專利名稱：一種集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜成像儀，尤其涉及一種集成全色和偏振超光譜探測能力的成 像儀。
背景技術：
利用光譜圖像信息可以獲得目標的物質組成、含量等化學特征及其空間分布信 息，因而成像光譜技術在國民經濟社會的各個領域具有廣泛的應用前景。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 應用于以下領域土地資源調查(礦產勘探、城市規劃、城郊土地分類利用、土地沙化治理 和土壤侵蝕監測等)、林業(林業資源調查和伐林造林監測等)、生態(環境監測、陸地生態 研究和區域生態環境評價等)、農業(大面積農業資源監測、農作物產量預測、農作物長勢 分析預測、病蟲害監測等)、深空探測(月球、火星等星體的礦物勘探、太陽系行星大氣探測 等)等領域。其次，光譜分析技術還廣泛應用于食品飲料、石油化工、紡織、臨床醫學等各個 行業。偏振圖像信息提供了關于目標的粗糙度、含水量、空隙度、微粒粒徑等物理特征及 其空間分布信息。偏振遙感與傳統遙感相比，有許多獨特之處，它可以解決普通光度學無法 解決的一些問題，如云和氣溶膠的粒徑分布等。來自地物的散射光往往為線偏振光，如林冠 覆蓋、耕地、草場的散射光具有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，而人造目標往往具有比自然目標更強的偏振特征， 利用這些偏振信息可以反演出地物目標的物理結構、水份含量、巖石中的金屬含量等，監測 海水污染狀況，探測地面上空云分布、種類、高度及大氣氣溶膠粒子的尺寸分布等。無疑，與 成像光譜技術和成像偏振技術相比，偏振超光譜成像技術可以獲取更詳盡、更全面的目標 fn息ο成像光譜技術依分光原理可分為干涉型(空間調制型、時間調制型)、色散型(光 柵型和棱鏡型)和濾光型(旋轉濾光片、液晶可調諧濾光器(Liquid CrystalTunable Filter, LCTF)、聲光可調諧濾光器(Acousto-Optic Tunable Filter, A0TF)等)三種， 每種均有其優缺點及其適用范圍，其中基于聲光可調諧濾光器(AcoustoOptic Tunable Filter, A0TF)的成像光譜技術具有光譜通道和光譜透過率可快速電調諧所提供的靈活性 (光譜通道順序或隨機調諧、多通道同時獲取、智能自主光譜通道選擇和獲取、實現矩形光 譜響應曲線等)、無運動部件帶來的結構緊湊性(適應惡劣的力學環境)、無需復雜數據處 理帶來的易用性以及能同時獲取偏振、光譜和圖像等多維信息(提高目標探測和識別的能 力)的集成性等諸多特色，而具有廣泛的應用前景。由于自然光經AOTF衍射后產生偏振態正交的窄帶0光和E光，同時采集窄帶0 光和E光圖像即可構成最簡單和緊湊的偏振超光譜成像系統(Li-JenCheng，Tien-Hsin Chao,Mack Dowdy,Clayton LaBaw,Cohn Mahoney，GeorgeReyes，“Multispectral imaging systems using acousto—optic tunable filter，，，Proc. SPIE Vol. 1874，pp. 223—231，1993.)。但已有技術方案有以下缺陷(1)需要兩個探測器去分別獲取0光圖像和E光圖 像，無疑使系統結構復雜，成本增加；(2)沒有補償AOTF調諧時引起的圖像飄移，從而導致 復原光譜因譜段混疊而信噪比惡化；(3)AOTF驅動裝置采用DDS芯片，只能工作在單頻模 式，無法獲得多頻模式下多譜段復合圖像；(4)沒有利用零級衍射光信息；( 沒有光路轉 折而導致系統結構尺寸較長。
發明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種通過光學拼接裝置 將0光圖像和E光圖像拼接在同一個探測器的感光面上、通過光路轉折使系統結構緊湊、 通過光楔補償裝置和圖像配準算法進行圖像漂移補償、基于任意波形發生器方案實現多頻 AOTF驅動、能同時獲取全色圖像信息和窄帶正交偏振圖像信息的可編程偏振超光譜和全色 聯合成像儀。