一种全自动图像式天空偏振光测试系统的制作方法

本发明是一种全自动图像式天空偏振光测试系统，属于光学电子测试技术领域，适用于对天空光偏振模式的测试，尤其是可用于弱光条件下月光偏振模式的测试。

背景技术：

目前对于天空偏振光分布模式的测试系统主要有图像式和点源式测试系统。点源式测试系统虽然能对天空中特定点的偏振模式进行精确的测试，但存在需要不断调节测试高度角和方位角，定位精度差，测试时间长，误差较大的缺点。因此能够以大视角快速获取全天空偏振模式的图像式测试系统应用的比较广泛。但是现有的图像式偏振光测试系统存在体积过大、自动化程度低、不便于携带和不能采集除了满月以外的月光偏振模式等问题。鉴于此，在大量采集天空偏振光分布模式数据时，能在弱光环境下应用的便于携带的全自动偏振光测试系统就显得尤为重要。

现有的国内外偏振光测试仪器方案中比较成熟的有学者提出的三相机、三镜头和单镜头三个偏振片方案，两种方案具有装置臃肿和自动化程度低等缺点。赵开春等人设计的天空光偏振模式自动探测装置无法解决工业相机电子快门长时间曝光造成的成像质量低和光线倾斜射入遮光筒时产生的反射问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术难题是利用采用单反相机的高成像性能解决工业相机长时间曝光造成的成像质量低的问题。通过单片机开发板控制单反相机曝光和步进电机转动实现测试系统的全自动运行，同时不需要上位机的控制实现测试系统小型化。在鱼眼镜头前端加上偏振片支架解决偏振光进入镜头前的反射问题。

本发明的技术方案：

一种全自动图像式天空偏振光测试系统，偏振片1通过偏振片支架2放置于鱼眼镜头4的前端，用于把天空中的部分偏振光生成线性偏振光，通过转动偏振片支架2改变偏振片1主光轴的位置，使入射到鱼眼镜头4里的线性偏振光的偏振方向改变；偏振片支架2安装在空心转轴3上，用于搭载线性偏振片1，同时阻止光线斜射入偏振片后由于漫散射产生的散射光进入镜头，从而保证采集数据的质量。空心转轴3与偏振片支架2联接，空心转轴3转动带动偏振片支架2和偏振片1转动，同时空心转轴3避免了外界非偏振光线进入鱼眼镜头4，起到遮光的作用；齿轮组5为一对大小齿轮，其中大齿轮为从动轮，通过平键和空心转轴3联接在一起，小齿轮作为主动轮带动大齿轮转动，把步进电机15的运动转化为偏振片1的动作；轴承组6安装在空心转轴3与上支撑板12、下支撑板14之间，保证空心转轴能够平稳精确的转动；上支撑板12与下支撑板14通过支撑柱13联接在一起，用于支撑空心转轴3、齿轮组5和轴承组6；步进电机15，带动齿轮组5转动，在采集每组数据时使偏振片1的主光轴依次转动0^°、45^°、90^°，并使偏振片1的主光轴能够以较高的精度定位在0^°、45^°和90^°的位置；上下支撑板支架7，把下支撑板14和快装板8通过固定螺栓16联接在一起，用于调整偏振片1和鱼眼镜头4的相对位置，从而保证鱼眼镜头的主光轴和偏振片的旋转轴重合；快装板8把上下支撑板支架7和单反相机9通过固定螺栓16联接在一起；单反相机9，用于采集月光的偏振模式数据。单反相机快门控制开关10，与单片机开发板17的相机快门控制端口和单反相机9的快门线接口相连，根据单片机开发板17的指令控制相机快门的开和关。单片机开发板17，连接步进电机15和单反相机快门控制开关10，控制单反相机每次采集数据时的曝光时间和步进电机每次转动的角度。5v单片机开发板电池11为单片机供电，24v步进电机电池18为步进电机的驱动电源，它们能够保证测试系统24小时不间断工作。

