專利名稱：一種靜態(tài)光譜偏振成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于成像儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜態(tài)光譜偏振成像儀。
背景技術(shù)：
目前人們已經(jīng)研究出各種各樣的光學(xué)信息獲取技術(shù)，如成像技術(shù)，光譜技術(shù)，偏振技術(shù)等，利用這些技術(shù)，可以獲取目標(biāo)各種不同的信息。比如，利用成像技術(shù)可以獲取空間信息，利用光譜技術(shù)可以獲取光譜信息，利用偏振技術(shù)可以獲取偏振態(tài)信息。而且，隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)信息獲取技術(shù)的指標(biāo)不斷提升、功能不斷完善、獲取的信息量不斷增加。與此同時(shí)，還出現(xiàn)了不同光學(xué)信息獲取技術(shù)間的融合，例如成像技術(shù)與光譜技術(shù)融合形成了光譜成像技術(shù)，能夠獲取目標(biāo)的二維空間信息和每一點(diǎn)的光譜信息，反映目標(biāo)的空間分布特性和化學(xué)組成特性；成像技術(shù)和偏振技術(shù)融合形成了偏振成像技術(shù)，能夠獲取目標(biāo)的二維圖像信息和每一點(diǎn)的偏振態(tài)信息，反映目標(biāo)的物理屬性，包括表面粗糙度、表面紋理、邊沿信息等。 光譜偏振圖像不僅具有很高的空間分辨率和光譜分辨率，而且能夠提供強(qiáng)度信息和光譜信息無法獲得的關(guān)于目標(biāo)反射或輻射光的偏振信息。研究表明，反射輻射的偏振特性不僅取決于觀測時(shí)的幾何條件和目標(biāo)本身的本征特性因素，而且還受到光照條件的影響；特別是戶外情況更加復(fù)雜，因?yàn)檩椛涔庠词翘柟?、天空散射光和反射輻射光的綜合。而且人工物體表面上是一種非自然的光滑面，與自然表面相比，它將產(chǎn)生較大的偏振度；而經(jīng)過粗糙表面到達(dá)觀測者的輻射主要是多次反射光，表現(xiàn)出較小的偏振度。較暗的表面也表現(xiàn)出較大的偏振度，這是因?yàn)榘幢砻嬷袉未紊⑸渌急壤^大，而在較亮的表面中，多次反射占有較大的優(yōu)勢。雖然偏振圖像的可視性沒有強(qiáng)度圖像好，但是偏振圖像提高了對比度，挖掘了強(qiáng)度圖像中許多隱藏的信息，有助于辨別偽裝或隱蔽的目標(biāo)，對置于背景中物體的邊緣增強(qiáng)效果明顯。因此，利用光譜偏振圖像可以獲取目標(biāo)的表面粗糙度、含水量、材料理化特性等信息，提高目標(biāo)檢測的可靠性、抑制背景信息、改善相似物質(zhì)表面的分類結(jié)果。光譜偏振成像儀已有近20年的發(fā)展歷史，國外已經(jīng)從理論研究發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，光譜偏振成像儀技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)主要集中在美國、日本、歐盟等的軍方和一些大學(xué)，研究重點(diǎn)主要包括原理探索、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用評(píng)估等。比較典型的光譜偏振成像儀主要是在光譜成像儀的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，包括基于聲光可調(diào)諧濾光片(acousto-optic tunablefilter,AOTF),LCTF和偏振光柵等器件的光譜成像儀，以及計(jì)算層析光譜成像儀、色散光譜成像儀、空間調(diào)制傅里葉變換光譜成像儀等。LCTF是一種線偏振的濾光片，以LCTF作為分光元件設(shè)計(jì)的光譜成像儀其本身也具有了線偏振態(tài)探測的能力?，F(xiàn)有的大多數(shù)基于LCTF的光譜偏振成像儀就是基于該原理研制的。研制該類型光譜偏振成像儀的部門和研究者主要有日本國家宇航實(shí)驗(yàn)室和意大利的學(xué)者，研制的光譜偏振成像儀主要是多種光電器件的系統(tǒng)集成，該類型光譜偏振成像儀的主要特點(diǎn)是采集的數(shù)據(jù)形式簡單，數(shù)據(jù)的后期處理十分方便。日本國家宇航實(shí)驗(yàn)室從1997年開始研制基于LCTF的光譜偏振成像儀。于1999年完成了可見光譜段(400 720nm)的原型光學(xué)傳感器；于2001年完成光譜偏振成像儀樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)；于2003年完成了近紅外譜段(650 IlOOnm)光譜偏振成像儀的研制。該類型光譜偏振成像儀光學(xué)系統(tǒng)主要包括物鏡、兩個(gè)中繼鏡、LCTF。物鏡首先將目標(biāo)成一中間像，第一個(gè)中繼鏡將成像光束準(zhǔn)直并經(jīng)過LCTF，透過LCTF的光束再經(jīng)第二個(gè)中繼鏡成像于相機(jī)的焦面探測器上，LCTF由步進(jìn)電機(jī)控制可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，從而控制進(jìn)入探測器的光束的線偏振態(tài)。步進(jìn)電機(jī)、LCTF和相機(jī)由計(jì)算機(jī)程序統(tǒng)一控制，完成所需光譜偏振圖像的采集。該光譜偏振成像儀可以獲得斯托克斯矢量的、和三個(gè)分量。由于該光譜偏振成像儀獲得光譜偏振數(shù)據(jù)超立方體需要光譜和偏振維的掃描過程，其中偏振掃描還需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性受到一定的限制。該實(shí)驗(yàn)室采用研制的光譜偏振成像儀進(jìn)行了農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測、地球環(huán)境觀測、水體污染監(jiān)測等實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)也進(jìn)行了類似的研究，同樣采用步進(jìn)電機(jī)控制LCTF旋轉(zhuǎn)來獲得不同線偏振方向的光譜圖像。
