專利名稱：一種靜態(tài)光譜偏振成像儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于成像儀器技術領域，具體涉及ー種靜態(tài)光譜偏振成像儀。
背景技術：
目前人們已經(jīng)研究出各種各樣的光學信息獲取技術，如成像技術，光譜技術，偏振技術等，利用這些技術，可以獲取目標各種不同的信息。比如，利用成像技術可以獲取空間信息，利用光譜技術可以獲取光譜信息，利用偏振技術可以獲取偏振態(tài)信息。而且，隨著光學技術的飛速發(fā)展，光學信息獲取技術的指標不斷提升、功能不斷完善、獲取的信息量不斷増加。與此同時，還出現(xiàn)了不同光學信息獲取技術間的融合，例如成像技術與 光譜技術融合形成了光譜成像技術，能夠獲取目標的ニ維空間信息和每一點的光譜信息，反映目標的空間分布特性和化學組成特性；成像技術和偏振技術融合形成了偏振成像技木，能夠獲取目標的ニ維圖像信息和每一點的偏振態(tài)信息，反映目標的物理屬性，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，而且能夠提供強度信息和光譜信息無法獲得的關于目標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的幾何條件和目標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雜，因為輻射光源是太陽光、天空散射光和反射輻射光的綜合。而且人工物體表面上是ー種非自然的光滑面，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，這是因為按表面中單次散射所占比例較大，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度圖像好，但是偏振圖像提高了對比度，挖掘了強度圖像中許多隱藏的信息，有助于辨別偽裝或隱蔽的目標，對置于背景中物體的邊緣增強效果明顯。因此，利用光譜偏振圖像可以獲取目標的表面粗糙度、含水量、材料理化特性等信息，提高目標檢測的可靠性、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)展到實際應用階段，光譜偏振成像儀技術研究的機構主要集中在美國、日本、歐盟等的軍方和ー些大學，研究重點主要包括原理探索、實驗驗證和應用評估等。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是ー種線偏振的濾光片，以LCTF作為分光元件設計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驗室和意大利的學者，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。日本國家宇航實驗室從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)的原型光學傳感器；于2001年完成光譜偏振成像儀樣機并進行了實驗室實驗；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系統(tǒng)主要包括物鏡、兩個中繼鏡、LCTF。物鏡首先將目標成一中間像，第一個中繼鏡將成像光束準直并經(jīng)過LCTF，透過LCTF的光束再經(jīng)第二個中繼鏡成像于相機的焦面探測器上，LCTF由步進電機控制可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，從而控制進入探測器的光束的線偏振態(tài)。步進電機、LCTF和相機由計算機程序統(tǒng)ー控制，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械運動部件，穩(wěn)定性受到一定的限制。該實驗室采用研制的光譜偏振成像儀進行了農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測、地球環(huán)境觀測、水體污染監(jiān)測等實驗。國內(nèi)的西北エ業(yè)大學也進行了類似的研究，同樣采用步進電機控制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，從而添加了步進電機等機械運動部件，増加了儀器的復雜度，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，即ー種無任何機械運動部件的靜態(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，獲取目標的完全線偏振光譜圖像，能夠開展室內(nèi)光譜偏振成像試驗；將嵌入式計算機和電源進行集成的光譜偏振成像儀。