一种可编程偏振超光谱成像仪的制作方法

xiaoxiao2020-7-23  11

专利名称:一种可编程偏振超光谱成像仪的制作方法
技术领域
本发明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, A0TF)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0光和E光,同时采集窄带0
3光和E光图像即可构成最简单和紧凑的偏振超光谱成像系统(Li-Jen Cheng, Tien-Hsin Chao,MackDowdy,Clayton LaBaw,Cohn Mahoney,George Reyes,“ Multispectral imaging systemsusing 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。

发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题,本发明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 FPGA (Field-ProgrammableGate Array,现场可编程门阵列)/CPLD (Compex Programmable Logical Device,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驱动器和通过插入光楔+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。本发明的技术解决方案是本发明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0光光路上依次设置有0光成像镜、0光探测器以及0光探测器控制处理系统;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光探测器控制处理系统,其 特殊之处在于所述可编程偏振超光谱成像仪还包括0光光楔和E光光楔;所述0光光楔设 置在0光光路上,并置于AOTF和0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0光光楔设置在0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0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0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0光探测器和E光探测器是EMCXD或ICXD。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。本发明的优点是1、可对图像漂移进行补偿。本发明分别在AOTF和0光成像镜之间以及AOTF和E 光成像镜之间设置有0光光楔和E光光楔,该部件的设置使得本发明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。本发明所采用的0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。本发明将现有的单频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。


图1为本发明结构示意图。
具体实施例方式参见图1,本发明提供了 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A0TF5 ;经A0TF5衍射后的0光光路上依次设置有0光 成像镜8、0光探测器9以及0光探测器控制处理系统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光探测器控制处理系统14,除此之外,该可编 程偏振超光谱成像仪还包括0光光楔7和E光光楔11 ;0光光楔7设置在0光的准直光路 上,并置于A0TF5和0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A0TF5 和E光成像镜12之间。0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EMCXD或ICXD都可以实现本发明目的。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0光探测器9、E光探测器13的感光面面积相匹配。0光探测器控制处理系统 10、E光探测器控制处理系统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系统。控制采集处理计算机设置0光探测器控制处理系统10、E光探测器控制处理系统 14和A0TF5驱动器的工作模施和工作参数,调谐A0TF5的光谱通道和光谱透过率,采集0光 探测器控制处理系统10和E光探测器控制处理系统14输出的一系列不同谱段的0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。0光光楔7光学材料的色散特性与AOTF 5声光材料的0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、0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0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A0TF5电性连接的AOTF驱动器16以及用于减 小对0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 A0TF5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0光探测器控制处理系统10、E光探测器控制处理系统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0光探测 器控制处理系统10和E光探测器控制处理系统14输出的一系列不同谱段的0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Te02、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、A0TF 5、光学 陷阱6、0光光楔7、0光成像镜8、0光探测器9、0光探测器控制处理系统10、E光光楔11、 E光成像镜12、E光探测器13、E光探测器控制处理系统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、0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0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0 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0光成像镜8之间的光 路中插入0光光楔7,在AOTF 5和E光成像镜12之间的光路中插入E光光楔11,0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0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。A0TF7采用非共线设计,声光材料可以是Te02、TAS等,其输出的两路偏振态正交的0 光和E光均可以分别经0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0光光束和E光光束。0光光束经0光光楔7、0光成像镜 8、0光探测器9及其随后的0光探测器控制处理系统10获得0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光探测器控制处理系统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0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。
权利要求
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光探测器控制处理系统;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光探测器控制处理系统,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0光光楔设置 在0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0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0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0光探测器和E 光探测器是EMC⑶或ICXD。
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 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。
全文摘要
本发明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光探测器控制处理系统;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光探测器控制处理系统,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。本发明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。
文档编号G01J3/02GK101957237SQ20091030453
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者常凌颖, 李英才, 赵葆常, 邱跃洪 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所

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