正是由于現(xiàn)有的LCTF的光譜偏振成像儀，采用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)LCTF的方式來獲得不同線偏振方向的光譜圖像，從而添加了步進(jìn)電機(jī)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，增加了儀器的復(fù)雜度，穩(wěn)定性和可靠性也隨之降低。而且，在部分靜態(tài)光譜偏振成像儀中，只能獲得有限幾個(gè)線偏振方向的光譜圖像。因此，開發(fā)出一種靜態(tài)光譜偏振成像，并能連續(xù)設(shè)定不同的相位延遲量的光譜偏振成像儀就尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種靜態(tài)光譜偏振成像儀，即一種無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的靜態(tài)光譜偏振成像儀，能夠?qū)崿F(xiàn)在工作譜段范圍內(nèi)任意調(diào)整測量波長和線偏振方向，獲取目標(biāo)的完全線偏振光譜圖像，能夠開展室內(nèi)外光譜偏振成像試驗(yàn)；將嵌入式計(jì)算機(jī)和電源進(jìn)行集成的光譜偏振成像儀。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用LCTF和LCVR分別作為分光和偏振調(diào)制器件實(shí)現(xiàn)靜態(tài)光譜偏振成像，并采用嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。本發(fā)明的靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機(jī)系統(tǒng)和調(diào)控光機(jī)系統(tǒng)的控制單元，其中光機(jī)系統(tǒng)包括有前置成像系統(tǒng)和探測器；控制單元包括有顯示器；其特征在于，光機(jī)系統(tǒng)還包括有依次安裝在前置成像系統(tǒng)和探測器之間的中繼成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF，所述的中繼成像系統(tǒng)的物方焦面位于前置成像系統(tǒng)的一次像面處，而其像方焦面處得到的二次實(shí)像被探測器接收。這樣，當(dāng)目標(biāo)發(fā)出或反射的光經(jīng)過前置成像系統(tǒng)后成像于一次像面，該一次像面位于中繼成像系統(tǒng)的前焦面，此時(shí)在其像方焦面處能夠得到二次實(shí)像，該二次實(shí)像由面陣探測器接收，中繼成像系統(tǒng)中有一段空間為準(zhǔn)直光路，可以將偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF依次放置在此處，實(shí)現(xiàn)偏振和光譜的調(diào)制。LCVR、LCTF和面陣探測器由嵌入式計(jì)算機(jī)同步控制，每設(shè)置一次LCTF的透過波長，再設(shè)置若干LCVR的相位延遲量，面陣探測器相機(jī)拍攝下對應(yīng)波長和線偏振態(tài)下的準(zhǔn)單色圖像。上述的靜態(tài)光譜偏振成像儀的偏振調(diào)制原理為LCTF自身可以被看作是一個(gè)線偏振器件，放置在光路中時(shí)，其線偏振方向?yàn)镺度，不隨波長變化。放置在LCTF前端的LCVR，可以施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓。對于LCTF確定的不同波長的光束，對LCVR施加不同電壓是可產(chǎn)生不同的相位延遲量，這樣就可以對任意線偏振入射光，對LCVR施加合適電壓后都可以將其轉(zhuǎn)換為O度方向的線偏振光，從而可以實(shí)現(xiàn)任意線偏振光譜測量。上述的中繼成像系統(tǒng)，為全對稱的中繼成像系統(tǒng),其一種具體結(jié)構(gòu)包括有對稱放置的中繼鏡前組和中繼鏡后組，其中中繼鏡前組的焦面位于前置成像系統(tǒng)的一次像面處，中繼鏡后組的焦面得到的二次實(shí)像被探測器接收。在中繼鏡前組和中繼鏡后組之間放置LCVR和LCTF。