為了實現(xiàn)這ー目的，本實用新型采用LCTF和LCVR分別作為分光和偏振調(diào)制器件實現(xiàn)靜態(tài)光譜偏振成像，并采用嵌入式計算機進行控制。本實用新型的靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機系統(tǒng)和調(diào)控光機系統(tǒng)的控制單元，其中光機系統(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，而其像方焦面得到的二次實像被探測器接收。這樣，當目標發(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，此時在其像方焦面處能夠得到二次實像，該二次實像由面陣探測器接收，中繼成像系統(tǒng)中有一段空間為平行光路，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，實現(xiàn)偏振和光譜的調(diào)制。LCVR、LCTF和面陣探測器由嵌入式計算機同步控制，每設置一次LCTF的透過波長，再設置若干LCVR的相位延遲量，面陣探測器相機拍攝下對應波長和線偏振態(tài)下的準單色圖像。上述的靜態(tài)光譜偏振成像儀的偏振調(diào)制原理為LCTF自身可以被看作是ー個線偏振器件，放置在光路中時，其線偏振方向為O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Celor型中繼成像系統(tǒng)，其ー種具體結構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。本實用新型的LCTF，其工作光譜范圍是400 720nm，半峰全寬為10nm，工作孔徑為 20mm。LCVR可選擇Meadowlark Optics公司的VIS型號，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算 機。本實用新型的嵌入式計算機選用3. 5英寸嵌入式主板作為控制核心。上述的探測器選用CXD相機或CMOS相機。本實用新型的靜態(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，通過設置LCVR的相位延遲量和LCTF的透過波長來實現(xiàn)。第二種模式是獲取斯托克斯光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。首先對每ー個譜段采集0°、45°、90°和135°四個線偏振角度的單色圖像，對每一幅圖像進行輻射定標，主要是非均勻性校正，然后再對圖像進行配準，消除圖像偏移帶來的誤差。校正完后的圖像就可進行斯托克斯光譜計算，計算方法為又ニ L° +' L()0 + L]、
ο2S1 = L0-L90S2 — L45_L135式中S。、S1和S2為斯托克斯圖像，L0, L45, L90和L135是LCTF設置為某一透過波長時采集的四幅不同線偏振方向的強度圖像。對Stl除以ー個系數(shù)后與S1和S2組合即可組成ー個斯托克斯光譜立方體，利用該數(shù)據(jù)立方體就可以進行目標探測與識別，從而完成數(shù)據(jù)采集與圖像復原的過程。本實用新型提出的靜態(tài)光譜偏振成像儀采用LCTF和LCVR實現(xiàn)偏振態(tài)和透過波長的電調(diào)諧，從而實現(xiàn)全靜態(tài)光譜偏振成像，無任何機械運動部件，功耗降低、體積減小，為便攜式光譜偏振成像儀實現(xiàn)提供了可能。在環(huán)境監(jiān)測、大氣探測、土壌濕度分析、植物分類以及軍事應用(戰(zhàn)場環(huán)境探測、人工與自然目標的識別、揭露偽裝)等許多領域有著廣泛的應用前景。本實用新型的靜態(tài)光譜偏振成像儀可用于野外復雜背景下人工目標的探測與識另IJ。本實用新型的成像儀體積小、結構緊湊、攜帯方便、可外場使用、設計方案。提出的靜態(tài)光譜偏振成像儀方案能夠?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，獲取目標的完全線偏振光譜圖像，能夠開展室內(nèi)光譜偏振成像試驗；將嵌入式計算機和電源集成進光譜偏振成像儀，使得完全脫離外置電源和控制計算機的束縛，為實現(xiàn)便攜和野外進行基于光譜偏振成像的目標探測與識別應用提供硬件條件。
圖I :本實用新型的靜態(tài)光譜偏振成像儀的總體結構圖；圖2 :本實用新型的中繼成像系統(tǒng)的結構圖；圖3 :本實用新型的靜態(tài)光譜偏振成像儀的信號處理流程示意圖。其中1、前置成像系統(tǒng)2、探測器3、顯示器4、中繼鏡前組5、中繼鏡后組6、LCVR
