CN201497575U - 一种可编程偏振超光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种可编程偏振超光谱成像仪，包括设置在同一光路上的前置镜、视场光阑、准直镜以及声光可调谐滤光器；经声光可调谐滤光器衍射后的O光光路上依次设置有O光成像镜、O光探测器以及O光探测器控制处理***；经声光可调谐滤光器衍射后的E光光路上依次设置有E光成像镜、E光探测器以及E光探测器控制处理***，此外，还包括O光光楔和E光光楔；O光光楔设置在O光光路上，并置于声光可调谐滤光器和O光成像镜之间；E光光楔设置在E光光路上，并置于声光可调谐滤光器和E光成像镜之间。本实用新型具有多谱段复合成像能力、光子计数成像能力、谱段和光谱透过率可编程能力以及能同时获取正交偏振超光谱图像能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种偏振超光谱成像仪，具体涉及一种能同时获取正交偏振光谱图像信息、具有光子计数成像能力和多谱段复合成像能力的可编程偏振超光谱成像仪。
背景技术
利用光谱图像信息可以获得目标的物质组成、含量等化学特征及其空间分布信息，因而成像光谱技术在国民经济社会的各个领域具有广泛的应用前景。
首先，成像光谱仪可以作为空间飞行器的有效载荷，利用其获取的光谱信息可以应用于以下领域：土地资源调查(矿产勘探、城市规划、城郊土地分类利用、土地沙化治理和土壤侵蚀监测等)、林业(林业资源调查和伐林造林监测等)、生态(环境监测、陆地生态研究和区域生态环境评价等)、农业(大面积农业资源监测、农作物产量预测、农作物长势分析预测、病虫害监测等)、深空探测(月球、火星等星体的矿物勘探、太阳系行星大气探测等)等领域。
其次，光谱分析技术还广泛应用于食品饮料、石油化工、纺织、临床医学等各个行业。
偏振图像信息提供了关于目标的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒径等物理特征及其空间分布信息。
偏振遥感与传统遥感相比，有许多独特之处，它可以解决普通光度学无法解决的一些问题，如云和气溶胶的粒径分布等。
来自地物的散射光往往为线偏振光，如林冠覆盖、耕地、草场的散射光具有20％以上的偏振度，泥滩和水面的反射光具有50％以上的偏振度，不同地物具有不同的偏振特征，而人造目标往往具有比自然目标更强的偏振特征，利用这些偏振信息可以反演出地物目标的物理结构、水份含量、岩石中的金属含量等，监测海水污染状况，探测地面上空云分布、种类、高度及大气气溶胶粒子的尺寸分布等。
无疑，与成像光谱技术和成像偏振技术相比，偏振超光谱成像技术可以获取更详尽、更全面的目标信息。
成像光谱技术依分光原理可分为干涉型(空间调制型、时间调制型)、色散型(光栅型和棱镜型)和滤光型(旋转滤光片、液晶可调谐滤光器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)、声光可调谐滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF)等)三种，每种均有其优缺点及其适用范围，其中基于声光可调谐滤光器(Acousto Optic Tunable Filter，AOTF)的成像光谱技术具有光谱通道和光谱透过率可快速电调谐所提供的灵活性(光谱通道顺序或随机调谐、多通道同时获取、智能自主光谱通道选择和获取、实现矩形光谱响应曲线等)、无运动部件带来的结构紧凑性(适应恶劣的力学环境)、无需复杂数据处理带来的易用性以及能同时获取偏振、光谱和图像等多维信息(提高目标探测和识别的能力)的集成性等诸多特色，而具有广泛的应用前景。
由于自然光经AOTF衍射后产生偏振态正交的窄带O光和E光，同时采集窄带O光和E光图像即可构成最简单和紧凑的偏振超光谱成像***(Li-Jen Cheng，Tien-Hsin Chao，MackDowdy，Clayton LaBaw，Cohn Mahoney，George Reyes，“Multispectral imagingsystems using acousto-optic tunable filter”，Proc.SPIE Vol.1874，pp.223-231，1993.)。但已有技术方案有以下缺陷：(1)不具备光子计数成像能力而限制了对暗弱目标的探测；(2)没有补偿AOTF调谐时引起的图像漂移，从而导致复原光谱因谱段混叠而信噪比恶化；(3)AOTF驱动装置采用基于DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字频率合成器)芯片的单频驱动方案，无法获得多频模式下多谱段复合图像。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种以光谱通道和透过率电可调谐的为分光元件、以具有光子计数成像探测能力的探测器如EMCCD(ElectronMultiplying Charge-Coupled Device，电子倍增CCD)、ICCD(ItensifiedCharge-Coupled Device，增强型CCD)等为光电转换器件、以基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)/CPLD(Compex Programmable LogicalDevice，复杂可编程逻辑器件)+DAC(Digital to Analog Convertor，数模转换器)的任意波形发生器为AOTF驱动器和通过***光楔+图像配准方式实现图像漂移补偿的可编程偏振超光谱成像仪，具有多谱段复合成像能力、光子计数成像能力、谱段和光谱透过率可编程能力以及能同时获取正交偏振超光谱图像能力。
