专利名称：一种高速快门装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于光学快门领域，特别涉及一种高速快门装置，用于距离选通主动成像。
背景技术：
能见度(visibility)是反映大气透明度的一个指标。在空气洁净的地区，晴天能见度一般会大于15Km，视野清晰。在雨、雾、霾、沙尘暴等天气情况下，大气的能见度比较差，当大气能见度低于IKm时，能见度很差。水中视程指的是标准视力的人从水中背景中能识别出具有一定大小目标物的距离，在淡水或海水中的视程仅为几十米，甚至几米。空气中的微粒对光的吸收和散射是影响大气能见度的关键因素。水滴、固体颗粒对光的吸收会导致光的强度减弱，从而使观察的景象变暗；微粒对光的散射会导致光传输路径的变化，这不仅会使观察目标的景象变暗，还会导致目标物变得模糊。在水中，由于水体本身和其中的其它颗粒对光产生了强烈的吸收和散射，从而导致水中的视程很短。对于光学成像探测而言，分辨率和对比度是成像质量的重要组成部分，分辨率是指成像系统所能重现的被测物体细节的数量，对比度则是成像系统所产生的被测物体与其背景之间的灰度差别。在能见度低的情况下，通过主动成像，提高照射到目标物上的光的强度，可以有效增加对比度。然而，仅通过提高光强的方法并不能提升系统的分辨率，因为散射的光强也会随着目标物上的光强一起增加，探测器上的信噪比并没有得到改善，所成的像依然模糊，难以分辨细节。为了提高在大气或水体中成像的分辨率，可以采用距离选通主动成像方法，该方法需要光源、探测目标、高速快门和探测器等部分，其工作原理如下(如图1所示):在背景光相对较弱的大气或水体中，tl时刻光源用足够强的脉冲光照射距离已知的探测目标，t2时刻这一段脉冲完全发射出去，光在空气或水体中传播至t3时刻到达目标，t4时刻反射光开始到达探测器，此时打开高速快门，接收光信号，t5时刻反射光全部到达探测面，关闭高速快门。这样，对于未经散射的有用光信号，全部都能到达探测面成像；而对于散射光，从发出光脉冲的tl时刻到t4时刻快门均处于闭合状态，不予接收，仅在快门开启的t4、5时间内的少量散射光能到达成像面。通过这种方法，能够滤除大量噪声，提高信噪比，提升成像的分辨率。距离选通主动成像方法中的一个关键器件是高速快门，由于光脉冲在以光速传播，快门从开启到关闭整个过程要在几十纳秒以内。目前常见的成像快门有机械快门、液晶快门和电子快门。机械快门是通过弹簧、凸轮、齿轮等机械结构或电磁结构来控制光线进入时间的装置，一般能将光线进入时间控制到毫秒级，最快的能到微秒级。液晶快门是通过电控制液晶分子的排列方式，从而改变光的透过率，来实现光路开启和关断的目的，液晶快门的一个重要缺点是响应时间相对较慢，目前能达到毫秒级。电子快门是成像芯片常用的快门种类，它利用了芯片感光系统不通电就不工作的原理，仅在需要开启快门的时间内感光系统通电，实现控制光线进入时间的功能，目前常用的成像芯片电子快门开启时间能达到微秒级。有一种特殊的探测器称为增强型影像CCD(简称为ICXD)，由于其成像原理，ICXD的电子快门可以实现百皮秒级的开合。综上所述，当前的成像快门中，只有ICCD的电子快门的开关速度可以满足距离选通主动成像的要求。经过水下成像实验，证明采用ICCD相机确实能够有效提升图像的分辨率。然而，当前市场上的ICCD相机(Princeton Instruments公司的P1-MAX系列、StanfordComputer Optics公司的4Quik E系列、Andor公司的iStar系列)都存在体积大(大于20cmX IOcmX 10cm)、内部电路控制复杂的问题,不适于制作小型化的距离选通主动成像装置。
发明内容
