CN102721470A

CN102721470A - 一种静态光谱偏振成像仪

Info

Publication number: CN102721470A
Application number: CN2012102226003A
Authority: CN
Inventors: 王新全; 黄旻; 夏玮玮; 潘冬宁; 齐敏珺
Original assignee: Qingdao Academy for Opto Electronics Engineering
Current assignee: Qingdao Academy for Opto Electronics Engineering
Priority date: 2012-06-30
Filing date: 2012-06-30
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明涉及一种静态光谱偏振成像仪，包括有光机***和控制单元，其中光机***包括有前置成像***和探测器；控制单元包括有显示器；其特征在于，光机***还包括有依次安装在前置成像***和探测器之间的中继成像光学***、偏振调制***LCVR和分光***LCTF。本发明的成像仪采用LCTF和LCVR实现偏振态和透过波长的电调谐，从而实现全静态光谱偏振成像，无任何机械运动部件，功耗降低、体积减小，为便携式光谱偏振成像仪实现提供了可能。在环境监测、大气探测、土壤湿度分析、植物分类以及军事应用等许多领域有着广泛的应用前景。

Description

一种静态光谱偏振成像仪

技术领域

本发明属于成像仪器技术领域，具体涉及一种静态光谱偏振成像仪。

背景技术

目前人们已经研究出各种各样的光学信息获取技术，如成像技术，光谱技术，偏振技术等，利用这些技术，可以获取目标各种不同的信息。比如，利用成像技术可以获取空间信息，利用光谱技术可以获取光谱信息，利用偏振技术可以获取偏振态信息。而且，随着光学技术的飞速发展，光学信息获取技术的指标不断提升、功能不断完善、获取的信息量不断增加。与此同时，还出现了不同光学信息获取技术间的融合，例如成像技术与光谱技术融合形成了光谱成像技术，能够获取目标的二维空间信息和每一点的光谱信息，反映目标的空间分布特性和化学组成特性；成像技术和偏振技术融合形成了偏振成像技术，能够获取目标的二维图像信息和每一点的偏振态信息，反映目标的物理属性，包括表面粗糙度、表面纹理、边沿信息等。

光谱偏振图像不仅具有很高的空间分辨率和光谱分辨率，而且能够提供强度信息和光谱信息无法获得的关于目标反射或辐射光的偏振信息。研究表明，反射辐射的偏振特性不仅取决于观测时的几何条件和目标本身的本征特性因素，而且还受到光照条件的影响；特别是户外情况更加复杂，因为辐射光源是太阳光、天空散射光和反射辐射光的综合。而且人工物体表面上是一种非自然的光滑面，与自然表面相比，它将产生较大的偏振度；而经过粗糙表面到达观测者的辐射主要是多次反射光，表现出较小的偏振度。较暗的表面也表现出较大的偏振度，这是因为按表面中单次散射所占比例较大，而在较亮的表面中，多次反射占有较大的优势。虽然偏振图像的可视性没有强度图像好，但是偏振图像提高了对比度，挖掘了强度图像中许多隐藏的信息，有助于辨别伪装或隐蔽的目标，对置于背景中物体的边缘增强效果明显。因此，利用光谱偏振图像可以获取目标的表面粗糙度、含水量、材料理化特性等信息，提高目标检测的可靠性、抑制背景信息、改善相似物质表面的分类结果。

光谱偏振成像仪已有近20年的发展历史，国外已经从理论研究发展到实际应用阶段，光谱偏振成像仪技术研究的机构主要集中在美国、日本、欧盟等的军方和一些大学，研究重点主要包括原理探索、实验验证和应用评估等。比较典型的光谱偏振成像仪主要是在光谱成像仪的基础上发展而来，包括基于声光可调谐滤光片（acousto-optic tunable filter，AOTF）、LCTF和偏振光栅等器件的光谱成像仪，以及计算层析光谱成像仪、色散光谱成像仪、空间调制傅里叶变换光谱成像仪等。

