專利名稱：一種高速快門裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)快門領(lǐng)域，特別涉及一種高速快門裝置，用于距離選通主動成像。
背景技術(shù)：
能見度(visibility)是反映大氣透明度的一個指標(biāo)。在空氣潔凈的地區(qū)，晴天能見度一般會大于15Km，視野清晰。在雨、霧、霾、沙塵暴等天氣情況下，大氣的能見度比較差，當(dāng)大氣能見度低于IKm時，能見度很差。水中視程指的是標(biāo)準(zhǔn)視力的人從水中背景中能識別出具有一定大小目標(biāo)物的距離，在淡水或海水中的視程僅為幾十米，甚至幾米?？諝庵械奈⒘獾奈蘸蜕⑸涫怯绊懘髿饽芤姸鹊年P(guān)鍵因素。水滴、固體顆粒對光的吸收會導(dǎo)致光的強(qiáng)度減弱，從而使觀察的景象變暗；微粒對光的散射會導(dǎo)致光傳輸路徑的變化，這不僅會使觀察目標(biāo)的景象變暗，還會導(dǎo)致目標(biāo)物變得模糊。在水中，由于水體本身和其中的其它顆粒對光產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸收和散射，從而導(dǎo)致水中的視程很短。對于光學(xué)成像探測而言，分辨率和對比度是成像質(zhì)量的重要組成部分，分辨率是指成像系統(tǒng)所能重現(xiàn)的被測物體細(xì)節(jié)的數(shù)量，對比度則是成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的被測物體與其背景之間的灰度差別。在能見度低的情況下，通過主動成像，提高照射到目標(biāo)物上的光的強(qiáng)度，可以有效增加對比度。然而，僅通過提高光強(qiáng)的方法并不能提升系統(tǒng)的分辨率，因?yàn)樯⑸涞墓鈴?qiáng)也會隨著目標(biāo)物上的光強(qiáng)一起增加，探測器上的信噪比并沒有得到改善，所成的像依然模糊，難以分辨細(xì)節(jié)。為了提高在大氣或水體中成像的分辨率，可以采用距離選通主動成像方法，該方法需要光源、探測目標(biāo)、高速快門和探測器等部分，其工作原理如下(如圖1所示):在背景光相對較弱的大氣或水體中，tl時刻光源用足夠強(qiáng)的脈沖光照射距離已知的探測目標(biāo)，t2時刻這一段脈沖完全發(fā)射出去，光在空氣或水體中傳播至t3時刻到達(dá)目標(biāo)，t4時刻反射光開始到達(dá)探測器，此時打開高速快門，接收光信號，t5時刻反射光全部到達(dá)探測面，關(guān)閉高速快門。這樣，對于未經(jīng)散射的有用光信號，全部都能到達(dá)探測面成像；而對于散射光，從發(fā)出光脈沖的tl時刻到t4時刻快門均處于閉合狀態(tài)，不予接收，僅在快門開啟的t4、5時間內(nèi)的少量散射光能到達(dá)成像面。通過這種方法，能夠?yàn)V除大量噪聲，提高信噪比，提升成像的分辨率。距離選通主動成像方法中的一個關(guān)鍵器件是高速快門，由于光脈沖在以光速傳播，快門從開啟到關(guān)閉整個過程要在幾十納秒以內(nèi)。目前常見的成像快門有機(jī)械快門、液晶快門和電子快門。機(jī)械快門是通過彈簧、凸輪、齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)或電磁結(jié)構(gòu)來控制光線進(jìn)入時間的裝置，一般能將光線進(jìn)入時間控制到毫秒級，最快的能到微秒級。液晶快門是通過電控制液晶分子的排列方式，從而改變光的透過率，來實(shí)現(xiàn)光路開啟和關(guān)斷的目的，液晶快門的一個重要缺點(diǎn)是響應(yīng)時間相對較慢，目前能達(dá)到毫秒級。電子快門是成像芯片常用的快門種類，它利用了芯片感光系統(tǒng)不通電就不工作的原理，僅在需要開啟快門的時間內(nèi)感光系統(tǒng)通電，實(shí)現(xiàn)控制光線進(jìn)入時間的功能，目前常用的成像芯片電子快門開啟時間能達(dá)到微秒級。有一種特殊的探測器稱為增強(qiáng)型影像CCD(簡稱為ICXD)，由于其成像原理，ICXD的電子快門可以實(shí)現(xiàn)百皮秒級的開合。綜上所述，當(dāng)前的成像快門中，只有ICCD的電子快門的開關(guān)速度可以滿足距離選通主動成像的要求。經(jīng)過水下成像實(shí)驗(yàn)，證明采用ICCD相機(jī)確實(shí)能夠有效提升圖像的分辨率。然而，當(dāng)前市場上的ICCD相機(jī)(Princeton Instruments公司的P1-MAX系列、StanfordComputer Optics公司的4Quik E系列、Andor公司的iStar系列)都存在體積大(大于20cmX IOcmX 10cm)、內(nèi)部電路控制復(fù)雜的問題,不適于制作小型化的距離選通主動成像裝置
實(shí)用新型內(nèi)容
