一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置

摘要

本发明涉及一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，其特征包括镜头固定架、滤波转轮、1/4波片单元、线偏振片单元、准直镜头和电机系统。电机系统控制滤波转轮选通当前波段，旋转1/4波片单元和线偏振片单元，控制电路触发CCD快门成像，获得当前波段的偏振图像，通过自动旋转滤波转轮实现多波段全偏振成像。该装置将滤波转轮、1/4波片单元、线偏振片单元以及步进电机等组件固定在镜头固定架上，具有光学结构精简、体积紧凑、功耗低、成本低廉等优点，为便携式光谱偏振成像仪实现提供了可能。该装置可进行滤波片、相位延迟片和偏振片等偏振元件的多角度组合，对研究光学系统中偏振态变化、多波段全偏振参数测量等问题具有重要的应用价值。

权利要求

1.一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，其特征在于：包括镜头固定架（1）、准直镜头（2）、电机系统（3）、滤波转轮（4）、1/4波片单元（107）和线偏振片单元（108）；镜头固定架（1）包括开口圆筒（101）、电机固定板（102）、弧形连接板（103）和后置圆筒（106），开口圆筒（101）为顶壁开口，开口处分别连接两块平行设置的电机固定板（102），准直镜头（2）设置在镜头固定架（1）的开口圆筒（101）端部，开口圆筒（101）另一端通过弧形连接板（103）与后置圆筒（106）连接，开口圆筒（101）与弧形连接板（103）的连接处与开口圆筒（101）的顶壁开口端相对；1/4波片单元（107）设置在后置圆筒（106）与弧形连接板（103）连接的端部，线偏振片单元（108）设置在后置圆筒（106）远离弧形连接板（103）连接的一端；电机系统（3）包括第一步进电机（301）、第二步进电机（302）和第三步进电机（303），第一步进电机（301）通过电机固定板（102）固定，第一步进电机（301）的电机轴穿过滤波转轮（4）中心，使得滤波转轮（4）位于弧形连接板（103）上方，第二步进电机（302）和第三步进电机（303）均固定在后置圆筒（106）外壁，第二步进电机（302）的电机轴与1/4波片单元（107）连接，第三步进电机（303）的电机轴与线偏振片单元（108）连接；

上述1/4波片单元（107）包括第一固定圆环（1071）、第一活动圆环（1072）、第一皮带（1073）和1/4波片（1074）；1/4波片（1074）固定在第一活动圆环（1072）上，第一活动圆环（1072）与第一固定圆环（1071）活动连接，第一皮带（1073）套在第一活动圆环（1072）外壁，并与第二步进电机（302）的电机轴连接，第二步进电机（302）的电机轴转动，带动第一皮带（1073）使得第一活动圆环（1072）绕第一固定圆环（1071）转动，第一固定圆环（1071）固定在后置圆筒（106）与弧形连接板（103）连接的一端；

上述开口圆筒（101）、弧形连接板（103）和后置圆筒（106）的直径均相同。

2.根据权利要求1所述的紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，其特征在于：上述线偏振片单元（108）包括第二固定圆环（1081）、第二活动圆环（1082）、第二皮带（1083）和线偏振片（1084），线偏振片（1084）固定在第二活动圆环（1082）上，第二活动圆环（1082）与第二固定圆环（1081）活动连接，第二皮带（1083）套在第二活动圆环（1082）外壁，并与第三步进电机（303）的电机轴连接，第三步进电机（303）的电机轴转动，带动第二皮带（1083）使得第二活动圆环（1082）绕第二固定圆环（1081）转动，第二固定圆环（1081）固定在后置圆筒（106）远离弧形连接板（103）连接的一端。

3.根据权利要求1所述的紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，其特征在于：上述滤波转轮（4），沿滤波转轮（4）中心，均匀分布六个滤波孔在滤波转盘上，滤波孔内设有滤波片；滤波转轮（4）转动时，位于滤波转轮（4）最低点的滤波片中心与准直镜头（2）共光轴。