为解决恶劣天气与水下成像视程短的问题，本发明提出一种高速快门装置，该装置能够实现纳秒级的开合，使探测器能够屏蔽大部分杂散光信号，只接收有用光信号，利用该装置配合主动脉冲光源和成像探测器成像时，可以有效提高恶劣天气与水下成像的分辨率。实现本发明目的的技术方案如下一种快门装置，设置在成像探测器前，用于选择性地接收或阻隔进入成像探测器的光线，实现距离选通主动成像，其特征在于，该装置具体包括起偏器，用于将入射的探测光转化为线偏振光；检偏器，其沿光轴设置在所述起偏器后方，其用于通过与其偏振方向一致的线偏振光；电光晶体，其沿光轴设置在所述起偏器和检偏器之间，经所述起偏器转化的线偏振光入射到该电光晶体，通过在其两端加载电压和/或改变加载电压大小，从而改变线偏振光的偏振态，使其可从所述检偏器通过或被阻隔，完成对探测光的选择性接收或阻隔，实现快门开启和关断。本发明的起偏器用于将光学系统接收到的光转化为线偏振光。电光晶体是具有电光效应的光学材料，在外加电场作用下，材料的折射率发生变化，从而引起在光在晶体内部传播的偏振态改变，是实现高速快门的核心器件。检偏器用于透过特定方向的偏振光，电矢量分量平行于其偏振轴向的线偏振光才能通过，最终到达探测器，其它振动方向的偏振光无法透过。本发明主要通过改变给电光晶体施加的电压来实现快门的开关功能，其主要的工作原理如下光学系统接收到的光信号经过起偏器，成为第一线偏振光。在快门关闭时，施加给电光晶体两端的电压值为VI，光信号经过补偿器和电光晶体后，偏振态最终改为第二线偏振光。第二线偏振光的偏振化方向与检偏器的透射方向垂直，因此第二线偏振光无法通过检偏器，光路关断。在快门开启时，施加给电光晶体两端的电压值为V2，第一线偏振光经过补偿器和电光晶体后，偏振态最终改为第三线偏振光。第三线偏振光的偏振化方向与检偏器的透射方向平行，能够全部通过检偏器，光路开启。因此，仅通过改变施加在电光晶体两端的电压，就能够控制光路的开关。由于电光晶体对外加电场的响应速度非常快(皮秒级)，开启快门再关闭快门的整个过程可以在I纳秒内完成，因此，根据本原理可以制作纳秒级高速快门装置。本发明还可以在关闭快门时把光路全部关死，而打开快门时只开一半，让部分光通过。具体实现方法如下，在关闭快门时，施加的电压Vl = 0，而开启快门时，施加的电压V2小于晶体的半波电压,这样,通过电光晶体后,偏振光的偏振化方向与检偏器的透射方向呈一定角度(如O到90度之间)，一部分光可以通过检偏器到达探测器。本发明的高速快门中还可以设置补偿器，其置于起偏器和检偏器之间，可放置于电光晶体之前或之后。补偿器的作用是改变光的偏振态，它对光偏振态的改变是恒定的，电光晶体对光偏振态的改变是可调的，两者共同作用实现光路的开启和关断功能。例如，如果选取的电光晶体是有旋光性的材料，晶体两端不加电压时也会改变光的偏振态，此时可以通过增加一个补偿器来平衡晶体本身的旋光性，从而保证不加电压时快门能够闭合。本发明的另一目的在于提出一种应用上述高速快门在水体或空气中进行距离选通主动成像的方法，包括如下步骤利用脉冲光作为探测光照射探测目标；所述探测光在空气或水体中传播，到达目标后反射，反射光到达探测器时，所述高速快门开启，接收光信号；
所述反射光全部到达探测面后关闭该高速快门，完成探测光的接收，根据接收的所述探测光即可实现目标的清晰成像。 本发明的高速快门装置能够将成像快门的开关时间控制在纳秒级以内，并且体积可控，从而更好的实现距离选通主动成像，提升大气或水体中成像的分辨率。具体如下1.本发明的高速快门，能达到很高的开关频率(大于IO9Hz),能够满足主动脉冲成像对快门速度的要求，同时相对于ICCD相机而言，成本较低。2.本发明的高速快门尺寸灵活，系统的长度和口径都能灵活调整，可以与光学成像系统集成，并简单方便地安装在成像探测器前方。3.本发明的高速快门可以仅通过改变施加在电光晶体两端的电压来实现不同的工作模式，可以实现全关、全开、半开等模式，模式调整简单快速灵活。4.本发明的高速快门环境适应力强，密封好后，可以长期适应恶劣天气、水下等工作条件，不存在机械磨损，寿命长。
