CN215064888U - 一种偏振光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种偏振光谱成像系统，包括望远镜成像装置、偏振特征成像装置、光谱滤波装置和计算机处理单元，望远镜成像装置与偏振成像装置之间设置有分束镜，分束镜分出的平行光入射至偏振特征成像装置，分束镜分出的竖直光入射至光谱滤波装置，偏振特征成像装置和光谱滤波装置的输出端均连接至计算机处理单元。与现有技术相比，本实用新型加工装备简单、稳定性高、体积小、便于携带和安装，通过偏振角度切换装置和光谱仪在图像探测器上能够获取到空间目标四种不同偏振角度的偏振特征以及不同光谱范围下的光谱数据，并且能够自由选择特定的偏振角度且光谱波段范围全面，能够对所观测的目标对象进行跟踪检测，并且检测得到的信息更加全面。

Description

一种偏振光谱成像系统

技术领域

本实用新型涉及偏振光谱成像技术领域，尤其是涉及一种偏振光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术是基于多窄波段的影像数据技术，所受的区域限制非常少，可以在紫外光、近红外、可见光区域中获得连续窄波段的图像数据。它是将整个光谱维度分成N个通道，可以获取到任意一点的光谱数据，甚至任意一段光谱数据信息。随着光谱分辨率的提高，探测能力也更强。光谱成像技术相对于其他成像技术的优势是将图像技术和光谱信息结合起来，用“三维数据块”来形象的描述。图像信息是用来描述物体的外部特征，比如大小、形状等外部特征。光谱信息原理就是利用不同特征所吸收的光谱不同，所以也能反映物体内部特征。

但是，单有高光谱只能对颜色形状等进行可视化分析，不能对各向异性分布特征进行分析，导致对空间目标的检测不全面，不能很好的达到辨识效果。而且采用高光谱成像技术对空间目标进行检测时，由于高光谱检测数据容易受外界环境干扰，如雾、霾等因素的影响，因此单纯地采用光谱检测，很难保证检测的精确性。

而偏振特性是光所具有的一种特殊性质，自然界中任何物体在散射、反射光的过程中都会产生偏振现象，并且这种偏振特征能够反映目标本身的特征。偏振光谱成像技术，将偏振信息和光谱信息所得到的信息数据相结合并通过计算机进行信息的融合与处理，但目前在进行偏振光谱成像时，往往需要借助大型移动部件，以保证对待观测目标进行跟踪检测，这种方式依靠人工操作，难以保证跟踪检测的实时性和全面性，而且也增加了操作难度。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种偏振光谱成像系统，以能够对所观测的目标对象进行实时跟踪检测，并且检测得到的信息更加全面。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种偏振光谱成像系统，包括望远镜成像装置、偏振特征成像装置、光谱滤波装置和计算机处理单元，所述望远镜成像装置与偏振成像装置之间设置有分束镜，所述分束镜分出的平行光入射至偏振特征成像装置，所述分束镜分出的竖直光入射至光谱滤波装置，所述偏振特征成像装置和光谱滤波装置的输出端均连接至计算机处理单元。

进一步地，所述望远镜成像装置包括依次连接的望远镜、望远成像透镜和准直镜，所述准直镜发出的平行光入射至分束镜。

进一步地，所述偏振特征成像装置包括偏振角度切换单元、第一成像透镜和第一CCD图像探测器，所述偏振角度切换单元设置有对应四个不同偏振角度的偏振片。

进一步地，所述偏振角度切换单元包括偏振角度切换轮片，所述偏振角度切换轮片上设置有对应四个不同偏振角度的偏振片，所述偏振角度切换轮片的中心连接有传动轴，所述传动轴连接至电动机的输出端。

进一步地，所述对应四个不同偏振角度的偏振片分别为0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片和135°偏振片。

进一步地，所述偏振角度切换轮片上开设有四个用于安装偏振片的圆形孔，所述四个圆形孔为上下左右相互对称设置。

进一步地，所述光谱滤波装置包括反射镜、第二成像透镜、光谱仪和第二CCD图像探测器，所述第二成像透镜输出的光线聚合入射至光谱仪的狭缝。

进一步地，所述计算机处理单元内设置有用于对不同偏振角度图像以及不同波段光谱图像进行处理的图像处理模块。

进一步地，所述偏振特征成像装置、光谱滤波装置和分束镜安装于同一箱体内，所述箱体与望远镜成像装置固定连接。

进一步地，所述箱体通过压花螺钉固定安装在望远镜成像装置的后方。

本实用新型的具体工作原理为：望远镜成像装置首先对空间目标进行成像及观测后，获取到空间背景图像；

随后光路经过准直镜，准直镜将光束转变为平行光后，经过分束镜，分出的平行的光路由分束镜入射到偏振角度切换轮片的最下方部分的偏振片上，再由第一成像透镜汇聚成像至第一CCD图像探测器，第一CCD图像探测器将第一图像信息传输给计算机处理单元，以对空间目标的表面粗糙度、大气厚度和背景对比度进行偏振特征分析；由分束镜分出的竖直光路通过反射镜将竖直光路转换为水平方向，通过第二成像透镜汇聚到入射狭缝，经光谱仪分光后，成像至第二CCD图像探测器，第二CCD图像探测器将第二图像信息传输至计算机处理单元，以对空间范围内的背景颜色、空间目标形状、大小、亮度和目标间的分布密度进行光谱特征分析；

