專利名稱：一種可編程偏振超光譜成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種偏振超光譜成像儀，具體涉及一種能同時(shí)獲取正交偏振光譜
圖像信息、具有光子計(jì)數(shù)成像能力和多譜段復(fù)合成像能力的可編程偏振超光譜成像儀。
背景技術(shù)：
利用光譜圖像信息可以獲得目標(biāo)的物質(zhì)組成、含量等化學(xué)特征及其空間分布信 息，因而成像光譜技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 首先，成像光譜儀可以作為空間飛行器的有效載荷，利用其獲取的光譜信息可以 應(yīng)用于以下領(lǐng)域土地資源調(diào)查(礦產(chǎn)勘探、城市規(guī)劃、城郊土地分類利用、土地沙化治理 和土壤侵蝕監(jiān)測(cè)等)、林業(yè)(林業(yè)資源調(diào)查和伐林造林監(jiān)測(cè)等)、生態(tài)(環(huán)境監(jiān)測(cè)、陸地生態(tài) 研究和區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等)、農(nóng)業(yè)(大面積農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì) 分析預(yù)測(cè)、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等)、深空探測(cè)(月球、火星等星體的礦物勘探、太陽(yáng)系行星大氣探測(cè) 等)等領(lǐng)域。 其次，光譜分析技術(shù)還廣泛應(yīng)用于食品飲料、石油化工、紡織、臨床醫(yī)學(xué)等各個(gè)行 業(yè)。 偏振圖像信息提供了關(guān)于目標(biāo)的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒徑等物理特征及 其空間分布信息。 偏振遙感與傳統(tǒng)遙感相比，有許多獨(dú)特之處，它可以解決普通光度學(xué)無(wú)法解決的 一些問(wèn)題，如云和氣溶膠的粒徑分布等。 來(lái)自地物的散射光往往為線偏振光，如林冠覆蓋、耕地、草場(chǎng)的散射光具有20%以 上的偏振度，泥灘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， 而人造目標(biāo)往往具有比自然目標(biāo)更強(qiáng)的偏振特征，利用這些偏振信息可以反演出地物目標(biāo) 的物理結(jié)構(gòu)、水份含量、巖石中的金屬含量等，監(jiān)測(cè)海水污染狀況，探測(cè)地面上空云分布、種 類、高度及大氣氣溶膠粒子的尺寸分布等。 無(wú)疑，與成像光譜技術(shù)和成像偏振技術(shù)相比，偏振超光譜成像技術(shù)可以獲取更詳 盡、更全面的目標(biāo)信息。 成像光譜技術(shù)依分光原理可分為干涉型(空間調(diào)制型、時(shí)間調(diào)制型)、色散型(光 柵型和棱鏡型)和濾光型(旋轉(zhuǎn)濾光片、液晶可調(diào)諧濾光器(Liquid Crystal Tunable Filter, LCTF)、聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-Optic Tunable Filter, A0TF)等)三種， 每種均有其優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，其中基于聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto Optic Tunable Filter, A0TF)的成像光譜技術(shù)具有光譜通道和光譜透過(guò)率可快速電調(diào)諧所提供的靈活性 (光譜通道順序或隨機(jī)調(diào)諧、多通道同時(shí)獲取、智能自主光譜通道選擇和獲取、實(shí)現(xiàn)矩形光 譜響應(yīng)曲線等)、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件帶來(lái)的結(jié)構(gòu)緊湊性(適應(yīng)惡劣的力學(xué)環(huán)境)、無(wú)需復(fù)雜數(shù)據(jù)處 理帶來(lái)的易用性以及能同時(shí)獲取偏振、光譜和圖像等多維信息(提高目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的能 力)的集成性等諸多特色，而具有廣泛的應(yīng)用前景。 