7、LCTF 8、計算機。
具體實施方式
本實用新型將LCVR、LCTF和エ業(yè)相機組成靜態(tài)光譜偏振成像系統(tǒng)，利用LCTF和LCVR分別作為分光和偏振器件，組合為光譜偏振調(diào)制的核心模塊，依次放置于鏡頭和探測 器之間。然而，一般的商業(yè)鏡頭的后工作距是為特定機身設計，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鏡頭的后工作距，此時將LCVR和LCTF置于鏡頭和探測器之間將無法對目標清晰成像。為了匹配商用照相鏡頭、LCVR、LCTF和エ業(yè)相機之間的接ロ尺寸關系，保證該光譜偏振成像儀能夠?qū)θ我饩嚯x目標成像，本實用新型特別設計了一組中繼成像系統(tǒng)，將商業(yè)鏡頭所成的像經(jīng)過LCTF后中轉(zhuǎn)到探測器靶面上，為LCVR和LCTF提供足夠的空間，從而實現(xiàn)由商業(yè)成像鏡頭、LCVR、LCTF、中繼成像系統(tǒng)和エ業(yè)相機組成的便攜式靜態(tài)光譜偏振成像儀。中繼成像系統(tǒng)的設計還要考慮在滿足要求的情況下體積盡量小，進而減小整個光譜偏振成像儀的體積。本實用新型設計的中繼成像系統(tǒng)的物方2倍焦距位于前置成像系統(tǒng)I的一次像面處，且其像方2倍焦距處得到的二次實像被CXD相機接收。這樣，當目標發(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)的物方2倍焦距處，此時在其像方2倍焦距處能夠得到二次實像，該二次實像由CCD相機接收，由于此時中繼成像系統(tǒng)與CCD相機之間有足夠的空間，因此可以將偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR6和分光系統(tǒng)LCTF7依次放置在此處，實現(xiàn)偏振和光譜的調(diào)制。LCVR6、LCTF7和控制器2的CXD相機由嵌入式計算機8同步控制，每設置一次LCTF7的透過波長，再設置幾次LCVR6的相位延遲量，CXD相機拍攝下對應波長和線偏振態(tài)下的準單色圖像。嵌入式計算機由通過液晶觸控顯示屏進行人機交互。本實用新型的中繼成像系統(tǒng)工作在単位放大率下，采用完全対稱的結構形式，自動校正彗差、畸變和垂軸色差，適應商業(yè)鏡頭、LCVR、LCTF和エ業(yè)相機之間的尺寸接ロ關系。在設計中主要考慮校正球差、軸向色差、場曲和象散。按照系統(tǒng)要求，設計全対稱的Celor型中繼成像系統(tǒng)，為了矯正工作波段內(nèi)的球差、色差，將初始結構中的兩組單透鏡改為雙膠合，并增加一厚彎月透鏡來矯正場曲。另外，一次像面到第一個透鏡的距離和最后ー塊透鏡到探測器之間的距離也略有差異，這有助于減小場曲和球差(圖2)。ー種具體結構包括有對稱放置的中繼鏡前組4和中繼鏡后組5，其中中繼鏡前組4的焦面位于前置成像系統(tǒng)的一次像面處，中繼鏡后組6的焦面得到的二次實像被探測器接收。本實用新型的LCTF7可以選用美國CRi公司的VariSpec VIS型LCTF，工作光譜范圍是400 720nm，半峰全寬為10nm，工作孔徑為20mm，可通過電調(diào)諧獲得工作光譜范圍內(nèi)任意中心波長的半峰全寬為IOnm的透過率曲線。在短波方向上透過率較低，導致動態(tài)范圍受到限制，在應用中通過增加短波方向的曝光時間來補償。LCTF7通過外置控制驅(qū)動電路進行控制，通過USB接ロ與嵌入式計算機連接，利用COM接ロ進行雙向通信，傳輸控制指令和狀態(tài)請求。LCVR6可選擇Meadowlark Optics公司的VIS型號，其工作波長為450 700nm，有效工作孔徑為40mm，相位延遲量范圍是(Γ λ /2，通過外置驅(qū)動電路進行控制，通過USB接ロ與嵌入式計算機8連接。集成設計中，將LCVR6放置在LCTF7的前方，要求LCVR6和LCTF7的調(diào)諧嚴格同步，并且保證在每次曝光時已經(jīng)調(diào)諧穩(wěn)定。同時通過試驗確認LCVR6是否可以放置在中繼成像系統(tǒng)的前方，這樣可以減小中繼系統(tǒng)焦距，壓縮系統(tǒng)長度，減小儀器體積。本實用新型的前置成像系統(tǒng)I選用可選用商用C接ロ鏡頭。本實用新型成像儀的探測器2選用選用商品化CXD相機，UMENERA公司的LM165型 單色CCD相機，該相機采用Sony ICX285CCD芯片，2/3英寸，像元數(shù)為1392X 1040，像元尺寸為6. 45 μ mX6. 