本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种可编程偏振超光谱成像仪，包括设置在同一光路上的前置镜、视场光阑、准直镜以及声光可调谐滤光器AOTF；经AOTF衍射后的O光光路上依次设置有O光成像镜、O光探测器以及O光探测器控制处理***；经AOTF衍射后的E光光路上依次设置有E光成像镜、E光探测器以及E光探测器控制处理***，其特殊之处在于：所述可编程偏振超光谱成像仪还包括O光光楔和E光光楔；所述O光光楔设置在O光光路上，并置于AOTF和O光成像镜之间；所述E光光楔设置在E光光路上，并置于AOTF和E光成像镜之间。
上述O光光楔设置在O光的准直光路上，所述E光光楔设置在E光的准直光路上。
上述可编程偏振超光谱成像仪还包括和AOTF电性连接的AOTF驱动器。
上述可编程偏振超光谱成像仪还包括用于减小对O光图像和E光图像的杂光干扰的抑制零级衍射光的光学陷阱，所述光学陷阱设置在AOTF的出射端。
上述O光探测器和E光探测器是具有光子计数探测能力的探测器。
上述O光探测器和E光探测器是EMCCD或ICCD。
上述AOTF驱动器采取基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的任意波形发生器的多频驱动器。
上述前置镜是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜。
本实用新型的优点是：
1、可对图像漂移进行补偿。本实用新型分别在AOTF和O光成像镜之间以及AOTF和E光成像镜之间设置有O光光楔和E光光楔，该部件的设置使得本实用新型可对图像漂移进行补偿，并且利用图像配准方式可以进一步消除图像漂移对偏振光谱复原影响，从而提高光谱复原精度和光谱信噪比。
2、具备光子计数成像能力。本实用新型所采用的O光探测器和E光探测器是可具有光子计数探测能力的探测器，比如可以是EMCCD、ICCD等，是可以获得较高的探测灵敏度，大大提高了暗弱目标的探测能力。
3、具备多谱段复合成像能力。本实用新型将现有的单频AOTF驱动器改为基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的多频AOTF驱动器，可以实现同时对多个谱段进行复合成像探测，从而增强对感兴趣目标的快速识别能力。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型提供了一种可编程偏振超光谱成像仪，包括设置在同一光路上的前置镜2、视场光阑3、准直镜4以及AOTF5；经AOTF5衍射后的O光光路上依次设置有O光成像镜8、O光探测器9以及O光探测器控制处理***10；经AOTF衍射后的E光光路上依次设置有E光成像镜12、E光探测器13以及E光探测器控制处理***14，除此之外，该可编程偏振超光谱成像仪还包括O光光楔7和E光光楔11；O光光楔7设置在O光的准直光路上，并置于AOTF5和O光成像镜8之间；E光光楔11设置在E光光的准直路上，并置于AOTF5和E光成像镜12之间。O光探测器9和E光探测器13是具有光子计数探测能力的探测器，比如EMCCD或ICCD都可以实现本实用新型目的。前置镜2可以是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜，前置镜2的焦面与准直镜4前焦面重合；所述视场光阑3是方形，其尺寸与视场以及O光探测器9、E光探测器13的感光面面积相匹配。O光探测器控制处理***10、E光探测器控制处理***14是采用焦平面制冷技术、相关双采样技术、低噪声偏置技术以及驱动信号成型技术的探测器控制处理***。
控制采集处理计算机设置O光探测器控制处理***10、E光探测器控制处理***14和AOTF5驱动器的工作模施和工作参数，调谐AOTF5的光谱通道和光谱透过率，采集O光探测器控制处理***10和E光探测器控制处理***14输出的一系列不同谱段的O光光谱图像和E光光谱图像，通过图像配置算法进一步补偿AOTF图像漂移，最后通过偏振光谱反演算法获得目标场景的偏振超光谱谱数据立方体。
O光光楔7光学材料的色散特性与AOTF 5声光材料的O光色散特性相匹配，且其楔角、面型等参数需根据AOTF的材料特性和设计参数进行匹配优化。E光光楔11的光学材料色散特性与AOTF 5声光材料的E光色散特性相匹配，且其楔角、面型等参数需根据AOTF的材料特性和设计参数进行匹配优化。
前置镜2、准直镜4、O光成像镜8、E光成像镜12采用复消色差设计，以保证宽谱段范围内的成像性能，准直镜4的出瞳以及O光成像镜8和E光成像镜12的入瞳设置在AOTF 5的中心。