由于自然光經(jīng)A0TF衍射后產(chǎn)生偏振態(tài)正交的窄帶0光和E光，同時(shí)采集窄帶0光和E光圖像即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單和緊湊的偏振超光譜成像系統(tǒng)(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.)。但已有技術(shù)方案有以下缺陷(1)不具備光子計(jì)數(shù)成像能力而限制了 對(duì)暗弱目標(biāo)的探測(cè)；(2)沒(méi)有補(bǔ)償AOTF調(diào)諧時(shí)引起的圖像漂移，從而導(dǎo)致復(fù)原光譜因譜段 混疊而信噪比惡化；(3)AOTF驅(qū)動(dòng)裝置采用基于DDS (Direct Digital Synthesizer,直接數(shù) 字頻率合成器)芯片的單頻驅(qū)動(dòng)方案，無(wú)法獲得多頻模式下多譜段復(fù)合圖像。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種以 光譜通道和透過(guò)率電可調(diào)諧的為分光元件、以具有光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)能力的探 領(lǐng)!j器如EMCCD(ElectronMultiplying Charge-Coupled Device, 電子倍增CCD)、 ICCD (Itensif iedCharge-Coupled Device,增強(qiáng)型CCD)等為光電轉(zhuǎn)換器件、以基于 FPGA(Field-Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)/CPU)(Compex Programmable LogicalDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)+DAC (Digital to Analog Converter,數(shù)模轉(zhuǎn)換器) 的任意波形發(fā)生器為AOTF驅(qū)動(dòng)器和通過(guò)插入光楔+圖像配準(zhǔn)方式實(shí)現(xiàn)圖像漂移補(bǔ)償?shù)目?編程偏振超光譜成像儀，具有多譜段復(fù)合成像能力、光子計(jì)數(shù)成像能力、譜段和光譜透過(guò)率 可編程能力以及能同時(shí)獲取正交偏振超光譜圖像能力。 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種可編程偏振超光譜成像 儀，包括設(shè)置在同一光路上的前置鏡、視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直鏡以及聲光可調(diào)諧濾光器AOTF;經(jīng) AOTF衍射后的0光光路上依次設(shè)置有0光成像鏡、0光探測(cè)器以及0光探測(cè)器控制處理系 統(tǒng)；經(jīng)AOTF衍射后的E光光路上依次設(shè)置有E光成像鏡、E光探測(cè)器以及E光探測(cè)器控制 處理系統(tǒng)，其特殊之處在于所述可編程偏振超光譜成像儀還包括0光光楔和E光光楔；所 述0光光楔設(shè)置在0光光路上，并置于AOTF和0光成像鏡之間；所述E光光楔設(shè)置在E光 光路上，并置于AOTF和E光成像鏡之間。 上述0光光楔設(shè)置在0光的準(zhǔn)直光路上，所述E光光楔設(shè)置在E光的準(zhǔn)直光路上。 上述可編程偏振超光譜成像儀還包括和AOTF電性連接的AOTF驅(qū)動(dòng)器。 上述可編程偏振超光譜成像儀還包括用于減小對(duì)0光圖像和E光圖像的雜光干擾
的抑制零級(jí)衍射光的光學(xué)陷阱，所述光學(xué)陷阱設(shè)置在AOTF的出射端。 上述0光探測(cè)器和E光探測(cè)器是具有光子計(jì)數(shù)探測(cè)能力的探測(cè)器。 上述0光探測(cè)器和E光探測(cè)器是EMCCD或ICCD。 上述AOTF驅(qū)動(dòng)器采取基于FPGA與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的 任意波形發(fā)生器的多頻驅(qū)動(dòng)器。 上述前置鏡是透射式前置鏡、折反式前置鏡或反射式前置鏡。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是 1、可對(duì)圖像漂移進(jìn)行補(bǔ)償。本實(shí)用新型分別在AOTF和0光成像鏡之間以及AOTF 和E光成像鏡之間設(shè)置有0光光楔和E光光楔，該部件的設(shè)置使得本實(shí)用新型可對(duì)圖像漂 移進(jìn)行補(bǔ)償，并且利用圖像配準(zhǔn)方式可以進(jìn)一步消除圖像漂移對(duì)偏振光譜復(fù)原影響，從而 提高光譜復(fù)原精度和光譜信噪比。[0022] 2、具備光子計(jì)數(shù)成像能力。