一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公布了一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，包括光学成像镜头、液晶偏振光谱调制器、图像传感器、电源控制系统、数据处理中心。本实用新型整个系统全电控操作，无机械调制，因此探测速度快，探测精度高；可在整个探测谱段内任意调整测量波长和偏振状态，获取目标的全偏振光谱图像；整个系统结构简单、体积小、重量轻、可移植性强，适用于多种探测平台。
【专利说明】一种基于液晶双折射率效应的局分辨偏振光谱成像系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光学领域的成像系统，具体是指一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统。
【背景技术】
[0002]人类对与客观世界的感知是建立在传感器传送到人脑的相关信号基础之上的，而几个世纪来实验科学的发展已经极大地扩展了人类感知客观世界的能力和范围。在众多传感器信号传送到人脑的过程中，人眼视觉系统起到了关键性的作用。人眼视觉系统可以感知一定范围内光的波长和强度变化，但是光波的横波特性，波长和强度仅是光波基本特征的一部分，可见即使在可见光范围内，人眼视觉系统也只能感知外部世界的部分信息，光的偏振所携带的信息无法被人眼所感知，另外人眼视觉系统也无法实现光信息中的精密光谱识别。
[0003]偏振光谱成像系统是通过控制入射光的谱段和偏振态等参数，对目标进行成像，偏振光谱成像系统的重要特征和标志是可同时获取目标的偏振信息、光谱信息和空间信息，形成包含目标光强、偏振和光谱信息的数据立方体。高分辨偏振光谱成像设备可以实现偏振成像技术与光谱成像技术的优势互补，有效增加光学探测的信息量，完成复杂背景下目标的边界提取和特征识别，实现光学成像的多模态信息融合，使在普通成像系统下“不可见”的目标成为“可见”，从而促进信息技术的快速发展。在航空遥感探测、农业气象与洪涝应急监测、环保监测、刑侦物证鉴定和目标探测等领域具有重要应用价值和广泛的应用前景。
[0004]偏振光谱成像技术由于具有广泛的应用前景，因此世界上一些国家，如美国、加拿大、澳大利亚、法国、德国等，竞相投入大量资源进行偏振光谱仪系统的研制和应用。经过20多年的努力，人们设计研制成功了多种偏振光谱成像探测装置，但目前还没有通用标准的成像偏振光谱探测仪。现有成像偏振光谱仪中光谱调制技术主要分为色散型、干涉型、滤光片轮型和电控调制型等四种技术。电控调制技术主要是用液晶调谐(Liquid CrystalTunable Filter, LCTF)和声光调谐(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF)的方式进行自动光谱谱段调节，其中LCTF以光强衰减的方式调节谱段，而AOTF是通过给一块双折射晶体施加射频声波建立移动衍射光栅的方式调节；利用可调谐滤光片代替机械滤光片转轮，波段数量可增加到上百个甚至上千个，可实现快速波段切换，通道位置可实时在线调整的功能，并且系统能够保留传统滤光片轮系统的高空间分辨率，从而实现高空间分辨率和高光谱分辨率的有机结合。现有成像偏振光谱仪中偏振调制技术主要以旋转偏振片或调节相位延迟器的方式改变偏振状态；而且为了保证采集图像的时效性，多采用电机控制旋转、分光或多摄像机协同的方式采集图像。
[0005]日本国家航空实验室1999年设计制作了一款采用电调滤光片加电机旋转的方式采集图像的偏振光谱仪，该系统利用LCTF作为光谱调制系统，并将LCTF整体作为一个偏振片，通过机械旋转LCTF的方式实现偏振调制，从而实现了 400nnTl IOOnm范围内的偏振光谱图像采集。美国陆军研究实验室2002年设计的偏振光谱成像仪主要是由AOTF和液晶可调相位延迟器(Liquid Crystal Variable Retarder, LCVR)组合而成，覆盖了 0.4 μ m^ll.5μπι的光谱范围，由于系统全部由电子控制，所以实时性更好，但声光传感器本身对噪音很敏感，所以成像信噪比比较低。欧洲航天局/欧洲航天技术中心地球观测计划部门利用两片布儒斯特棱镜进行分光调制组织研制了航天偏振遥感偏振观测单元，并进行了地球臭氧观测。法国空间研究中心的POLDER采用偏振片、滤波片结构，对太阳辐射和偏振度进行全球观测，可提取大气气溶胶和云层信息。