45 μ m，光譜響應范圍覆蓋650nnTll00nm，采用USB接ロ進行數(shù)據(jù)傳輸和供電。對于控制控制偏振調(diào)制系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測器的嵌入式計算機嵌入式系統(tǒng)，需要具有顯示、存儲、數(shù)據(jù)預處理、控制外圍設備等功能，并且能直接運行自行設計應用程序。可選用3. 5英寸嵌入式主板作為控制核心。需滿足的基本要求包括1)高可靠性，選擇エ業(yè)級板卡、2)盡可能低功耗，發(fā)熱量小、3)裝配占用空間小，盡量使接ロ在同一平面，同一側(cè)。上述各組件安裝在統(tǒng)ー機械底座上，再通過螺釘安裝在主機底座上。光譜偏振成像儀單次曝光采集的原始圖像為特定線偏振態(tài)、特定波長的強度圖像，要獲得最終的斯托克斯光譜圖像立方體，需要對原始圖像進行一系列的處理，其中包括定標、配準、斯托克斯參數(shù)計算、數(shù)據(jù)立方體組合等步驟，從而由采集的原始數(shù)據(jù)復原出滿足要求的偏振光譜圖像數(shù)據(jù)，即斯托克斯光譜圖像立方體。本實用新型的成像儀的數(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，通過設置LCVR的相位延遲量和LCTF的透過波長來實現(xiàn)。第二種模式是獲取斯托克斯光譜圖像數(shù)據(jù)立方體。步驟如圖3所示，首先對每ー個譜段采集0°、45°、90°和135°四個線偏振角度的單色圖像，對每一幅圖像進行輻射定標，主要是非均勻性校正，然后再對圖像進行配準，消除圖像偏移帶來的誤差。校正完后的圖像就可以進行斯托克斯光譜計算，計算方法為
權利要求1.一種靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機系統(tǒng)和調(diào)控光機系統(tǒng)的控制單兀，其中光機系統(tǒng)包括有前置成像系統(tǒng)(I)和探測器(2);控制單元包括有顯示器(3);其特征在于，光機系統(tǒng)還包括有依次安裝在前置成像系統(tǒng)(I)和探測器(2)之間的中繼成像光學系統(tǒng)、偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR (6)和分光系統(tǒng)LCTF (7)，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像被探測器(2)接收。
2.如權利要求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(4)和中繼鏡后組(5)，其中中繼鏡前組(4)的焦面位于前置成像系統(tǒng)(I)的一次像面處，中繼鏡后組(5)的焦面得到的二次實像被探測器(2)接收。
3.如權利要求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(4)和中繼鏡后組(5)之間放置偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR (6)和分光系統(tǒng)LCTF (7)。
4.如權利要求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LCVR (6), LCTF (7)和探測器(2)的嵌入式計算機(8)。
5.如權利要求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(2)選用CCD相機或CMOS相機。
專利摘要本實用新型涉及一種靜態(tài)光譜偏振成像儀，包括有光機系統(tǒng)和控制單元，其中光機系統(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系統(tǒng)、偏振調(diào)制系統(tǒng)LCVR和分光系統(tǒng)LCTF。本實用新型的成像儀采用LCTF和LCVR實現(xiàn)偏振態(tài)和透過波長的電調(diào)諧，從而實現(xiàn)全靜態(tài)光譜偏振成像，無任何機械運動部件，功耗降低、體積減小，為便攜式光譜偏振成像儀實現(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用等許多領域有著廣泛的應用前景。
文檔編號G01J3/447GK202614380SQ20122031294
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月30日 優(yōu)先權日2012年6月30日
發(fā)明者王新全, 黃旻, 夏瑋瑋, 潘冬寧, 齊敏珺 申請人:青島市光電工程技術研究院