4.根据权利要求1所述的紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，其特征在于：上述弧形连接板（103）连接面等高。

说明书

一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置

技术领域

[0001] 本发明属于偏振成像探测领域，具体涉及一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置。

背景技术

[0002] 偏振成像技术主要用于获取目标的Stokes矢量图像，根据获取偏振图像的方法，偏振成像主要分为时序偏振成像、干涉型偏振成像和空域偏振成像。时序偏振成像，是通过旋转偏振元件获得不同角度的偏振图或通过调制器件改变偏振元件的偏振特性成像，优点是光学结构简单，成本低廉等优点，缺点是不能处理运动目标。干涉型偏振成像，普遍存在复色光或者宽波段成像时不同波长间的串扰问题，主要用于单个波长偏振成像系统，而且傅里叶变换和逆变换等运算，增加了数据处理的复杂度。

[0003] 目前获取偏振图像主要采用空域偏振成像方法，解决了时序偏振成像方法中因为多次测量存在的问题，但各个偏振探测单元(光学系统，探测器等)性能的不一致性是该方法在偏振探测中无法消除的误差因素，造成其探测精度不高，并且光学系统复杂，体积较大，造价昂贵。国内较早的是2002年安徽光机所设计的三个CCD成像的《偏振成像装置》公开号为CN2569177Y，三个偏振片方向为0°、60°、120°固定放置，属于画幅式偏振成像探测装置，结构较复杂，体积较大，且只能测量三个偏振参数。2013年苏州大学沈为民等公开了《一种用于偏振成像仪的分孔径光学镜头》，公开号为CN103197403A，采用偏心离轴的光学设计，四通道单CCD全偏振成像，四个偏振片方向为0°、45°、90°、135°固定放置，但各通道信号到达CCD的信息容易相互影响导致测量精度下降。可以看出，目前空域偏振成像大多是采用固定偏振元件方向(线偏振片，1/4波片等)的成像方法，从影响偏振成像的机理来看，偏振元件的特性、偏振元件在光学系统中的方向、目标光线在成像光学系统中传输的偏振态的变化以及系统定标等问题，对偏振参数测量的精度有重要的影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，精简全偏振成像光学结构，使之能够进行滤波片、相位延迟片和偏振片等偏振元件的多角度组合的可见光、近红外波段的多波段全偏振参数测量。

[0005] 实现本发明目的技术解决方案为：一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，包括镜头固定架、准直镜头、电机系统、滤波转轮、1/4波片单元和线偏振片单元；镜头固定架包括开口圆筒、电机固定板、弧形连接板和后置圆筒，开口圆筒为顶壁开口，开口处分别连接两块平行设置的电机固定板，准直镜头设置在镜头固定架的开口圆筒端部，开口圆筒另一端通过弧形连接板与后置圆筒连接，开口圆筒与弧形连接板的连接处与开口圆筒的顶壁开口端相对。1/4波片单元设置在后置圆筒与弧形连接板连接的端部，线偏振片单元设置在后置圆筒远离弧形连接板连接的一端；电机系统包括第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机，第一步进电机通过电机固定板固定，第一步进电机的电机轴穿过滤波转轮中心，使得滤波转轮位于弧形连接板上方，第二步进电机和第三步进电机均固定在后置圆筒外壁，第二步进电机的电机轴与/波片单元连接，第三步进电机的电机轴与线偏振片单元连接。

[0006] 上述1/4波片单元包括第一固定圆环、第一活动圆环、第一皮带和1/4波片；1/4波片固定在第一活动圆环上，第一活动圆环与第一固定圆环活动连接，第一皮带套在第一活动圆环外壁，并与第二步进电机的电机轴连接，第二步进电机的电机轴转动，带动第一皮带使得第一活动圆环绕第一固定圆环转动，第一固定圆环固定在后置圆筒与弧形连接板连接的一端。