LCTF是一种线偏振的滤光片，以LCTF作为分光元件设计的光谱成像仪其本身也具有了线偏振态探测的能力。现有的大多数基于LCTF的光谱偏振成像仪就是基于该原理研制的。研制该类型光谱偏振成像仪的部门和研究者主要有日本国家宇航实验室和意大利的学者，研制的光谱偏振成像仪主要是多种光电器件的***集成，该类型光谱偏振成像仪的主要特点是采集的数据形式简单，数据的后期处理十分方便。日本国家宇航实验室从1997年开始研制基于LCTF的光谱偏振成像仪。于1999年完成了可见光谱段（400～720nm）的原型光学传感器；于2001年完成光谱偏振成像仪样机并进行了实验室实验；于2003年完成了近红外谱段（650～1100nm）光谱偏振成像仪的研制。该类型光谱偏振成像仪光学***主要包括物镜、两个中继镜、LCTF。物镜首先将目标成一中间像，第一个中继镜将成像光束准直并经过LCTF，透过LCTF的光束再经第二个中继镜成像于相机的焦面探测器上，LCTF由步进电机控制可以绕光轴旋转，从而控制进入探测器的光束的线偏振态。步进电机、LCTF和相机由计算机程序统一控制，完成所需光谱偏振图像的采集。该光谱偏振成像仪可以获得斯托克斯矢量的、和三个分量。由于该光谱偏振成像仪获得光谱偏振数据超立方体需要光谱和偏振维的扫描过程，其中偏振扫描还需要机械运动部件，稳定性受到一定的限制。该实验室采用研制的光谱偏振成像仪进行了农业环境观测、地球环境观测、水体污染监测等实验。国内的西北工业大学也进行了类似的研究，同样采用步进电机控制LCTF旋转来获得不同线偏振方向的光谱图像。

正是由于现有的LCTF的光谱偏振成像仪，采用机械式旋转LCTF的方式来获得不同线偏振方向的光谱图像，从而添加了步进电机等机械运动部件，增加了仪器的复杂度，稳定性和可靠性也随之降低。而且，在部分静态光谱偏振成像仪中，只能获得有限几个线偏振方向的光谱图像。因此，开发出一种静态光谱偏振成像，并能连续设定不同的相位延迟量的光谱偏振成像仪就尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种静态光谱偏振成像仪，即一种无任何机械运动部件的静态光谱偏振成像仪，能够实现在工作谱段范围内任意调整测量波长和线偏振方向，获取目标的完全线偏振光谱图像，能够开展室内外光谱偏振成像试验；将嵌入式计算机和电源进行集成的光谱偏振成像仪。

为了实现这一目的，本发明采用LCTF和LCVR分别作为分光和偏振调制器件实现静态光谱偏振成像，并采用嵌入式计算机进行控制。

本发明的静态光谱偏振成像仪，包括有光机***和调控光机***的控制单元，其中光机***包括有前置成像***和探测器；控制单元包括有显示器；其特征在于，光机***还包括有依次安装在前置成像***和探测器之间的中继成像光学***、偏振调制***LCVR和分光***LCTF，所述的中继成像***的物方焦面位于前置成像***的一次像面处，而其像方焦面处得到的二次实像被探测器接收。

这样，当目标发出或反射的光经过前置成像***后成像于一次像面，该一次像面位于中继成像***的前焦面，此时在其像方焦面处能够得到二次实像，该二次实像由面阵探测器接收，中继成像***中有一段空间为准直光路，可以将偏振调制***LCVR和分光***LCTF依次放置在此处，实现偏振和光谱的调制。LCVR、LCTF和面阵探测器由嵌入式计算机同步控制，每设置一次LCTF的透过波长，再设置若干LCVR的相位延迟量，面阵探测器相机拍摄下对应波长和线偏振态下的准单色图像。