本發明的技術解決方案是本發明提供了一種集成全色和偏振超光譜探測能力的 成像儀，其特殊之處在于所述集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀包括前置鏡、視場 光闌、準直鏡、聲光可調諧濾光器、轉折鏡、偏振超光譜成像系統以及全色成像系統；所述前 置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調諧濾光器和轉折鏡依次設置于同一光路上；所述經轉折 鏡轉折后在一級衍射光的光路上設置有偏振超光譜成像系統以及經轉折鏡轉折后在零級 衍射光的光路上設置有全色成像系統。上述偏振超光譜成像系統包括偏振超光譜探測器、偏振超光譜探測器控制處理系 統以及經轉折鏡轉折后在O光光路上的0光成像系統和在E光光路上的E光成像系統；所 述0光成像系統與E光成像系統拼接后依次和偏振超光譜探測器以及偏振超光譜探測器控 制處理系統相連。上述0光成像系統包括0光轉折鏡和0光成像鏡；所述0光轉折鏡和0光成像鏡 依次設置于轉折鏡和偏振超光譜探測器之間。上述0光成像系統還包括0光光楔；所述0光光楔置于0轉折鏡和成像鏡之間的 準直光路中。上述0光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。上述E光成像系統包括E光轉折鏡和E光成像鏡；所述E光轉折鏡和E光成像鏡 依次設置于轉折鏡和偏振超光譜探測器之間。上述E光成像系統還包括E光光楔；所述E光光楔置于E轉折鏡和成像鏡之間的 準直光路中。上述E光光楔是單光楔或多個單光楔的組合。上述全色成像系統包括全色成像鏡、全色探測器以及全色探測器控制處理系統； 所述全色成像鏡和全色探測器依次設置在經轉折鏡轉折后在零級衍射光的光路上；所述全 色探測器和全色探測器控制處理系統電性連接。上述成像儀還包括和聲光可調諧濾光器電性連接的聲光可調諧濾光器驅動器，所 述聲光可調諧濾光器驅動器是基于FPGA與DAC的結合結構或CPLD與DAC的結合結構的任 意波形發生器。上述偏振超光譜探測器和全色探測器是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測器；對于紫外探測器尤其是紫外CXD ；對于可見光探測器，尤其是(XD、CMOS或EMCXD。本發明的優點是1、能同時獲取全色圖像和偏振超光譜圖像。本發明在零級衍射光路上設置全色成 像探測系統，能在獲取偏振超光譜圖像的同時獲得全色圖像。2、可實現光路轉折。本發明所提供的光譜成像儀在聲光可調諧濾光器出射端零級 衍射光和一級衍射光未分離處設置轉折鏡進行光路轉折，使得儀器結構緊湊。3、可實現圖像拼接。本發明將現有技術中兩個分離的0光像面和E光像面用光學 拼接裝置拼接在同一個探測器感光面的不同位置，從而將現有技術中兩套探測器控制處理 系統合二為一，大大簡化了系統結構，使得儀器體積小，重量輕，結構緊湊，抗沖擊振動能力 強，具有較強的航天環境適應能力。4、可對圖像漂移進行補償。本發明分別在0光光路和E光光路內設置有0光光楔 和E光光楔，該部件的設置使得本發明可對圖像漂移進行補償，另外，對采集到的0光光譜 圖像和E光光譜圖像用圖像配準算法進行譜段配準可以進一步消除圖像漂移，從而提高偏 振光譜復原精度和信噪比。5、多譜段復合成像。本發明將現有的聲光可調諧濾光器驅動器用多頻驅動器替 代，可以實現多譜段復合成像。
圖1為本發明所提供的集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀的結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明提供了一種成像儀，包括前置鏡2、視場光闌3、準直鏡4、聲光可 調諧濾光器5 ；前置鏡2、視場光闌3、準直鏡4、聲光可調諧濾光器5依次設置在同一光路 上；聲光可調諧濾光器5出射光路包括一級衍射光(0光和E光)和零級衍射光；在一級衍 射光(該一級衍射光包括0光和E光)和零級衍射光未分離處設置轉折鏡6進行光路轉折； 在經轉折鏡6轉折的0光光路上設置有0光成像系統20 ；在經轉折鏡6轉折的E光光路上 設置有E光成像系統21 ；0光成像系統20的像面和E光成像系統21的像面在偏振超光譜 探測器13的感光面上形成拼接在一起的0光光譜圖像和E光光譜圖像；在經轉折鏡6轉折 的零級衍射光光路上依次設置有全色成像鏡15和全色探測器16 ；全色探測器15與全色探 測器控制處理系統16相連；偏振超光譜探測器13與偏振超光譜探測器控制處理系統14相 連；偏振超光譜探測器控制處理系統14和全色探測器控制處理系統16與控制采集處理計 算機18相連。