:為解決惡劣天氣與水下成像視程短的問題，本實(shí)用新型提出一種高速快門裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級的開合，使探測器能夠屏蔽大部分雜散光信號，只接收有用光信號，利用該裝置配合主動脈沖光源和成像探測器成像時，可以有效提高惡劣天氣與水下成像的分辨率。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案如下:一種快門裝置，設(shè)置在成像探測器前，用于選擇性地接收或阻隔進(jìn)入成像探測器的光線，實(shí)現(xiàn)距離選通主動成像，其特征在于，該裝置具體包括:起偏器，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光；檢偏器，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；電光晶體，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器和檢偏器之間，經(jīng)所述起偏器轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，從而改變線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器通過或被阻隔，完成對探測光的選擇性接收或阻隔，實(shí)現(xiàn)快門開啟和關(guān)斷。本實(shí)用新型的起偏器用于將光學(xué)系統(tǒng)接收到的光轉(zhuǎn)化為線偏振光。電光晶體是具有電光效應(yīng)的光學(xué)材料，在外加電場作用下，材料的折射率發(fā)生變化，從而引起在光在晶體內(nèi)部傳播的偏振態(tài)改變，是實(shí)現(xiàn)高速快門的核心器件。檢偏器用于透過特定方向的偏振光，電矢量分量平行于其偏振軸向的線偏振光才能通過，最終到達(dá)探測器，其它振動方向的偏振光無法透過。本實(shí)用新型主要通過改變給電光晶體施加的電壓來實(shí)現(xiàn)快門的開關(guān)功能，其主要的工作原理如下:光學(xué)系統(tǒng)接收到的光信號經(jīng)過起偏器，成為第一線偏振光。在快門關(guān)閉時，施加給電光晶體兩端的電壓值為Vl，光信號經(jīng)過補(bǔ)償器和電光晶體后，偏振態(tài)最終改為第二線偏振光。第二線偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向垂直，因此第二線偏振光無法通過檢偏器，光路關(guān)斷。在快門開啟時，施加給電光晶體兩端的電壓值為V2，第一線偏振光經(jīng)過補(bǔ)償器和電光晶體后，偏振態(tài)最終改為第三線偏振光。第三線偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向平行，能夠全部通過檢偏器，光路開啟。因此，僅通過改變施加在電光晶體兩端的電壓，就能夠控制光路的開關(guān)。由于電光晶體對外加電場的響應(yīng)速度非?？?皮秒級)，開啟快門再關(guān)閉快門的整個過程可以在I納秒內(nèi)完成，因此，根據(jù)本原理可以制作納秒級高速快門裝置。本實(shí)用新型還可以在關(guān)閉快門時把光路全部關(guān)死，而打開快門時只開一半，讓部分光通過。具體實(shí)現(xiàn)方法如下，在關(guān)閉快門時，施加的電壓Vl=O，而開啟快門時，施加的電壓V2小于晶體的半波電壓,這樣,通過電光晶體后,偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向呈一定角度(如O到90度之間)，一部分光可以通過檢偏器到達(dá)探測器。本實(shí)用新型的高速快門中還可以設(shè)置補(bǔ)償器，其置于起偏器和檢偏器之間，可放置于電光晶體之前或之后。補(bǔ)償器的作用是改變光的偏振態(tài)，它對光偏振態(tài)的改變是恒定的，電光晶體對光偏振態(tài)的改變是可調(diào)的，兩者共同作用實(shí)現(xiàn)光路的開啟和關(guān)斷功能。例如，如果選取的電光晶體是有旋光性的材料，晶體兩端不加電壓時也會改變光的偏振態(tài)，此時可以通過增加一個補(bǔ)償器來平衡晶體本身的旋光性，從而保證不加電壓時快門能夠閉
入
口 ο本實(shí)用新型的高速快門裝置能夠?qū)⒊上窨扉T的開關(guān)時間控制在納秒級以內(nèi)，并且體積可控，從而更好的實(shí)現(xiàn)距離選通主動成像，提升大氣或水體中成像的分辨率。具體如下:1.本實(shí)用新型的高速快門，能達(dá)到很高的開關(guān)頻率(大于IO9Hz),能夠滿足主動脈沖成像對快門速度的要求，同時相對于ICCD相機(jī)而言，成本較低。2.本實(shí)用新型的高速快門尺寸靈活，系統(tǒng)的長度和口徑都能靈活調(diào)整，可以與光學(xué)成像系統(tǒng)集成，并簡單方便地安裝在成像探測器前方。3.本實(shí)用新型的高速快門可以僅通過改變施加在電光晶體兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，可以實(shí)現(xiàn)全關(guān)、全開、半開等模式，模式調(diào)整簡單快速靈活。4.本實(shí)用新型的高速快門環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，密封好后，可以長期適應(yīng)惡劣天氣、水下等工作條件，不存在機(jī)械磨損，壽命長。