本發(fā)明的LCTF，其工作光譜范圍是400 720nm，半峰全寬為10nm，工作孔徑為20mmoLCVR可選擇Meadowlark Optics公司的VIS型號(hào)，其工作波長為45(T700nm，有效工作孔徑為40mm,相位延遲量范圍是O λ /2。上述的控制單元還包括用于控制偏振調(diào)制系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測器的嵌入式計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的嵌入式計(jì)算機(jī)選用3. 5英寸嵌入式主板作為控制核心。上述的探測器選用CXD相機(jī)或CMOS相機(jī)。本發(fā)明的靜態(tài)光譜偏振成像儀的數(shù)據(jù)采集與處理過程可根據(jù)需要采取兩種模式第一種模式是獲取不同線偏振角度的光譜圖像，通過設(shè)置LCVR的相位延遲量和LCTF的透過波長來實(shí)現(xiàn)。第二種模式是獲取斯托克斯光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。首先對每一個(gè)譜段采集0°、45°、90°和135°四個(gè)線偏振角度的單色圖像，對每一幅圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)，主要是非均勻性校正，然后再對圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，消除圖像偏移帶來的誤差。校正完后的圖像就可進(jìn)行斯托克斯光譜計(jì)算，計(jì)算方法為
權(quán)利要求
1.一種靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機(jī)系統(tǒng)和調(diào)控光機(jī)系統(tǒng)的控制單兀，其中光機(jī)系統(tǒng)包括有前置成像系統(tǒng)和探測器；控制單元包括有顯示器；其特征在于，光機(jī)系統(tǒng)還包括有依次安裝在前置成像系統(tǒng)和探測器之間的中繼成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF，所述的中繼成像系統(tǒng)的物方焦面位于前置成像系統(tǒng)的一次像面處，而其像方焦面處得到的二次實(shí)像被探測器接收。
2.如權(quán)利要求I所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀，其特征在于所述的中繼成像系統(tǒng)包括有對稱放置的中繼鏡前組和中繼鏡后組，其中中繼鏡前組的焦面位于前置成像系統(tǒng)的一次像面處，中繼鏡后組的焦面得到的二次實(shí)像被探測器接收。
3.如權(quán)利要求2所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀，其特征在于所述的中繼鏡前組和中繼鏡后組之間放置偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF。
4.如權(quán)利要求I所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀，其特征在于所述的控制單元還包括用于控制偏振調(diào)制系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測器的嵌入式計(jì)算機(jī)。
5.如權(quán)利要求I或4所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀，其特征在于所述的探測器選用CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)。
6.權(quán)利要求I所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀的數(shù)據(jù)采集與處理的方法，其特征在于，首先獲取不同線偏振角度的光譜圖像，再通過設(shè)置LCVR的相位延遲量和LCTF的透過波長來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理的。
7.權(quán)利要求I所述的靜態(tài)光譜偏振成像儀的數(shù)據(jù)采集與處理的方法，其特征在于首先對每一個(gè)譜段采集0°、45°、90°和135°四個(gè)線偏振角度的單色圖像，對每一幅圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)；然后再對圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，消除圖像偏移帶來的誤差；校正完后的圖像進(jìn)行斯托克斯光譜計(jì)算，計(jì)算方法為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機(jī)系統(tǒng)和控制單元，其中光機(jī)系統(tǒng)包括有前置成像系統(tǒng)和探測器；控制單元包括有顯示器；其特征在于，光機(jī)系統(tǒng)還包括有依次安裝在前置成像系統(tǒng)和探測器之間的中繼成像光學(xué)系統(tǒng)、偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF。本發(fā)明的成像儀采用LCTF和LCVR實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)和透過波長的電調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)全靜態(tài)光譜偏振成像，無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，功耗降低、體積減小，為便攜式光譜偏振成像儀實(shí)現(xiàn)提供了可能。在環(huán)境監(jiān)測、大氣探測、土壤濕度分析、植物分類以及軍事應(yīng)用等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01J3/447GK102721470SQ201210222600
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者夏瑋瑋, 潘冬寧, 王新全, 黃旻, 齊敏珺 申請人:青島市光電工程技術(shù)研究院