当测试系统工作时，运行指示灯常亮，当测试系统处于数据采集间隔时间内时，数据采集间隔指示灯闪烁。单片机开发板的定时器0控制pwm波的产生，再通过步进电机控制端口控制步进电机实现精确的定位。在采集每组数据时，单片机开发板的定时器1按曝光数组中给定的曝光时间通过相机快门控制端口控制相机曝光时间。开发板的定时器2按给定的数据采集间隔时间来控制采集下一组数据的等待时间。根据月亮的照亮面积的不同或采集数据时外界环境的光照强度的不同，选择不同的相机曝光时间数组，从而保证采集的图片数据的质量。采集数据时按组采集数据，每组数据包含三个图片数据，分别为偏振片主光轴位于0^°、45^°、和90^°位置时天空光偏振模式数据。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图。

图2为本发明的单反相机采集数据时偏振片的位置及其转动示意图。

图3为本发明的工作流程图。

图中：1偏振片；2偏振片支架；3空心转轴；4鱼眼镜头；5齿轮组；

6轴承组；7上下支撑板支架；8快装板；9单反相机；

10单反相机快门控制开关；115v单片机开发板电池；12上支撑板；

13支撑柱；14下支撑板；15步进电机；16固定螺栓；17单片机开发板；

1824v步进电机电池。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明包括偏振片1、偏振片支架2、空心转轴3、鱼眼镜头4、齿轮组5、轴承组6、上下支撑板支架7、快装板8、单反相机9、相机快门控制开关10、5v单片机开发板电池11、上支撑板12、支撑柱13、下支撑板14、步进电机15、固定螺栓16、单片机开发板17和24v步进电机电池18。其中偏振片、偏振片支架、空心转轴、齿轮组、轴承组、上支撑板、支撑柱、下支撑板、步进电机组成偏振片旋转机构，单片机开发板用于控制系统运行。当需要采集月光偏振模式数据时，根据采集数据的时间段、每组数据的时间间隔和月亮的照亮面积选择合适的单反相机曝光数组，把选择的曝光数组编制到单片机程序中，并把此单片机程序烧到单片机开发板上，用于控制系统运行。再把单反相机快门控制开关分别连接到单反相机的快门接口上和单片机开发板相机快门开关控制端口，再把步进电机的控制信号线接到单片机pwm波输出端口，之后把全自动图像式天空偏振光测试系统安装到三角架上，并使鱼眼镜头4的光轴对准天顶。分别打开单反相机、单片机和步进电机的电源开关，这时就可以准备采集鱼眼镜头前端视角内的天空光的偏振模式数据。

本发明的工作流程图如图3所示，安装测试系统，使鱼眼镜头的光轴对准天顶，并打开所有电源开关。按下单片机开发板上的enter键，等待5秒后，系统正常运行，运行指示灯亮起，相邻数据组采集等待时间间隔指示灯闪烁，同时数据采集间隔时间计时开始。此时偏振片在初始位置，即0^°位置，单片机向单反相机快门控制开关发出指令，使单反相机采集第一组数据中的第一张照片，采集完成后，单片机控制步进电机转动90^°，使偏振片如图2所示转动45^°。此时偏振片主光轴位于45^°位置，单反相机采集第一组数据中的第二张照片。采集完成后，单片机控制步进电机再次转动90^°，使偏振片再如图2所示转动45^°。此时偏振片主光轴位于90^°位置，单反相机采集第一组数据中的第三张照片，采集完成后，单片机控制步进电机继续转动540^°，使偏振片回到初始位置，即0^°位置。单片机程序继续运行，等待单片机开发板的定时器2控制的数据组采集间隔时间计时结束，曝光时间数组指针指向采集下一组数据是需要的相机曝光时间。单片机开发板的定时器1按曝光时间数组指针指向曝光时间控制相机曝光时间的长短，单片机的相机快门控制端口通过单反相机快门开关控制单反相机采集第二组数据。采集第二组数据时，同采集第一组数据一样，单片机开发板的定时器0控制pwm波的产生和停止从而使步进电机转动三次，并带动偏振片主光轴依次转动到0^°、45^°和90^°的位置。单反相机在偏振片主光轴位于0^°、45^°和90^°位置时依次采集三张照片。之后单片机程序控制系统继续运行，系统等待给定的数据组采集间隔时间计时结束，然后继续采集下一组数据。当需要停止采集数据时，按下开发板上的esc键，自动图像式天空偏振光测试系统停止运行。当采集数据的外部环境的光照强度发生变化时，通过改变开发板中程序里曝光时间数值和数据组采集间隔即可完成新的采集数据任务。