0光成像系統20依次包括0光轉折鏡7、0光光楔8以及0光成像鏡9。0光成像 系統20設置于轉折鏡6轉折光路中零級衍射光和一級衍射光完全分離處。為了消除聲光 可調諧濾光器5調諧時所引起的圖像漂移，在0光轉折鏡7和0光成像鏡9之間的光路中 設置0光光楔8，0光光楔8是單光楔或多個單光楔的組合。E光成像系統21依次包括E光轉折鏡10、E光光楔11以及E光成像鏡12。E光 成像系統21設置于轉折鏡6轉折光路中零級衍射光和一級衍射光完全分離處。為了消除 聲光可調諧濾光器5調諧時所引起的圖像漂移，在E光轉折鏡10和E光成像鏡12之間的光路中設置E光光楔11，E光光楔11是單光楔或多個單光楔的組合。0光光楔8和E光光楔11的光學材料色散特性應與聲光可調諧濾光器5聲光材料 的色散特性相匹配，并且其設計參數應進行優化，以使聲光調諧所引起的探測器14感光面 上圖像漂移小于十分之一像元。該可編程偏振超光譜成像儀還包括和聲光可調諧濾光器5電性連接的聲光可調 諧濾光器驅動器19，該聲光可調諧濾光器驅動器19是基于FPGA與DAC的結合結構或CPLD 與DAC的結合結構的任意波形發生器。偏振超光譜探測器13和全色探測器15是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測 器；對于紫外探測器尤其是紫外CXD ；對于可見光探測器，尤其是(XD、CMOS或EMCXD。控制采集處理計算機18設置偏振超光譜探測器控制處理系統14、全色探測器控 制處理系統16和聲光可調諧濾光器驅動器19的工作模施和工作參數，調諧聲光可調諧濾 光器5的光譜通道，采集超光譜探測器控制處理系統14輸出的一系列不同譜段的0光光譜 圖像和E光光譜圖像和全色探測器控制處理系統16輸出的全色圖像，通過圖像配置算法進 一步補償聲光可調諧濾光器偏振超光譜圖像漂移，最后通過偏振光譜反演算法獲得目標場 景的偏振超光譜圖像數據立方體。為了保證寬譜段成像質量和偏振超光譜信噪比，前置鏡2、準直鏡4、0光成像鏡9、 E光成像鏡12采用復消色差設計，保證在全譜段范圍內，全系統單色光彌散圓直徑小于偏 振超光譜探測器13的像元尺寸。為了充分利用聲光可調諧濾光器5的有效孔徑，準直鏡4 的出瞳以及0光成像鏡9和E光成像鏡12的入瞳應設置在聲光可調諧濾光器5的中心。偏振超光譜探測器13和全色探測器15可以是紫外探測器(紫外CCD)、可見光探 測器((XD、CMOS、EMCXD等)或紅外探測器。通過調諧聲光可調諧濾光器5的驅動頻率以選擇感興趣的窄帶偏振光譜圖像。聲 光可調諧濾光器5采用非共線設計，聲光材料可以是Te02、TAS等，其輸出的兩路偏振態正 交的0光和E光經0光成像系統20和E光成像系統21獲得在偏振超光譜探測器13的感 光面上拼接在一起的正交偏振光譜圖像。本發明所提供的該偏振超光譜成像儀的工作過程是來自目標場景1的發射、反 射或透射光經前置鏡2收集后在其后焦面處獲得一次像面。位于前置鏡2像面處的視場光 闌3限制成像視場范圍。目標的一次像面像經前置準直鏡4準直、聲光可調諧濾光器5分 光后分成零級衍射光和一級衍射光(0光和E光)。零級衍射光經轉折鏡6和全色成像鏡在 全色探測器上獲得全色圖像，經全色探測器控制處理系統15處理和控制采集處理計算機 18采集處理后獲得全色數字圖像。0光光束經轉折鏡6以及由0光轉折鏡7、0光光楔8、0 光成像鏡9組成的0光成像系統20獲得0光圖像，E光光束經轉折鏡6以及由E光轉折鏡 10,E光光楔11、E光成像鏡12組成的E光成像系統21獲得E光圖像，0光圖像和E光圖像 在偏振超光譜探測器13的感光面上拼接在一起，經偏振超光譜探測器控制處理系統14處 理和控制采集處理計算機18采集處理后獲得0光光譜數字圖像和E光光譜數字圖像，采集 和處理一系列譜段的0光光譜數字圖像和E光光譜數字圖像后，經圖像配準和光譜反演后 形成目標場景1的偏振超光譜圖像數據立方體。控制采集處理計算機18通過控制聲光可 調諧濾光器驅動器19輸出的驅動信號頻點數和頻率值可以選擇感興趣的窄帶偏振光譜圖 像或多譜段復合圖像，通過控制聲光可調諧濾光器驅動器19輸出驅動信號的功率可以控制聲光可調諧濾光器5的衍射效率。
權利要求