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图1为本发明一个实施例的高速快门适用的成像方法示意图；2为本发明该实施例的中快门关闭的情况示意3为本发明该实施例的中快门开启的情况示意4为本发明另一个实施例的中快门关闭的情况示意5为本发明另一个实施例的中快门开启的情况示意6为本发明又一个实施例的的示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述，上述实施例仅是说明性的，并不构成对本发明的限定。实施例1 :如图2所示，本实施例的快门包括沿光轴方向依次架设的起偏器2、电光晶体3、检偏器4，其中检偏器4与起偏器2的透射方向垂直。不给电光晶体3施加电压时，经过起偏器2与电光晶体3形成的线偏振光103全部无法通过检偏器4，光路关断。随着给电光晶体3施加的电压增加，越来越多的光能够通过检偏器4到达探测器，当施加的电压为半波电压(也称作λ/2电压)时，如图3所示，所有光都能通过检偏器4到达探测器，快门完全开启。通过精确控制电压的施加与释放，达到快门开启和闭合的功能。实施例2 如图4、5所不,本实施例与实施例1有两点不同(I)检偏器4的通光轴方向改为和起偏器2的通光轴方向平行；(2)增加了波片5作为补偿器。在大气或水下成像时，为了对快门开启的时间控制得更加精确，而在极短的时间内释放电压比施加电压更好控制，因此本实施例中更改了检偏器4的通光轴方向后，电光晶体3施加电压时，快门完全关闭，释放电压时，快门开启。另外，由于电光晶体3的半波电压很高(例如RTP晶体为IKV左右)，为了降低成本， 在光路关闭时(如图4)，电光晶体3两端施加的电压为1/4波电压，并配合一个1/4波片作为补偿器5,用于保证在施加电压时,偏振光107与检偏器4的通光轴垂直,光路完全闭合。在光路需要开启时(如图5)，电光晶体3两端快速释放电压，此时线偏振光108经过补偿器
5变为圆偏振光109，再经过检偏器4得到线偏振光110，偏振光110将到达探测器。相比于实施例1，实施例2需要施加在电光晶体3上的电压减小了一半，但在快门开启时到达探测器的光能量也减小了一半。实施例3 如图6所示，本实施例与实施例1的原理是相同的，区别在于制作了一个封装，将起偏器2、检偏器4和电光晶体3封在了一起，起偏器2、电光晶体3与检偏器4之间充入匹配液6。该实施例中可以把整个快门装置做得很小，光程短，方便光学系统的设计。上述各实施例中，起偏器2、检偏器4可各使用一片偏振片来完成。补偿器5可以用波片实现，根据具体情况，可能采用1/4波片或根据需求定制波片。上述各实施例中，制作电光晶体3可以采用KD*P、BB0、RTP、KTP等晶体材料。KD*P晶体利用的是纵向电光效应，必须采用环形电极，会导致所加电场不均匀，快门的开关不够严；ΒΒ0晶体的性能优良，但其半波电压较高，需要3KV以上，对高压电源的要求较高；RTP与KTP晶体同属正交晶系，mm2点群，这两种晶体的光学均匀性好，半波电压相对较低，不易潮解，在激光照射下，KTP晶体易产生灰迹，会对成像产生影响，而RTP晶体不易产生灰迹，适合本系统使用。综上所述，上述各实施例中优选RTP晶体作为制作电光晶体3的材料。RTP晶体可以优选采用X方向籽晶生长的RTP晶体，在Z面镀电极，X面抛光。另外，该晶体所属的低对称正交晶系_2晶类，存在着自然双折射及由温度引起的双折射率变化，为了补偿这两种双折射，优选采用两块尺寸相同，质量相同的RTP晶体，旋转90度构置。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种高速快门装置，设置在成像探测器前，用于选择性地接收或阻隔进入成像探测器的光线，实现距离选通主动成像，其特征在于，该装置具体包括 起偏器(2)，用于将入射的探测光转化为线偏振光； 检偏器(4)，其沿光轴设置在所述起偏器(2 )后方，其用于通过与其偏振方向一致的线偏振光；以及 电光晶体(3)，其沿光轴设置在所述起偏器(2)和检偏器(4)之间，经所述起偏器(2)转化的线偏振光入射到该电光晶体(3)，通过在其两端加载电压和/或改变加载电压大小，改变所述线偏振光的偏振态，使其可从所述检偏器(4)通过或被阻隔，实现所述成像探测器对探测光的选择性接收或阻隔。