可编程偏振超光谱成像仪还包括和AOTF5电性连接的AOTF驱动器16以及用于减小对O光图像和E光图像的杂光干扰的抑制零级衍射光的光学陷阱6，光学陷阱6设置在AOTF5的出射端面。该AOTF驱动器16采取基于FPGA+DAC结构的任意波形发生器方案的多频驱动器。控制采集处理计算机15设置O光探测器控制处理***10、E光探测器控制处理***14和AOTF驱动器16的工作模施和工作参数，调谐AOTF的光谱通道，采集O光探测器控制处理***10和E光探测器控制处理***14输出的一系列不同谱段的O光光谱图像和E光光谱图像，通过图像配置算法进一步补偿AOTF图像漂移，最后通过偏振光谱反演算法获得目标场景的偏振超光谱谱数据立方体。
AOTF 5采用非共线设计，其声光材料是TeO2、TAS等。
本实施例所述偏振超光谱成像仪，由前置镜2、视场光阑3、准直镜4、AOTF 5、光学陷阱6、O光光楔7、O光成像镜8、O光探测器9、O光探测器控制处理***10、E光光楔11、E光成像镜12、E光探测器13、E光探测器控制处理***14、控制采集处理计算机15、AOTF驱动器16等部分组成。
为了保证宽谱段成像质量和偏振光谱信噪比，前置镜2、准直镜4、O光成像镜8、E光成像镜12采用复消色差设计，保证在全谱段范围内，单色光弥散圆直径小于O光探测器9和E光探测器13的像元尺寸。为了充分利用AOTF 5的有效孔径，准直镜4的出瞳以及O光成像镜8和E光成像镜12的入瞳应设置在AOTF 5的中心。
为了消除AOTF 5调谐时所引起的图像漂移，在AOTF 5和O光成像镜8之间的光路中***O光光楔7，在AOTF 5和E光成像镜12之间的光路中***E光光楔11，O光光楔7和E光光楔11的光学材料色散特性应与AOTF 5声光材料的色散特性相匹配，并且其设计参数应进行优化，以使声光调谐所引起的E光探测器13和O光探测器13像面上图像漂移小于十分之一像元。
AOTF 5作为可调谐滤光器，可以调谐AOTF 5的驱动频率选择感兴趣的窄带偏振光谱。AOTF7采用非共线设计，声光材料可以是TeO2、TAS等，其输出的两路偏振态正交的O光和E光均可以分别经O光成像镜8和E光成像镜12获得正交偏振光谱图像。
为了抑制AOTF出射光束中零级衍射光对一级衍射光的影响，在无用光的光路终端加光学陷阱6，以使其产生的杂散光影响尽可能小。
该偏振超光谱成像仪得工作过程如下：
来自目标场景1的发射、反射或透射光经前置镜2收集后在其后焦面处获得一次像面。位于前置镜2像面处的视场光阑3限制成像视场范围。目标的一次像面像经前置准直镜4准直、AOTF 5分光后分成O光光束和E光光束。O光光束经O光光楔7、O光成像镜8、O光探测器9及其随后的O光探测器控制处理***10获得O光光谱数字图像。E光光束经E光光楔11、E光成像镜12、E光探测器13及其随后的E光探测器控制处理***14获得E光光谱数字图像。控制采集处理计算机15采集和处理一系列的O光光谱数字图像和E光光谱数字图像，形成偏振超光谱数据立方体。控制采集处理计算机15通过控制AOTF驱动器16输出驱动信号的频点数和频率值可以选择感兴趣的窄带偏振光谱图像或多谱段复合图像，通过控制AOTF驱动器16输出驱动信号的功率可以控制AOTF 5的衍射效率。
Claims (8)
1.一种可编程偏振超光谱成像仪，包括设置在同一光路上的前置镜、视场光阑、准直镜以及声光可调谐滤光器；经声光可调谐滤光器衍射后的O光光路上依次设置有O光成像镜、O光探测器以及O光探测器控制处理***；经声光可调谐滤光器衍射后的E光光路上依次设置有E光成像镜、E光探测器以及E光探测器控制处理***，其特征在于：所述可编程偏振超光谱成像仪还包括O光光楔和E光光楔；所述O光光楔设置在O光光路上，并置于声光可调谐滤光器和O光成像镜之间；所述E光光楔设置在E光光路上，并置于声光可调谐滤光器和E光成像镜之间。
2.根据权利要求1所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述O光光楔设置在O光的准直光路上，所述E光光楔设置在E光的准直光路上。
3.根据权利要求1或2所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述可编程偏振超光谱成像仪还包括和声光可调谐滤光器电性连接的AOTF驱动器。
4.根据权利要求3所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述可编程偏振超光谱成像仪还包括用于减小对O光图像和E光图像的杂光干扰的抑制零级衍射光的光学陷阱，所述光学陷阱设置在声光可调谐滤光器的出射端。
5.根据权利要求4所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述O光探测器和E光探测器是具有光子计数探测能力的探测器。
6.根据权利要求5所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述O光探测器和E光探测器是EMCCD或ICCD。
7.根据权利要求6所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述声光可调谐滤光器驱动器是基于FPGA与DAC的结合结构或CPLD与DAC的结合结构的任意波形发生器的多频驱动器。
8.根据权利要求7所述的可编程偏振超光谱成像仪，其特征在于：所述前置镜是透射式前置镜、折反式前置镜或反射式前置镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100602 Termination date: 20110720 |