1.一種集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀，其特征在于所述集成全色和偏振 超光譜探測能力的成像儀包括前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調諧濾光器、轉折鏡、偏振 超光譜成像系統以及全色成像系統；所述前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調諧濾光器和 轉折鏡依次設置于同一光路上；所述經轉折鏡轉折后在一級衍射光的光路上設置有偏振超 光譜成像系統以及經轉折鏡轉折后在零級衍射光的光路上設置有全色成像系統。
2.根據權利要求1所述的集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀，其特征在于所 述偏振超光譜成像系統包括偏振超光譜探測器、偏振超光譜探測器控制處理系統以及經轉 折鏡轉折后在0光光路上的0光成像系統和在E光光路上的E光成像系統；所述0光成像 系統與E光成像系統拼接后依次和偏振超光譜探測器以及偏振超光譜探測器控制處理系 統相連。
3.根據權利要求2所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述0光成像系統 包括0光轉折鏡和0光成像鏡；所述0光轉折鏡和0光成像鏡依次設置于轉折鏡和偏振超 光譜探測器之間。
4.根據權利要求3所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述0光成像系統 還包括0光光楔；所述0光光楔置于0轉折鏡和成像鏡之間的準直光路中。
5.根據權利要求4所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述0光光楔是單 光楔或多個單光楔的組合。
6.根據權利要求2所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述E光成像系統 包括E光轉折鏡和E光成像鏡；所述E光轉折鏡和E光成像鏡依次設置于轉折鏡和偏振超 光譜探測器之間。
7.根據權利要求6所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述E光成像系統 還包括E光光楔；所述E光光楔置于E轉折鏡和成像鏡之間的準直光路中。
8.根據權利要求7所述的可編程偏振超光譜成像儀，其特征在于所述E光光楔是單 光楔或多個單光楔的組合。
9.根據權利要求1至8任一權利要求所述的集成全色和偏振超光譜探測能力的成像 儀，其特征在于所述全色成像系統包括全色成像鏡、全色探測器以及全色探測器控制處理 系統；所述全色成像鏡和全色探測器依次設置在經轉折鏡轉折后在零級衍射光的光路上； 所述全色探測器和全色探測器控制處理系統電性連接。
10.根據權利要求9所述的集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀，其特征在于所 述成像儀還包括和聲光可調諧濾光器電性連接的聲光可調諧濾光器驅動器，所述聲光可調 諧濾光器驅動器是基于FPGA與DAC的結合結構或CPLD與DAC的結合結構的任意波形發生ο
11.根據權利要求10所述的集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀，其特征在于 所述偏振超光譜探測器和全色探測器是紫外探測器、可見光探測器或紅外探測器；對于紫 外探測器尤其是紫外CXD ；對于可見光探測器，尤其是(XD、CMOS或EMCXD。
全文摘要
本發明涉及一種集成全色和偏振超光譜探測能力的成像儀，包括依次設置于同一光路上的前置鏡、視場光闌、準直鏡、聲光可調諧濾光器和轉折鏡，經轉折鏡轉折后在一級衍射光的光路上設置有偏振超光譜成像系統，經轉折鏡轉折后在零級衍射光的光路上設置有全色光成像系統。本發明提供了一種通過光學拼接裝置將O光圖像和E光圖像拼接在同一個探測器的感光面上、通過光路轉折使系統結構緊湊、通過光楔補償裝置和圖像配準算法進行圖像漂移補償、基于任意波形發生器方案實現多頻AOTF驅動、能同時獲取全色圖像信息和窄帶正交偏振圖像信息的可編程偏振超光譜和全色聯合成像儀。
文檔編號G01J3/447GK102080987SQ20091021917
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者李英才, 趙葆常, 邱躍洪 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
