AOTF 6输出的两路偏振态正交的O光和E光均可以分别经成像镜8获得偏振光谱图像，O光和E光可以任选其中一条。
本实施例选择由O光和E光任一条光路的+1级衍射光成像。
为了抑制AOTF出射光束中无用光(0级衍射光和-1级衍射光)对有用光(+1级衍射光)的影响，设置与偏振片P1 5正交的偏振片P2 7将无用光与有用光分开并消除无用光的干扰，以使其产生的杂散光影响尽可能小。
本实施例基于AOTF的全偏振光谱成像系统实现全偏振光谱成像的过程如下：
来自目标场景的发射、反射或透射光等作为全偏振光谱成像系统的入射光经前置物镜1收集后在其后焦面处获得目标一次像面；位于前置物镜1像面处的视场光阑2可以限制成像视场范围。目标一次像面经前置准直镜3准直、四孔径消色差波片阵列4、偏振片P1 5调制后获得偏振取向不同的四束子孔径偏振光。
四束子孔径偏振光通过AOTF 6、偏振片P2 7和成像镜8在探测器9的感光面上获得与AOTF 6调谐波长相对应的偏振图像；探测器9是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器。
探测器9及其随后的探测器控制处理系统10和控制采集处理计算机11完成偏振超光谱图像采集和处理。
通过控制AOTF驱动器12输出驱动信号的频率可以选择需要的窄带偏振光谱图像，通过控制AOTF驱动器12改变驱动信号的频率可以控制AOTF 6的波段选择。
控制采集处理计算机11功能包括：采集和处理偏振超光谱图像、设置探测器控制处理系统10的功能和参数。
Claims (8)
1.一种基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，包括根据光路传输依次排列的前置物镜(1)、视场光阑(2)、前置准直镜(3)、AOTF(6)和成像镜(8)和探测器(9)，所述AOTF(6)连接有AOTF驱动器(12)，所述AOTF驱动器(12)连接有探测器控制处理系统(10)，所述探测器(9)依次连接有探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)，其特征在于：所述前置准直镜(3)和AOTF(6)之间依光路传输固定设有四孔径消色差波片阵列(4)和偏振片P1(5)；所述四孔径消色差波片阵列(4)和偏振片P1(5)组成偏振调制系统；所述AOTF(6)和成像镜(8)之间设置有偏振片P2(7)；所述偏振片P1(5)和偏振片P2(7)设置方向正相交，所述设置方向正相交为偏振片P1(5)水平设置且偏振片P2(7)垂直设置或偏振片P1(5)垂直设置且偏振片P2(7)水平设置。
2.根据权利要求1所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述四孔径消色差波片阵列(4)由四个不同方位角的子孔径消色差波片组成，各子孔径波片在四孔径消色差波片阵列(4)中的位置根据需要设置；各子孔径强度为：
其中I为入射偏振光总光强，Q为相互正交偏振光的光强差，U为±45°偏振光的光强差，V为左旋和右旋圆偏振光的光强差，δ为消色差波片相位延迟量，θ为各子孔径消色差波片的方位角，
为偏振片透光轴与x参考轴间的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述四孔径消色差波片阵列(4)和偏振片P1(5)胶合放置。
4.根据权利要求3所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述AOTF(6)为非共线性设计，其声光材料为TeO2或TAS。
5.根据权利要求4所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述前置物镜(1)、前置准直镜(3)和成像镜(8)采用复消色差设计；成像镜(8)的入瞳设置在AOTF(6)的中心。
6.根据权利要求5所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述前置物镜(1)是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜；前置物镜(1)的焦面与前置准直镜(3)前焦面重合；所述视场光阑(2)是方形，其尺寸与视场和探测器(9)面积相匹配。
7.根据权利要求6所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，其特征在于：所述探测器(9)是紫外探测器、可见光探测器或红外探测器。
8.一种基于AOTF的全偏振光谱成像方法，其特征在于：采用权利要求1-7所述的基于AOTF的同时全偏振光谱成像系统，具体步骤包括：
S1.目标形成的入射光经前置物镜(1)收集后，经位于前置物镜(1)像面处的视场光阑(2)，在前置物镜(1)后焦面处获得目标一次像面；
S2.将步骤S1所述目标一次像面经前置准直镜(3)准直，经四孔径消色差波片阵列(4)和偏振片P1(5)调制后获得偏振取向不同的四束子孔径偏振光；
S3.所述四束子孔径偏振光平行进入AOTF(6)，通过与AOTF(6)连接的AOTF驱动器(12)扫频实现可调谐+1级衍射滤光，滤光后的出射光依次通过偏振片P2(7)和成像镜(8)成像在探测器；
S4.采用探测器(9)、探测器控制处理系统(10)和控制采集处理计算机(11)完成偏振超光谱图像采集和处理，同时获得包含所需波段圆偏振信息和线偏振信息的全偏振光谱图像。
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2021
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