最后由计算机处理单元将偏振特征分析和光谱特征分析得到的数据进行信息融合与处理，以得到图像显示，达到目标辨识效果。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

一、本实用新型通过偏振特征成像装置和光谱滤波装置，能够分别在成像探测器上得到空间目标四种不同偏振角度的偏振特征以及不同光谱范围下的光谱数据，并且能够自由选择特定的偏振角度且光谱波段范围全面，从而对所观测的目标对象进行实时跟踪检测，并且检测得到的信息更加全面。

二、本实用新型通过在偏振成像装置内设置偏振角度切换轮片，在偏振角度切换轮片的上下左右四个相互对称位置分别安装不同偏振角度的偏振片，同时利用电动机和传动轴驱动偏振角度轮换切片依次旋转90°，由此能够自动得到空间目标在四个偏振角度下的偏振特征。

三、本实用新型将偏振成像装置和光谱滤波装置安装于同一箱体内，并将该箱体与望远镜成像装置固定连接，使用简单的光路、且不需要大型的移动部件，即可得到四个不同偏振方向的偏振成像以及光谱数据，具有结构简单、操作方便的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为偏振角度切换轮片的示意图；

图3为计算机处理单元的工作过程示意图；

其中：1、望远镜，2、望远成像透镜，3、准直镜，4、压花螺钉，5、分束镜，6、偏振角度切换轮片，7、传动轴，8、电动机，9、第一成像透镜，10、第一CCD图像探测器，11、反射镜，12、第二成像透镜，13、入射狭缝，14、光谱仪，15、第二CCD图像探测器，16、计算机，101、0°偏振片，102、45°偏振片，103、90°偏振片，104、135°偏振片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种偏振光谱成像系统，包括望远镜成像装置、偏振特征成像装置、光谱滤波装置和计算机处理单元16，望远镜成像装置与偏振成像装置之间设置有分束镜5，分束镜5分出的平行光入射至偏振特征成像装置，分束镜5分出的竖直光入射至光谱滤波装置，偏振特征成像装置和光谱滤波装置的输出端均连接至计算机处理单元16。

其中，望远镜成像装置包括依次连接的望远镜1、望远成像透镜2和准直镜3，准直镜3发出的平行光入射至分束镜5，偏振特征成像装置包括偏振角度切换单元、第一成像透镜9和第一CCD图像探测器10，偏振角度切换单元设置有对应四个不同偏振角度的偏振片，偏振角度切换单元包括偏振角度切换轮片6，偏振角度切换轮片6的中心连接有传动轴7，传动轴7连接至电动机8的输出端。

如图2所示，偏振角度切换轮片6上设置有对应四个不同偏振角度的偏振片，对应四个不同偏振角度的偏振片分别为0°偏振片101、45°偏振片102、90°偏振片103和135°偏振片104，偏振角度切换轮片6上开设有四个用于安装偏振片的圆形孔，四个圆形孔为上下左右相互对称设置。

光谱滤波装置包括反射镜11、第二成像透镜12、光谱仪14和第二CCD图像探测器15，第二成像透镜12输出的光线聚合入射至光谱仪14的狭缝13。

计算机处理单元16内设置有用于对不同偏振角度图像以及不同波段光谱图像进行处理的图像处理模块。

本实施例中，偏振特征成像装置、光谱滤波装置和分束镜5安装于同一箱体内，箱体与望远镜成像装置固定连接，箱体通过压花螺钉4固定安装在望远镜成像装置的后方。

本技术方案的目的在于提出一种偏振光谱成像装置，用以解决如何用相对简单的光学系统获取不同偏振角度的偏振特征和不同波段光谱数据，通过设置偏振特征成像装置，利用分束镜分出的一道光束和偏振角度切换单元获取到四个不同偏振方向的偏振片成像、以及利用反射镜分出的一道光束和光谱滤波装置同时也得到了光谱数据。

本技术方案的系统构成包括：

望远镜成像装置，是将观测到的空间目标进行成像，获取不同测量条件下的图像，在实际应用中，望远镜成像装置可以为地面观测折射式、反射式或折返式望远镜，望远成像装置包括望远镜1、望远成像透镜2，并使用准直镜3将光束发散转变为平行光。

偏振特征成像装置，该部分包括通过一个中性分束镜5，其中一道透过偏振角度切换轮片6，轮片通过其中心的传动轴7由微型电机8驱动控制，偏振角度切换轮片后方有CCD成像装置。其中偏振角度切换轮片是包括上、下、左、右四个圆形孔，分别对应为0°、45°、90°、135°四个不同偏振角度的偏振片，电机8通过传动轴7转动轮片6每次可以转动90°，这样可以通过转动偏振角度切换轮片6依次得到四个偏振角度下的偏振特征，且最下方的偏振角度孔位正对准后方的第一成像透镜9，再通过第一成像透镜9在第一CCD图像探测器10上成像，以得到四个不同方向的偏振信息。