上述的静态光谱偏振成像仪的偏振调制原理为：LCTF自身可以被看作是一个线偏振器件，放置在光路中时，其线偏振方向为0度，不随波长变化。放置在LCTF前端的LCVR，可以施加不同的驱动电压。对于LCTF确定的不同波长的光束，对LCVR施加不同电压是可产生不同的相位延迟量，这样就可以对任意线偏振入射光，对LCVR施加合适电压后都可以将其转换为0度方向的线偏振光，从而可以实现任意线偏振光谱测量。

上述的中继成像***，为全对称的中继成像***，其一种具体结构包括有对称放置的中继镜前组和中继镜后组，其中中继镜前组的焦面位于前置成像***的一次像面处，中继镜后组的焦面得到的二次实像被探测器接收。

在中继镜前组和中继镜后组之间放置LCVR和LCTF。

本发明的LCTF，其工作光谱范围是400～720nm，半峰全宽为10nm，工作孔径为20mm。

LCVR可选择Meadowlark Optics公司的VIS型号，其工作波长为450~700nm，有效工作孔径为40mm，相位延迟量范围是0～λ/2。

上述的控制单元还包括用于控制偏振调制***、分光***和探测器的嵌入式计算机。

本发明的嵌入式计算机选用3.5英寸嵌入式主板作为控制核心。

上述的探测器选用CCD相机或CMOS相机。

本发明的静态光谱偏振成像仪的数据采集与处理过程可根据需要采取两种模式：第一种模式是获取不同线偏振角度的光谱图像，通过设置LCVR的相位延迟量和LCTF的透过波长来实现。第二种模式是获取斯托克斯光谱图像数据立方体。首先对每一个谱段采集0°、45°、90°和135°四个线偏振角度的单色图像，对每一幅图像进行辐射定标，主要是非均匀性校正，然后再对图像进行配准，消除图像偏移带来的误差。校正完后的图像就可进行斯托克斯光谱计算，计算方法为：

S_{0} = \frac{L_{0} + L_{45} + L_{90} + L_{135}}{2}

S₁＝L₀-L₉₀

S₂＝L₄₅-L₁₃₅

式中S₀、S₁和S₂为斯托克斯图像，L₀、L₄₅、L₉₀和L₁₃₅是LCTF设置为某一透过波长时采集的四幅不同线偏振方向的强度图像。对S₀除以一个系数后与S₁和S₂组合即可组成一个斯托克斯光谱立方体，利用该数据立方体就可以进行目标探测与识别，从而完成数据采集与图像复原的过程。

本发明提出的静态光谱偏振成像仪采用LCTF和LCVR实现偏振态和透过波长的电调谐，从而实现全静态光谱偏振成像，无任何机械运动部件，功耗降低、体积减小，为便携式光谱偏振成像仪实现提供了可能。在环境监测、大气探测、土壤湿度分析、植物分类以及军事应用（战场环境探测、人工与自然目标的识别、揭露伪装）等许多领域有着广泛的应用前景。本发明的静态光谱偏振成像仪可用于野外复杂背景下人工目标的探测与识别。本发明的成像仪体积小、结构紧凑、携带方便、可外场使用。提出的静态光谱偏振成像仪方案能够实现在工作谱段范围内任意调整测量波长和线偏振方向，获取目标的完全线偏振光谱图像，能够开展室内光谱偏振成像试验；将嵌入式计算机和电源集成进光谱偏振成像仪，使得完全脱离外置电源和控制计算机的束缚，为实现便携和野外进行基于光谱偏振成像的目标探测与识别应用提供硬件条件。