[0006]从目前的国内外研究看出，目前偏振光谱成像探测系统，太空探测领域所研究所用系统大部分系统采用机械调制法，不但由于机械抖动对成像具有一定的偏差，而且无法实现动态实时成像。另外目前机载偏振光谱系统多采用色散型调制技术进行光谱调制，并配以机械旋转偏振片的方式进行偏振调节，这种系统受制于技术特点，通常体积和重量较大，对搭载平台要求比较苛。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，解决现有技术中机械抖动对成像具有一定的偏差，而且无法实现动态实时成像的问题。
[0008]本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
[0009]一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，包括:
[0010]光学成像镜头 ，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标成像于图像传感器焦平面上；
[0011]液晶偏振光谱调制器，位于成像镜头的后方，用于对入射光进行光谱分光和相位调制；
[0012]图像传感器，位于液晶偏振光谱调制器后方，用于接收液晶偏振光谱调制器输出的光信号，并探测入射光的光辐射强度信息，并进行图像采集；
[0013]电源控制系统:包括自动控制电路板，自动控制电路板分别与温度控制器、电源控制器、图像存储器连接，其中温度控制器、电源控制器同时与液晶偏振光谱调制器连接，自动控制电路板通过温度控制器、电源控制器来分别控制液晶偏振光谱调制器的温度和电源；图像存储器与图像传感器连接，自动控制电路板控制图像传感器向图像存储器发送的命令，并控制图像存储器欲数据处理中心的通信；
[0014]数据处理中心，用于对数据存储器传输的图片进行计算分析、并最终成像。
[0015]本实用新型通过电源控制系统中自动控制电路板与液晶偏振光谱调制器通信连接，利用温度控制器和电源控制器作为控制液晶偏振光谱调制器状态的中间命令执行机构，从而调整液晶偏振光谱调制器的参数状态，电源控制器输出一组多通道的低压交变信号，驱动液晶偏振光谱调制器工作；液晶偏振光谱调制器在驱动电压作用下，对来自景物的光信号进行滤波和偏振态调制；图像传感器接受透过液晶偏振光谱调制器的来自景物的光信号对景物成像，图像采集设备接收图像传感器的图像信号，数据处理软件通过对采集到的图片进行融合、增强、降噪处理，并最终实现偏振光谱图像的成像输出。
[0016]所述的液晶偏振光谱调制器包括依次叠放的液晶可调滤光片LCTF、液晶波片LC1、液晶波片LC2，其中，液晶波片LCl快轴方向与参考水平方向夹角0为O。，液晶波片LC2、以及液晶可调滤光片LCTF中液晶波的快轴方向与参考水平方向夹角0为45°。液晶偏振光谱控制器包括10片液晶波片LC1、LC2、LC3、LC4、LC5、LC6、LC7、LC8、LC9、LC10、8片偏振片P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，以及5片固定相位延迟片Rl、R2、R3、R4、R5，其中液晶波片LCl快轴方向与参考水平方向夹角0为0°，LC2~LClO快轴方向与参考水平方向夹角9为45° ;8片偏振片相互平行排列，透射方向与参考水平方向夹角为90° ;5片固定相位延迟片的快轴方向与参考水平方向夹角为45°，5片固定相位延迟片的相位延迟量根据液晶波片的双折射率差An和级联级数进行确定，液晶偏振光谱调制器分为光谱分光模块和偏振态调制模块:其中LC3~LC10、P1~P8和Rl~R5组成利奥构型的液晶可调滤光片LCTF光谱分光模块；光谱分光模块整个可看作一个透射方向与参考水平方向夹角为90°的线偏振片，与LCl和LC2共同可构成偏振态调制模块，液晶波片LCl和LC2主要用于对偏振调制，而后面的液晶波片和偏振片相互平行排列、间隔叠放，主要用于实现光谱分光功能。