一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，包括光學成像鏡頭、液晶偏振光譜調(diào)制器、圖像傳感器、電源控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心。本實用新型整個系統(tǒng)全電控操作，無機械調(diào)制，因此探測速度快，探測精度高；可在整個探測譜段內(nèi)任意調(diào)整測量波長和偏振狀態(tài)，獲取目標的全偏振光譜圖像；整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可移植性強，適用于多種探測平臺。
【專利說明】一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的局分辨偏振光譜成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光學領(lǐng)域的成像系統(tǒng)，具體是指一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]人類對與客觀世界的感知是建立在傳感器傳送到人腦的相關(guān)信號基礎(chǔ)之上的，而幾個世紀來實驗科學的發(fā)展已經(jīng)極大地擴展了人類感知客觀世界的能力和范圍。在眾多傳感器信號傳送到人腦的過程中，人眼視覺系統(tǒng)起到了關(guān)鍵性的作用。人眼視覺系統(tǒng)可以感知一定范圍內(nèi)光的波長和強度變化，但是光波的橫波特性，波長和強度僅是光波基本特征的一部分，可見即使在可見光范圍內(nèi)，人眼視覺系統(tǒng)也只能感知外部世界的部分信息，光的偏振所攜帶的信息無法被人眼所感知，另外人眼視覺系統(tǒng)也無法實現(xiàn)光信息中的精密光譜識別。
[0003]偏振光譜成像系統(tǒng)是通過控制入射光的譜段和偏振態(tài)等參數(shù)，對目標進行成像，偏振光譜成像系統(tǒng)的重要特征和標志是可同時獲取目標的偏振信息、光譜信息和空間信息，形成包含目標光強、偏振和光譜信息的數(shù)據(jù)立方體。高分辨偏振光譜成像設(shè)備可以實現(xiàn)偏振成像技術(shù)與光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢互補，有效增加光學探測的信息量，完成復雜背景下目標的邊界提取和特征識別，實現(xiàn)光學成像的多模態(tài)信息融合，使在普通成像系統(tǒng)下“不可見”的目標成為“可見”，從而促進信息技術(shù)的快速發(fā)展。在航空遙感探測、農(nóng)業(yè)氣象與洪澇應(yīng)急監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、刑偵物證鑒定和目標探測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]偏振光譜成像技術(shù)由于具有廣泛的應(yīng)用前景，因此世界上一些國家，如美國、加拿大、澳大利亞、法國、德國等，競相投入大量資源進行偏振光譜儀系統(tǒng)的研制和應(yīng)用。經(jīng)過20多年的努力，人們設(shè)計研制成功了多種偏振光譜成像探測裝置，但目前還沒有通用標準的成像偏振光譜探測儀。現(xiàn)有成像偏振光譜儀中光譜調(diào)制技術(shù)主要分為色散型、干涉型、濾光片輪型和電控調(diào)制型等四種技術(shù)。電控調(diào)制技術(shù)主要是用液晶調(diào)諧(Liquid CrystalTunable Filter, LCTF)和聲光調(diào)諧(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF)的方式進行自動光譜譜段調(diào)節(jié)，其中LCTF以光強衰減的方式調(diào)節(jié)譜段，而AOTF是通過給一塊雙折射晶體施加射頻聲波建立移動衍射光柵的方式調(diào)節(jié)；利用可調(diào)諧濾光片代替機械濾光片轉(zhuǎn)輪，波段數(shù)量可增加到上百個甚至上千個，可實現(xiàn)快速波段切換，通道位置可實時在線調(diào)整的功能，并且系統(tǒng)能夠保留傳統(tǒng)濾光片輪系統(tǒng)的高空間分辨率，從而實現(xiàn)高空間分辨率和高光譜分辨率的有機結(jié)合。現(xiàn)有成像偏振光譜儀中偏振調(diào)制技術(shù)主要以旋轉(zhuǎn)偏振片或調(diào)節(jié)相位延遲器的方式改變偏振狀態(tài)；而且為了保證采集圖像的時效性，多采用電機控制旋轉(zhuǎn)、分光或多攝像機協(xié)同的方式采集圖像。