附图说明

图1：本发明的静态光谱偏振成像仪的总体结构图；

图2：本发明的中继成像***的结构图；

图3：本发明的静态光谱偏振成像仪的信号处理流程示意图。

具体实施方式

本发明将LCVR、LCTF和工业相机组成静态光谱偏振成像***，利用LCTF和LCVR分别作为分光和偏振器件，组合为光谱偏振调制的核心模块，依次放置于镜头和探测器之间。然而，一般的商业镜头的后工作距是为特定机身设计，而且LCVR和LCTF本身具有一定的物理厚度，二者厚度之和大于普通照相镜头的后工作距，此时将LCVR和LCTF置于镜头和探测器之间将无法对目标清晰成像。为了匹配商用照相镜头、LCVR、LCTF和工业相机之间的接口尺寸关系，保证该光谱偏振成像仪能够对任意距离目标成像，本发明特别设计了一组中继成像***，将商业镜头所成的像经过LCTF后中转到探测器靶面上，为LCVR和LCTF提供足够的空间，从而实现由商业成像镜头、LCVR、LCTF、中继成像***和工业相机组成的便携式静态光谱偏振成像仪。中继成像***的设计还要考虑在满足要求的情况下体积尽量小，进而减小整个光谱偏振成像仪的体积。

本发明设计的中继成像***的物方焦面位于前置成像***的一次像面处，且其像方焦面处得到的二次实像被CCD相机接收。这样，当目标发出或反射的光经过前置成像***后成像于一次像面，该一次像面位于中继成像***的物方焦面处，此时在其像方焦面处能够得到二次实像，该二次实像由CCD相机接收，由于此时中继成像***与CCD相机之间有足够的空间，因此可以将偏振调制***LCVR和分光***LCTF依次放置在此处，实现偏振和光谱的调制。LCVR、LCTF和CCD相机由嵌入式计算机同步控制，每设置一次LCTF的透过波长，再设置几次LCVR的相位延迟量，CCD相机拍摄下对应波长和线偏振态下的准单色图像。嵌入式计算机由通过液晶触控显示屏进行人机交互。

本发明的中继成像***工作在单位放大率下，采用完全对称的结构形式，自动校正彗差、畸变和垂轴色差，适应商业镜头、LCVR、LCTF和工业相机之间的尺寸接口关系。在设计中主要考虑校正球差、轴向色差、场曲和象散。按照***要求，设计全对称的中继成像***。其一种具体结构包括有对称放置的中继镜前组和中继镜后组，其中中继镜前组的焦面位于前置成像***的一次像面处，中继镜后组的焦面得到的二次实像被探测器接收（图2）。

本发明的LCTF可以选用美国CRi公司的VariSpec VIS型LCTF，工作光谱范围是400～720nm，半峰全宽为10nm，工作孔径为20mm，可通过电调谐获得工作光谱范围内任意中心波长的半峰全宽为10nm的透过率曲线。在短波方向上透过率较低，导致动态范围受到限制，在应用中通过增加短波方向的曝光时间来补偿。LCTF通过外置控制驱动电路进行控制，通过USB接口与嵌入式计算机连接，利用COM接口进行双向通信，传输控制指令和状态请求。

LCVR可选择Meadowlark Optics公司的VIS型号，其工作波长为450~700nm，有效工作孔径为40mm，相位延迟量范围是0~λ/2，通过外置驱动电路进行控制，通过USB接口与嵌入式计算机连接。

集成设计中，将LCVR放置在LCTF的前方，要求LCVR和LCTF的调谐严格同步，并且保证在每次曝光时已经调谐稳定。

本发明的前置成像***可选用商用C接口镜头。

本发明成像仪的探测器选用选用商品化CCD相机，UMENERA公司的LM165型单色CCD相机，该相机采用Sony ICX285CCD芯片，2/3英寸，像元数为1392×1040，像元尺寸为6.45μm×6.45μm，光谱响应范围覆盖400nm~720nm，采用USB接口进行数据传输和供电。

对于控制控制偏振调制***、分光***和探测器的嵌入式计算机嵌入式***，需要具有显示、存储、数据预处理、控制***设备等功能，并且能直接运行自行设计应用程序。可选用3.5英寸嵌入式主板作为控制核心。需满足的基本要求包括：1）高可靠性，选择工业级板卡、2）尽可能低功耗，发热量小、3）装配占用空间小，尽量使接口在同一平面，同一侧。上述各组件安装在统一机械底座上，再通过螺钉安装在主机底座上。