本實(shí)用新型所采用的O光探測(cè)器和E光探測(cè)器是可 具有光子計(jì)數(shù)探測(cè)能力的探測(cè)器，比如可以是EMCCD、 ICCD等，是可以獲得較高的探測(cè)靈敏 度，大大提高了暗弱目標(biāo)的探測(cè)能力。 3、具備多譜段復(fù)合成像能力。本實(shí)用新型將現(xiàn)有的單頻AOTF驅(qū)動(dòng)器改為基于 FPGA與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的多頻AOTF驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多 個(gè)譜段進(jìn)行復(fù)合成像探測(cè)，從而增強(qiáng)對(duì)感興趣目標(biāo)的快速識(shí)別能力。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1 ，本實(shí)用新型提供了 一種可編程偏振超光譜成像儀，包括設(shè)置在同一光路 上的前置鏡2、視場(chǎng)光闌3、準(zhǔn)直鏡4以及A0TF5 ;經(jīng)A0TF5衍射后的0光光路上依次設(shè)置有 0光成像鏡8、0光探測(cè)器9以及O光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)IO ;經(jīng)AOTF衍射后的E光光路上 依次設(shè)置有E光成像鏡12、 E光探測(cè)器13以及E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14，除此之外，該 可編程偏振超光譜成像儀還包括0光光楔7和E光光楔11 ;0光光楔7設(shè)置在0光的準(zhǔn)直 光路上，并置于A0TF5和0光成像鏡8之間；E光光楔11設(shè)置在E光光的準(zhǔn)直路上，并置于 A0TF5和E光成像鏡12之間。0光探測(cè)器9和E光探測(cè)器13是具有光子計(jì)數(shù)探測(cè)能力的 探測(cè)器，比如EMCCD或ICCD都可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的。前置鏡2可以是透射式前置鏡、 折反式前置鏡或反射式前置鏡，前置鏡2的焦面與準(zhǔn)直鏡4前焦面重合；所述視場(chǎng)光闌3是 方形，其尺寸與視場(chǎng)以及0光探測(cè)器9、E光探測(cè)器13的感光面面積相匹配。0光探測(cè)器控 制處理系統(tǒng)10、E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14是采用焦平面制冷技術(shù)、相關(guān)雙采樣技術(shù)、低噪 聲偏置技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)成型技術(shù)的探測(cè)器控制處理系統(tǒng)。 控制采集處理計(jì)算機(jī)設(shè)置0光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10、 E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng) 14和A0TF5驅(qū)動(dòng)器的工作模施和工作參數(shù)，調(diào)諧A0TF5的光譜通道和光譜透過(guò)率，采集0光 探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10和E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14輸出的一系列不同譜段的0光光譜 圖像和E光光譜圖像，通過(guò)圖像配置算法進(jìn)一步補(bǔ)償AOTF圖像漂移，最后通過(guò)偏振光譜反 演算法獲得目標(biāo)場(chǎng)景的偏振超光譜譜數(shù)據(jù)立方體。 0光光楔7光學(xué)材料的色散特性與AOTF 5聲光材料的0光色散特性相匹配，且其 楔角、面型等參數(shù)需根據(jù)AOTF的材料特性和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化。E光光楔11的光學(xué)材 料色散特性與AOTF 5聲光材料的E光色散特性相匹配，且其楔角、面型等參數(shù)需根據(jù)AOTF 的材料特性和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化。 前置鏡2、準(zhǔn)直鏡4、0光成像鏡8、E光成像鏡12采用復(fù)消色差設(shè)計(jì)，以保證寬譜段 范圍內(nèi)的成像性能，準(zhǔn)直鏡4的出瞳以及0光成像鏡8和E光成像鏡12的入瞳設(shè)置在AOTF 5的中心。 