[0005]日本國家航空實驗室1999年設(shè)計制作了一款采用電調(diào)濾光片加電機旋轉(zhuǎn)的方式采集圖像的偏振光譜儀，該系統(tǒng)利用LCTF作為光譜調(diào)制系統(tǒng)，并將LCTF整體作為一個偏振片，通過機械旋轉(zhuǎn)LCTF的方式實現(xiàn)偏振調(diào)制，從而實現(xiàn)了 400nnTl IOOnm范圍內(nèi)的偏振光譜圖像采集。美國陸軍研究實驗室2002年設(shè)計的偏振光譜成像儀主要是由AOTF和液晶可調(diào)相位延遲器(Liquid Crystal Variable Retarder, LCVR)組合而成，覆蓋了 0.4 μ m^ll.5μπι的光譜范圍，由于系統(tǒng)全部由電子控制，所以實時性更好，但聲光傳感器本身對噪音很敏感，所以成像信噪比比較低。歐洲航天局/歐洲航天技術(shù)中心地球觀測計劃部門利用兩片布儒斯特棱鏡進行分光調(diào)制組織研制了航天偏振遙感偏振觀測單元，并進行了地球臭氧觀測。法國空間研究中心的POLDER采用偏振片、濾波片結(jié)構(gòu)，對太陽輻射和偏振度進行全球觀測，可提取大氣氣溶膠和云層信息。
[0006]從目前的國內(nèi)外研究看出，目前偏振光譜成像探測系統(tǒng)，太空探測領(lǐng)域所研究所用系統(tǒng)大部分系統(tǒng)采用機械調(diào)制法，不但由于機械抖動對成像具有一定的偏差，而且無法實現(xiàn)動態(tài)實時成像。另外目前機載偏振光譜系統(tǒng)多采用色散型調(diào)制技術(shù)進行光譜調(diào)制，并配以機械旋轉(zhuǎn)偏振片的方式進行偏振調(diào)節(jié)，這種系統(tǒng)受制于技術(shù)特點，通常體積和重量較大，對搭載平臺要求比較苛。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型的目的在于提供一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中機械抖動對成像具有一定的偏差，而且無法實現(xiàn)動態(tài)實時成像的問題。
[0008]本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，包括:
[0010]光學成像鏡頭 ，位于整個光學系統(tǒng)的最前端，用于將被測目標成像于圖像傳感器焦平面上；
[0011]液晶偏振光譜調(diào)制器，位于成像鏡頭的后方，用于對入射光進行光譜分光和相位調(diào)制；
[0012]圖像傳感器，位于液晶偏振光譜調(diào)制器后方，用于接收液晶偏振光譜調(diào)制器輸出的光信號，并探測入射光的光輻射強度信息，并進行圖像采集；
[0013]電源控制系統(tǒng):包括自動控制電路板，自動控制電路板分別與溫度控制器、電源控制器、圖像存儲器連接，其中溫度控制器、電源控制器同時與液晶偏振光譜調(diào)制器連接，自動控制電路板通過溫度控制器、電源控制器來分別控制液晶偏振光譜調(diào)制器的溫度和電源；圖像存儲器與圖像傳感器連接，自動控制電路板控制圖像傳感器向圖像存儲器發(fā)送的命令，并控制圖像存儲器欲數(shù)據(jù)處理中心的通信；
[0014]數(shù)據(jù)處理中心，用于對數(shù)據(jù)存儲器傳輸?shù)膱D片進行計算分析、并最終成像。
[0015]本實用新型通過電源控制系統(tǒng)中自動控制電路板與液晶偏振光譜調(diào)制器通信連接，利用溫度控制器和電源控制器作為控制液晶偏振光譜調(diào)制器狀態(tài)的中間命令執(zhí)行機構(gòu)，從而調(diào)整液晶偏振光譜調(diào)制器的參數(shù)狀態(tài)，電源控制器輸出一組多通道的低壓交變信號，驅(qū)動液晶偏振光譜調(diào)制器工作；液晶偏振光譜調(diào)制器在驅(qū)動電壓作用下，對來自景物的光信號進行濾波和偏振態(tài)調(diào)制；圖像傳感器接受透過液晶偏振光譜調(diào)制器的來自景物的光信號對景物成像，圖像采集設(shè)備接收圖像傳感器的圖像信號，數(shù)據(jù)處理軟件通過對采集到的圖片進行融合、增強、降噪處理，并最終實現(xiàn)偏振光譜圖像的成像輸出。
[0016]所述的液晶偏振光譜調(diào)制器包括依次疊放的液晶可調(diào)濾光片LCTF、液晶波片LC1、液晶波片LC2，其中，液晶波片LCl快軸方向與參考水平方向夾角0為O。，液晶波片LC2、以及液晶可調(diào)濾光片LCTF中液晶波的快軸方向與參考水平方向夾角0為45°。液晶偏振光譜控制器包括10片液晶波片LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6、LC7、LC8、LC9、LC10、8片偏振片P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，以及5片固定相位延遲片Rl、R2、R3、R4、R5，其中液晶波片LCl快軸方向與參考水平方向夾角0為0°，LC2~LClO快軸方向與參考水平方向夾角9為45° ;8片偏振片相互平行排列，透射方向與參考水平方向夾角為90° ;5片固定相位延遲片的快軸方向與參考水平方向夾角為45°，5片固定相位延遲片的相位延遲量根據(jù)液晶波片的雙折射率差An和級聯(lián)級數(shù)進行確定，液晶偏振光譜調(diào)制器分為光譜分光模塊和偏振態(tài)調(diào)制模塊:其中LC3~LC10、P1~P8和Rl~R5組成利奧構(gòu)型的液晶可調(diào)濾光片LCTF光譜分光模塊；光譜分光模塊整個可看作一個透射方向與參考水平方向夾角為90°的線偏振片，與LCl和LC2共同可構(gòu)成偏振態(tài)調(diào)制模塊，液晶波片LCl和LC2主要用于對偏振調(diào)制，而后面的液晶波片和偏振片相互平行排列、間隔疊放，主要用于實現(xiàn)光譜分光功能。