2.根据权利要求1所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述检偏器(4)的通光轴方向与所述起偏器(2)的通光轴方向垂直。
3.根据权利要求1所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述的检偏器(4)的通光轴方向与所述起偏器(2)的通光轴方向平行。
4.根据权利要求2或3所述的一种高速快门装置，其特征在于，改变在所述电光晶体(3)两端加载的电压大小，可控制通过所述检偏器(4)到达探测器的探测光的量。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述起偏器(2)、检偏器(4)和电光晶体(3)封装为一体，其中，所述起偏器(2)与电光晶体(3)之间以及检偏器(4)与电光晶体(3)之间充有匹配液(6)。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种高速快门装置，其特征在于，该装置还包括沿光轴设置在所述起偏器(2)和检偏器(4)之间的补偿器(5)，用于改变光的偏振态，其与所述电光晶体(3)配合实现线偏振光从所述检偏器(4)选择性地被通过或被阻隔，及被通过或被阻隔的光线量。
7.根据权利要求6所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述补偿器(5)可以为1/4波片。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述起偏器(2)和检偏器(4)为偏振片。
9.根据权利要求1-7之一所述的一种高速快门装置，其特征在于，所述电光晶体(3)可以采用KD*P、BBO、RTP或KTP晶体材料，优选采用KTP晶体。
10.一种应用上述权利要求1-9之一所述的高速快门在水体或空气中进行距离选通主动成像的方法，包括 利用脉冲光作为探测光照射探测目标； 所述探测光在空气或水体中传播，到达目标后反射，反射光到达探测器时，所述高速快门开启，接收光信号； 所述反射光全部到达探测面后关闭该高速快门，完成探测光的接收，根据接收的所述探测光即可实现目标的清晰成像。
全文摘要
本发明公开了一种高速快门装置，包括起偏器，用于将入射的探测光转化为线偏振光；检偏器，其沿光轴设置在所述起偏器后方，其用于通过与其偏振方向一致的线偏振光；电光晶体，其沿光轴设置在所述起偏器和检偏器之间，经所述起偏器转化的线偏振光入射到该电光晶体，通过在其两端加载电压和/或改变加载电压大小，从而改变线偏振光的偏振态，使其可从所述检偏器通过或被阻隔，完成对探测光的选择性接收或阻隔，实现成像。本发明还公开了一种利用上述快门进行距离选通主动成像的方法。本发明能够将成像快门的开关时间控制在纳秒级以内，并且体积可控，从而更好的实现距离选通主动成像，提升大气或水体中成像的分辨率。
文档编号G01N21/01GK103018930SQ201210484838
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月25日 优先权日2012年11月25日
发明者杨克成, 刘昊, 叶骏伟, 李微, 夏珉 申请人:华中科技大学