液晶偏振光谱调制器中的光谱分光模块工作原理:光谱分光模块主要为液晶利奥构型，由平行排列的许多级级联而成，每一级包含两个相互平行的偏振片，中间夹着由液晶波片和固定相位延迟片组成的光学双折射率单元。入射光进入第一级偏振片时，入射光分解为沿光学双折射率单元两个晶轴相同的分量，通过改变施加在光学双折射率单元上的电压可以引起其中一个晶轴上的折射率的变化，两分量间的相位延迟量产生相位差，在出射偏振片上，两分量重新组合为一个偏振态。两分量间的相对延迟与波长有关，因此利奥构型单元可以选择透过的波长。通过将多级利奥构型单元进行级联，并按照规律改变每一级的加载电压，从而可以实现光谱分光功能。偏振态调制模块主要有液晶波片LC1、液晶波片LC2和I个液晶可调滤光片LCTF光谱分光模块组成，通过改变液晶波片LCl和液晶波片LC2的加载电压，使得液晶波片LCl和液晶波片LC2的相位延迟量(SI，62)分别为(0°，0° )、(0° ,90° ),(90° ,90° )和(O。，180° )，那么此时图像传感器获得的光强图像分别为I ’(O。，0。)、1，(O。，90。)、1，(90。，90。)和 I，(O。，180。)，则入射光的 Stokes 分量
【权利要求】
1.一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于，包括: 光学成像镜头，位于整个光学系统的最前端，用于将被测目标成像于图像传感器焦平面上； 液晶偏振光谱调制器，位于成像镜头的后方，用于对入射光进行光谱分光和相位调制； 图像传感器，位于液晶偏振光谱调制器后方，用于接收液晶偏振光谱调制器输出的光信号，并探测入射光的光辐射强度信息，并进行图像采集； 电源控制系统:包括自动控制电路板，自动控制电路板分别与温度控制器、电源控制器、图像存储器连接，其中温度控制器、电源控制器同时与液晶偏振光谱调制器连接，自动控制电路板通过温度控制器、电源控制器来分别控制液晶偏振光谱调制器的温度和电源；图像存储器与图像传感器连接，自动控制电路板控制图像传感器向图像存储器发送的命令，并控制图像存储器欲数据处理中心的通信； 数据处理中心，用于对数据存储器传输的图片进行计算分析、并最终成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于:所述的液晶偏振光谱调制器包括依次叠放的液晶可调滤光片LCTF、液晶波片LC1、液晶波片LC2，其中，液晶波片LCl快轴方向与参考水平方向夹角Θ为O。，液晶波片LC2、以及液晶可调滤光片LCTF中液晶波的快轴方向与参考水平方向夹角Θ为45°。
3.根据权利要求2所述的一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于:所述液晶波片包括两张透明基板(101)，在两张透明基板(101)相对的面涂覆有取向膜(102)，在两个取向膜(102)之间设置有透明隔垫(103)，在两个取向膜(102)之间填充有液晶层(104)。
4.根据权利要求3所述的一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于:在所述透明基板(101)与取向膜(102)之间还设置有透明导电膜(105)。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于:所述的一个液晶波片中两个取向膜(102)的摩擦方向呈反向平行。
6.根据权利要求5所述的一种基于液晶双折射率效应的高分辨偏振光谱成像系统，其特征在于:所述透明隔垫(103)采用玻璃纤维、玻璃微珠、或塑料微珠制成。
【文档编号】G01N21/23GK203572768SQ201320797124
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】王海峰, 骆永全, 刘仓理, 沈志学, 黄立贤, 张大勇, 赵祥杰, 储松南, 赵剑衡, 李剑峰 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所