光谱偏振成像仪单次曝光采集的原始图像为特定线偏振态、特定波长的强度图像，要获得最终的斯托克斯光谱图像立方体，需要对原始图像进行一系列的处理，其中包括定标、配准、斯托克斯参数计算、数据立方体组合等步骤，从而由采集的原始数据复原出满足要求的偏振光谱图像数据，即斯托克斯光谱图像立方体。本发明的成像仪的数据采集与处理过程可根据需要采取两种模式：

第一种模式是获取不同线偏振角度的光谱图像，通过设置LCVR的相位延迟量和LCTF的透过波长来实现。

第二种模式是获取斯托克斯光谱图像数据立方体。步骤如图3所示，首先对每一个谱段采集0°、45°、90°和135°四个线偏振角度的单色图像，对每一幅图像进行辐射定标，主要是非均匀性校正，然后再对图像进行配准，消除图像偏移带来的误差。校正完后的图像就可以进行斯托克斯光谱计算，计算方法为：

S_{0} = \frac{L_{0} + L_{45} + L_{90} + L_{135}}{2}

S₁＝L₀-L₉₀

S₂＝L₄₅-L₁₃₅

另外，本发明的静态光谱偏振成像仪中的前置成像***和探测器可以根据不同的技术指标需要进行选择，而不局限于本发明说明书中的具体记载。

Claims

1.一种静态光谱偏振成像仪，包括有光机***和调控光机***的控制单元，其中光机***包括有前置成像***和探测器；控制单元包括有显示器；其特征在于，光机***还包括有依次安装在前置成像***和探测器之间的中继成像光学***、偏振调制***LCVR和分光***LCTF，所述的中继成像***的物方焦面位于前置成像***的一次像面处，而其像方焦面处得到的二次实像被探测器接收。

2.如权利要求1所述的静态光谱偏振成像仪，其特征在于所述的中继成像***包括有对称放置的中继镜前组和中继镜后组，其中中继镜前组的焦面位于前置成像***的一次像面处，中继镜后组的焦面得到的二次实像被探测器接收。

3.如权利要求2所述的静态光谱偏振成像仪，其特征在于所述的中继镜前组和中继镜后组之间放置偏振调制***LCVR和分光***LCTF。

4.如权利要求1所述的静态光谱偏振成像仪，其特征在于所述的控制单元还包括用于控制偏振调制***、分光***和探测器的嵌入式计算机。

5.如权利要求1或4所述的静态光谱偏振成像仪，其特征在于所述的探测器选用CCD相机或CMOS相机。

6.权利要求1所述的静态光谱偏振成像仪的数据采集与处理的方法，其特征在于，首先获取不同线偏振角度的光谱图像，再通过设置LCVR的相位延迟量和LCTF的透过波长来实现数据采集与处理的。

7.权利要求1所述的静态光谱偏振成像仪的数据采集与处理的方法，其特征在于：首先对每一个谱段采集0°、45°、90°和135°四个线偏振角度的单色图像，对每一幅图像进行辐射定标；然后再对图像进行配准，消除图像偏移带来的误差；校正完后的图像进行斯托克斯光谱计算，计算方法为：

S_{0} = \frac{L_{0} + L_{45} + L_{90} + L_{135}}{2}

S₁＝L₀-L₉₀

S₂＝L₄₅-L₁₃₅

式中S₀、S₁和S₂为斯托克斯图像，L₀、L₄₅、L₉₀和L₁₃₅是LCTF设置为某一透过波长时采集的四幅不同线偏振方向的强度图像；对S₀除以一个系数后与S₁和S₂组合组成一个斯托克斯光谱立方体，利用该数据立方体进行目标探测与识别，从而完成数据采集与图像复原的过程。