液晶偏振光譜調(diào)制器中的光譜分光模塊工作原理:光譜分光模塊主要為液晶利奧構(gòu)型，由平行排列的許多級級聯(lián)而成，每一級包含兩個相互平行的偏振片，中間夾著由液晶波片和固定相位延遲片組成的光學雙折射率單元。入射光進入第一級偏振片時，入射光分解為沿光學雙折射率單元兩個晶軸相同的分量，通過改變施加在光學雙折射率單元上的電壓可以引起其中一個晶軸上的折射率的變化，兩分量間的相位延遲量產(chǎn)生相位差，在出射偏振片上，兩分量重新組合為一個偏振態(tài)。兩分量間的相對延遲與波長有關(guān)，因此利奧構(gòu)型單元可以選擇透過的波長。通過將多級利奧構(gòu)型單元進行級聯(lián)，并按照規(guī)律改變每一級的加載電壓，從而可以實現(xiàn)光譜分光功能。偏振態(tài)調(diào)制模塊主要有液晶波片LC1、液晶波片LC2和I個液晶可調(diào)濾光片LCTF光譜分光模塊組成，通過改變液晶波片LCl和液晶波片LC2的加載電壓，使得液晶波片LCl和液晶波片LC2的相位延遲量(SI，62)分別為(0°，0° )、(0° ,90° ),(90° ,90° )和(O。，180° )，那么此時圖像傳感器獲得的光強圖像分別為I ’(O。，0。)、1，(O。，90。)、1，(90。，90。)和 I，(O。，180。)，則入射光的 Stokes 分量
【權(quán)利要求】
1.一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，包括: 光學成像鏡頭，位于整個光學系統(tǒng)的最前端，用于將被測目標成像于圖像傳感器焦平面上； 液晶偏振光譜調(diào)制器，位于成像鏡頭的后方，用于對入射光進行光譜分光和相位調(diào)制； 圖像傳感器，位于液晶偏振光譜調(diào)制器后方，用于接收液晶偏振光譜調(diào)制器輸出的光信號，并探測入射光的光輻射強度信息，并進行圖像采集； 電源控制系統(tǒng):包括自動控制電路板，自動控制電路板分別與溫度控制器、電源控制器、圖像存儲器連接，其中溫度控制器、電源控制器同時與液晶偏振光譜調(diào)制器連接，自動控制電路板通過溫度控制器、電源控制器來分別控制液晶偏振光譜調(diào)制器的溫度和電源；圖像存儲器與圖像傳感器連接，自動控制電路板控制圖像傳感器向圖像存儲器發(fā)送的命令，并控制圖像存儲器欲數(shù)據(jù)處理中心的通信； 數(shù)據(jù)處理中心，用于對數(shù)據(jù)存儲器傳輸?shù)膱D片進行計算分析、并最終成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的液晶偏振光譜調(diào)制器包括依次疊放的液晶可調(diào)濾光片LCTF、液晶波片LC1、液晶波片LC2，其中，液晶波片LCl快軸方向與參考水平方向夾角Θ為O。，液晶波片LC2、以及液晶可調(diào)濾光片LCTF中液晶波的快軸方向與參考水平方向夾角Θ為45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述液晶波片包括兩張透明基板(101)，在兩張透明基板(101)相對的面涂覆有取向膜(102)，在兩個取向膜(102)之間設(shè)置有透明隔墊(103)，在兩個取向膜(102)之間填充有液晶層(104)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:在所述透明基板(101)與取向膜(102)之間還設(shè)置有透明導電膜(105)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的一個液晶波片中兩個取向膜(102)的摩擦方向呈反向平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于液晶雙折射率效應(yīng)的高分辨偏振光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述透明隔墊(103)采用玻璃纖維、玻璃微珠、或塑料微珠制成。
【文檔編號】G01N21/23GK203572768SQ201320797124
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】王海峰, 駱永全, 劉倉理, 沈志學, 黃立賢, 張大勇, 趙祥杰, 儲松南, 趙劍衡, 李劍峰 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所