:圖1為本實(shí)用新型一個實(shí)施例的高速快門適用的成像方法示意圖；圖2為本實(shí)用新型該實(shí)施例的中快門關(guān)閉的情況示意圖；圖3為本實(shí)用新型該實(shí)施例的中快門開啟的情況示意圖；圖4為本實(shí)用新型另一個實(shí)施例的中快門關(guān)閉的情況示意圖；圖5為本實(shí)用新型另一個實(shí)施例的中快門開啟的情況示意圖；圖6為本實(shí)用新型又一個實(shí)施例的的示意圖。
具體實(shí)施方式
:
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述，上述實(shí)施例僅是說明性的，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的限定。實(shí)施例1:如圖2所示，本實(shí)施例的快門包括沿光軸方向依次架設(shè)的起偏器2、電光晶體3、檢偏器4，其中檢偏器4與起偏器2的透射方向垂直。不給電光晶體3施加電壓時，經(jīng)過起偏器2與電光晶體3形成的線偏振光103全部無法通過檢偏器4，光路關(guān)斷。隨著給電光晶體3施加的電壓增加，越來越多的光能夠通過檢偏器4到達(dá)探測器，當(dāng)施加的電壓為半波電壓(也稱作λ/2電壓)時，如圖3所示，所有光都能通過檢偏器4到達(dá)探測器，快門完全開啟。通過精確控制電壓的施加與釋放，達(dá)到快門開啟和閉合的功能。實(shí)施例2:[0032]如圖4、5所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1有兩點(diǎn)不同:(I)檢偏器4的通光軸方向改為和起偏器2的通光軸方向平行；(2)增加了波片5作為補(bǔ)償器。在大氣或水下成像時，為了對快門開啟的時間控制得更加精確，而在極短的時間內(nèi)釋放電壓比施加電壓更好控制，因此本實(shí)施例中更改了檢偏器4的通光軸方向后，電光晶體3施加電壓時，快門完全關(guān)閉，釋放電壓時，快門開啟。另外，由于電光晶體3的半波電壓很高(例如RTP晶體為IKV左右)，為了降低成本，在光路關(guān)閉時(如圖4)，電光晶體3兩端施加的電壓為1/4波電壓，并配合一個1/4波片作為補(bǔ)償器5,用于保證在施加電壓時,偏振光107與檢偏器4的通光軸垂直,光路完全閉合。在光路需要開啟時(如圖5)，電光晶體3兩端快速釋放電壓，此時線偏振光108經(jīng)過補(bǔ)償器5變?yōu)閳A偏振光109，再經(jīng)過檢偏器4得到線偏振光110，偏振光110將到達(dá)探測器。相比于實(shí)施例1，實(shí)施例2需要施加在電光晶體3上的電壓減小了一半，但在快門開啟時到達(dá)探測器的光能量也減小了一半。實(shí)施例3:如圖6所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的原理是相同的，區(qū)別在于制作了一個封裝，將起偏器2、檢偏器4和電光晶體3封在了 一起，起偏器2、電光晶體3與檢偏器4之間充入匹配液6。該實(shí)施例中可以把整個快門裝置做得很小，光程短，方便光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上述各實(shí)施例中，起偏器2、檢偏器4可各使用一片偏振片來完成。補(bǔ)償器5可以用波片實(shí)現(xiàn)，根據(jù)具體情況，可能采用1/4波片或根據(jù)需求定制波片。上述各實(shí)施例中，制作電光晶體3可以采用KD*P、BB0、RTP、KTP等晶體材料。KD*P晶體利用的是縱向電光效應(yīng)，必須采用環(huán)形電極，會導(dǎo)致所加電場不均勻，快門的開關(guān)不夠嚴(yán)；ΒΒ0晶體的性能優(yōu)良，但其半波電壓較高，需要3KV以上，對高壓電源的要求較高；RTP與KTP晶體同屬正交晶系，mm2點(diǎn)群，這兩種晶體的光學(xué)均勻性好，半波電壓相對較低，不易潮解，在激光照射下，KTP晶體易產(chǎn)生灰跡，會對成像產(chǎn)生影響，而RTP晶體不易產(chǎn)生灰跡，適合本系統(tǒng)使用。綜上所述，上述各實(shí)施例中優(yōu)選RTP晶體作為制作電光晶體3的材料。RTP晶體可以優(yōu)選采用X方向籽晶生長的RTP晶體，在Z面鍍電極，X面拋光。另夕卜，該晶體所屬的低對稱正交晶系_2晶類，存在著自然雙折射及由溫度引起的雙折射率變化，為了補(bǔ)償這兩種雙折射，優(yōu)選采用兩塊尺寸相同，質(zhì)量相同的RTP晶體，旋轉(zhuǎn)90度構(gòu)置。