光谱滤波装置，该部分包括一个反射镜11、第二成像透镜12以及微型光谱仪14，第二成像透镜12将光线聚合汇聚到光谱仪14的狭缝13处、经光谱仪14分光后最终在第二CCD图像探测器15上成像，以得到不同波段的光谱信息。

计算机处理单元16内的图像处理模块，对得到的不同偏振角度图像和不同波段的光谱图像进行处理，得到不同偏振角度和不同光波段的图像特征参数，通过两个CCD图像探测器将所得到的图像数据传给计算机进行处理，采用图像处理对不同波段以及不同偏振角度得到的参数进行计算得到参数图像。

计算机处理单元再进一步对获得的偏振特征数据和光谱数据进行融合与处理，最终达到目标辨识效果。其中，计算机处理单元的工作过程如图3所示：首先将望远镜所观测到的空间范围进行偏振特征采集，对空间目标的表面粗糙度、大气厚度和背景对比度进行偏振特征分析，将采集的特征作降维提取；同时，通过光谱数据采集将空间范围内的背景颜色、空间目标形状、大小、亮度和目标间的分布密度采集后进行数据处理，然后将偏振特征提取和数据处理的内容进行信息融合与处理，最后得到图像显示，达到目标辨识效果。

综上可知，本技术方案中，在前置望远镜成像装置首先对空间目标进行成像及观测后，首先获取到空间背景图像。随后光路经过准直镜，准直镜将光束转变为平行光后，经过分束镜，平行的光路由分束镜入射到偏振角度切换轮片的最下方部分的偏振片上，再由成像透镜汇聚成像至图像传感探测器，探测器将图像信息传至计算机对空间目标的表面粗糙度、大气厚度和背景对比度进行偏振特征分析，由分束镜分出的竖直光路通过反射镜将竖直光路转换为水平方向，通过成像透镜汇聚到入射狭缝，经微型光谱仪分光后，成像至图像传感探测器，探测器将图像信息传至计算机对空间范围内的背景颜色、空间目标形状、大小、亮度和目标间的分布密度采集后进行光谱特征分析，然后将偏振特征和光谱特征得到的数据进行信息融合与处理，最后得到图像显示，达到目标辨识效果。

本技术方案提出的偏振光谱成像系统，其加工装备简单、稳定性高，系统可实现小型化，并且便于携带和安装，通过偏振角度切换装置和光谱仪在成像探测器上能够获取到空间目标四种不同偏振角度的偏振特征以及不同光谱范围下的光谱数据，并且能够自由选择特定的偏振角度且光谱波段范围全面，能够对所观测的目标对象进行跟踪检测，并且检测得到的信息更加全面，本系统可直接安装于望远镜，使用简单的光路，其制造成本较低、体积小、稳定性高，可运用于室内、户外及工业等不同环境下的观测。

Claims (10)

1.一种偏振光谱成像系统，其特征在于，包括望远镜成像装置、偏振特征成像装置、光谱滤波装置和计算机处理单元(16)，所述望远镜成像装置与偏振成像装置之间设置有分束镜(5)，所述分束镜(5)分出的平行光入射至偏振特征成像装置，所述分束镜(5)分出的竖直光入射至光谱滤波装置，所述偏振特征成像装置和光谱滤波装置的输出端均连接至计算机处理单元(16)。

2.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述望远镜成像装置包括依次连接的望远镜(1)、望远成像透镜(2)和准直镜(3)，所述准直镜(3)发出的平行光入射至分束镜(5)。

3.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述偏振特征成像装置包括偏振角度切换单元、第一成像透镜(9)和第一CCD图像探测器(10)，所述偏振角度切换单元设置有对应四个不同偏振角度的偏振片。

4.根据权利要求3所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述偏振角度切换单元包括偏振角度切换轮片(6)，所述偏振角度切换轮片(6)上设置有对应四个不同偏振角度的偏振片，所述偏振角度切换轮片(6)的中心连接有传动轴(7)，所述传动轴(7)连接至电动机(8)的输出端。

5.根据权利要求3或4任一所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述对应四个不同偏振角度的偏振片分别为0°偏振片、45°偏振片、90°偏振片和135°偏振片。

6.根据权利要求4所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述偏振角度切换轮片(6)上开设有四个用于安装偏振片的圆形孔，所述四个圆形孔为上下左右相互对称设置。

7.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述光谱滤波装置包括反射镜(11)、第二成像透镜(12)、光谱仪(14)和第二CCD图像探测器(15)，所述第二成像透镜(12)输出的光线聚合入射至光谱仪(14)的狭缝(13)。

8.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述计算机处理单元(16)内设置有用于对不同偏振角度图像以及不同波段光谱图像进行处理的图像处理模块。

9.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述偏振特征成像装置、光谱滤波装置和分束镜(5)安装于同一箱体内，所述箱体与望远镜成像装置固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种偏振光谱成像系统，其特征在于，所述箱体通过压花螺钉(4)固定安装在望远镜成像装置的后方。

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