可編程偏振超光譜成像儀還包括和A0TF5電性連接的AOTF驅(qū)動(dòng)器16以及用于減 小對(duì)0光圖像和E光圖像的雜光干擾的抑制零級(jí)衍射光的光學(xué)陷阱6，光學(xué)陷阱6設(shè)置在 A0TF5的出射端面。該AOTF驅(qū)動(dòng)器16采取基于FPGA+DAC結(jié)構(gòu)的任意波形發(fā)生器方案的 多頻驅(qū)動(dòng)器?？刂撇杉幚碛?jì)算機(jī)15設(shè)置0光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10、E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14和A0TF驅(qū)動(dòng)器16的工作模施和工作參數(shù)，調(diào)諧AOTF的光譜通道，采集0光探測(cè) 器控制處理系統(tǒng)IO和E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14輸出的一系列不同譜段的0光光譜圖像 和E光光譜圖像，通過(guò)圖像配置算法進(jìn)一步補(bǔ)償AOTF圖像漂移，最后通過(guò)偏振光譜反演算 法獲得目標(biāo)場(chǎng)景的偏振超光譜譜數(shù)據(jù)立方體。 AOTF 5采用非共線設(shè)計(jì)，其聲光材料是Te02、TAS等。 本實(shí)施例所述偏振超光譜成像儀，由前置鏡2、視場(chǎng)光闌3、準(zhǔn)直鏡4、A0TF 5、光學(xué) 陷阱6、 0光光楔7、 0光成像鏡8、 0光探測(cè)器9、 0光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10、 E光光楔11、 E光成像鏡12、 E光探測(cè)器13、 E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14、控制采集處理計(jì)算機(jī)15、 AOTF 驅(qū)動(dòng)器16等部分組成。 為了保證寬譜段成像質(zhì)量和偏振光譜信噪比，前置鏡2、準(zhǔn)直鏡4、 0光成像鏡8、 E 光成像鏡12采用復(fù)消色差設(shè)計(jì)，保證在全譜段范圍內(nèi)，單色光彌散圓直徑小于0光探測(cè)器 9和E光探測(cè)器13的像元尺寸。為了充分利用AOTF 5的有效孔徑，準(zhǔn)直鏡4的出瞳以及0 光成像鏡8和E光成像鏡12的入瞳應(yīng)設(shè)置在AOTF 5的中心。 為了消除AOTF 5調(diào)諧時(shí)所引起的圖像漂移，在A0TF 5和0光成像鏡8之間的光 路中插入0光光楔7，在A0TF 5和E光成像鏡12之間的光路中插入E光光楔ll，O光光楔 7和E光光楔11的光學(xué)材料色散特性應(yīng)與AOTF 5聲光材料的色散特性相匹配，并且其設(shè)計(jì) 參數(shù)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以使聲光調(diào)諧所引起的E光探測(cè)器13和0光探測(cè)器13像面上圖像漂移 小于十分之一像元。 AOTF 5作為可調(diào)諧濾光器，可以調(diào)諧A0TF 5的驅(qū)動(dòng)頻率選擇感興趣的窄帶偏振
光譜。A0TF7采用非共線設(shè)計(jì)，聲光材料可以是Te02、TAS等，其輸出的兩路偏振態(tài)正交的0
光和E光均可以分別經(jīng)0光成像鏡8和E光成像鏡12獲得正交偏振光譜圖像。 為了抑制AOTF出射光束中零級(jí)衍射光對(duì)一級(jí)衍射光的影響，在無(wú)用光的光路終
端加光學(xué)陷阱6，以使其產(chǎn)生的雜散光影響盡可能小。 該偏振超光譜成像儀得工作過(guò)程如下 來(lái)自目標(biāo)場(chǎng)景1的發(fā)射、反射或透射光經(jīng)前置鏡2收集后在其后焦面處獲得一次 像面。位于前置鏡2像面處的視場(chǎng)光闌3限制成像視場(chǎng)范圍。目標(biāo)的一次像面像經(jīng)前置準(zhǔn) 直鏡4準(zhǔn)直、AOTF 5分光后分成0光光束和E光光束。0光光束經(jīng)0光光楔7、 0光成像鏡 8、0光探測(cè)器9及其隨后的0光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)10獲得0光光譜數(shù)字圖像。E光光束 經(jīng)E光光楔11、E光成像鏡12、E光探測(cè)器13及其隨后的E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)14獲得 E光光譜數(shù)字圖像?？刂撇杉幚碛?jì)算機(jī)15采集和處理一系列的0光光譜數(shù)字圖像和E光 光譜數(shù)字圖像，形成偏振超光譜數(shù)據(jù)立方體?？刂撇杉幚碛?jì)算機(jī)15通過(guò)控制AOTF驅(qū)動(dòng) 器16輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻點(diǎn)數(shù)和頻率值可以選擇感興趣的窄帶偏振光譜圖像或多譜段復(fù)合 圖像，通過(guò)控制AOTF驅(qū)動(dòng)器16輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率可以控制A0TF 5的衍射效率。