上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實(shí)用新型主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高速快門裝置，設(shè)置在成像探測器前，用于選擇性地接收或阻隔進(jìn)入成像探測器的光線，實(shí)現(xiàn)距離選通主動成像，其特征在于，該裝置具體包括: 起偏器(2)，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光； 檢偏器(4)，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器(2 )后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；以及 電光晶體(3)，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器(2)和檢偏器(4)之間，經(jīng)所述起偏器(2)轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體(3)，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，改變所述線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器(4)通過或被阻隔，實(shí)現(xiàn)所述成像探測器對探測光的選擇性接收或阻隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述檢偏器(4)的通光軸方向與所述起偏器(2)的通光軸方向垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述的檢偏器(4)的通光軸方向與所述起偏器(2)的通光軸方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高速快門裝置，其特征在于，改變在所述電光晶體(3)兩端加載的電壓大小，可控制通過所述檢偏器(4)到達(dá)探測器的探測光的量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速快門裝置，其特征在于，改變在所述電光晶體(3)兩端加載的電壓大小，可控制通過所述檢偏器(4)到達(dá)探測器的探測光的量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述起偏器(2)、檢偏器(4)和電光晶體(3)封裝為一體，其中，所述起偏器(2)與電光晶體(3)之間以及檢偏器(4)與電光晶體(3)之間充有匹配液(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，該裝置還包括沿光軸設(shè)置在所述起偏器(2)和檢偏器(4)之間的補(bǔ)償器(5)，用于改變光的偏振態(tài)，其與所述電光晶體(3)配合實(shí)現(xiàn)線偏振光從所述檢偏器(4)選擇性地被通過或被阻隔，及被通過或被阻隔的光線量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述補(bǔ)償器(5)可以為1/4波片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述起偏器(2)和檢偏器(4)為偏振片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述電光晶體(3)采用KD*P、BBO、RTP或KTP晶體材料。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高速快門裝置，包括起偏器，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光；檢偏器，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；電光晶體，其沿光軸設(shè)置在所述起偏器和檢偏器之間，經(jīng)所述起偏器轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，從而改變線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器通過或被阻隔，完成對探測光的選擇性接收或阻隔，實(shí)現(xiàn)成像。本實(shí)用新型的裝置能夠?qū)⒊上窨扉T的開關(guān)時間控制在納秒級以內(nèi)，并且體積可控，從而更好的實(shí)現(xiàn)距離選通主動成像，提升大氣或水體中成像的分辨率。
文檔編號G02F1/03GK202948221SQ20122062957
公開日2013年5月22日 申請日期2012年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月25日
發(fā)明者夏珉, 劉昊, 葉駿偉, 李微, 楊克成 申請人:華中科技大學(xué)