權(quán)利要求一種可編程偏振超光譜成像儀，包括設(shè)置在同一光路上的前置鏡、視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直鏡以及聲光可調(diào)諧濾光器；經(jīng)聲光可調(diào)諧濾光器衍射后的O光光路上依次設(shè)置有O光成像鏡、O光探測(cè)器以及O光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)；經(jīng)聲光可調(diào)諧濾光器衍射后的E光光路上依次設(shè)置有E光成像鏡、E光探測(cè)器以及E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)，其特征在于所述可編程偏振超光譜成像儀還包括O光光楔和E光光楔；所述O光光楔設(shè)置在O光光路上，并置于聲光可調(diào)諧濾光器和O光成像鏡之間；所述E光光楔設(shè)置在E光光路上，并置于聲光可調(diào)諧濾光器和E光成像鏡之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述0光光楔設(shè)置 在0光的準(zhǔn)直光路上，所述E光光楔設(shè)置在E光的準(zhǔn)直光路上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述可編程偏 振超光譜成像儀還包括和聲光可調(diào)諧濾光器電性連接的A0TF驅(qū)動(dòng)器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述可編程偏振超 光譜成像儀還包括用于減小對(duì)O光圖像和E光圖像的雜光干擾的抑制零級(jí)衍射光的光學(xué)陷 阱，所述光學(xué)陷阱設(shè)置在聲光可調(diào)諧濾光器的出射端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述O光探測(cè)器和E 光探測(cè)器是具有光子計(jì)數(shù)探測(cè)能力的探測(cè)器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述O光探測(cè)器和E 光探測(cè)器是EMCCD或ICCD。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述聲光可調(diào)諧濾 光器驅(qū)動(dòng)器是基于FPGA與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)或CPLD與DAC的結(jié)合結(jié)構(gòu)的任意波形發(fā)生器的 多頻驅(qū)動(dòng)器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述前置鏡是透射 式前置鏡、折反式前置鏡或反射式前置鏡。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種可編程偏振超光譜成像儀，包括設(shè)置在同一光路上的前置鏡、視場(chǎng)光闌、準(zhǔn)直鏡以及聲光可調(diào)諧濾光器；經(jīng)聲光可調(diào)諧濾光器衍射后的O光光路上依次設(shè)置有O光成像鏡、O光探測(cè)器以及O光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)；經(jīng)聲光可調(diào)諧濾光器衍射后的E光光路上依次設(shè)置有E光成像鏡、E光探測(cè)器以及E光探測(cè)器控制處理系統(tǒng)，此外，還包括O光光楔和E光光楔；O光光楔設(shè)置在O光光路上，并置于聲光可調(diào)諧濾光器和O光成像鏡之間；E光光楔設(shè)置在E光光路上，并置于聲光可調(diào)諧濾光器和E光成像鏡之間。本實(shí)用新型具有多譜段復(fù)合成像能力、光子計(jì)數(shù)成像能力、譜段和光譜透過(guò)率可編程能力以及能同時(shí)獲取正交偏振超光譜圖像能力。
文檔編號(hào)G01J3/02GK201497575SQ20092030646
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者常凌穎, 李英才, 趙葆常, 邱躍洪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所