[0007] 上述线偏振片单元包括第二固定圆环、第二活动圆环、第二皮带和线偏振片，线偏振片固定在第二活动圆环上，第二活动圆环与第二固定圆环活动连接，第二皮带套在第二活动圆环外壁，并与第三步进电机的电机轴连接，第三步进电机的电机轴转动，带动第二皮带使得第二活动圆环绕第二固定圆环转动，第二固定圆环固定在后置圆筒远离弧形连接板连接的一端。

[0008] 上述开口圆筒、弧形连接板和后置圆筒的直径均相同。

[0009] 上述滤波转轮，沿滤波转轮中心，均匀分布六个滤波孔在滤波转盘上，滤波孔内设有滤波片；滤波转轮转动时，位于滤波转轮最低点的滤波片中心与准直镜头共光轴。

[0010] 上述弧形连接板连接面等高。

[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：

[0012] (1)紧凑型结构。镜头固定架将准直透镜、滤波转轮、1/4波片单元、线偏振片单元、第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机固定于一个紧凑型整体。该装置(含已安装的电机长度)的总长度小于100mm，高和宽分别小于90mm，电机采用12V 1A蓄电池供电，具有光学结构紧凑、体积小，功耗低等优点，为便携式光谱偏振成像仪实现提供了可能。

[0013] (2)自动控制与多角度组合。电机系统自动控制滤波转轮、1/4波片单元和线偏振片单元旋转，实现自动获取不同波段、不同1/4波片方向、不同偏振片方向的全偏振图像。能够达到稳定可靠、节省人力，降低成本的目的。该装置可进行滤波片、相位延迟片和偏振片等偏振元件的多角度组合，对研究光学系统中偏振态变化、多波段全偏振参数测量等问题具有重要的应用价值。

[0014] (3)全偏振参数测量。利用该装置配合CCD探测器可以对同一个场景目标实现包含V分量的可见光、近红外等波段全偏振成像，能够获取目标像元对应的强度信息、谱偏振信息的多波段图像立方体信息，包含目标不同波段的像元辐射强度、斯托克斯参数中的I分量、Q分量、U分量、V分量、线偏振度分量、圆偏振度分量、偏振角分量和椭偏角分量等重要偏振参数，对探究影响偏振检测的相关因素、有效实施目标偏振检测或对抗具有重要意义。

附图说明

[0015] 图1为本发明应用于多波段全偏振成像的原理图。

[0016] 图2为本发明的整体结构示意图。

[0017] 图3为本发明的镜头固定架结构图。

[0018] 图4为本发明的1/4波片单元结构图。

[0019] 图5为本发明的线偏振片单元结构图。

[0020] 图6为本发明的实施例的镜头固定架的尺寸图(单位mm)。

[0021] 图7为本发明的实施例的滤波转轮尺寸图(单位mm)。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0023] 结合图2，一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，包括镜头固定架1、准直镜头2、电机系统3、滤波转轮4、1/4波片单元107和线偏振片单元108。镜头固定架1将准直透镜2、滤波转轮4、1/4波片单元107、线偏振片单元108、第一步进电机301、第二步进电机302和第三步进电机303固定于一个紧凑型整体。整体装置(含已安装的电机长度)的总长度小于
100mm，高和宽分别小于90mm。

[0024] 结合图3，上述镜头固定架1包括开口圆筒101、电机固定板102、弧形连接板103和后置圆筒106。开口圆筒101为顶壁开口，开口处分别连接两块平行设置的电机固定板102，准直镜头2设置在镜头固定架1的开口圆筒101端部，开口圆筒101另一端通过弧形连接板103与后置圆筒106连接，开口圆筒101与弧形连接板103的连接处与开口圆筒101的顶壁开口端相对。1/4波片单元107设置在后置圆筒106与弧形连接板103连接的端部，线偏振片单元108设置在后置圆筒106远离弧形连接板103连接的一端；电机系统3包括第一步进电机
301、第二步进电机302和第三步进电机303，第一步进电机301通过电机固定螺孔5与电机固定板102固定，第一步进电机301的电机轴穿过滤波转轮4中心，使得滤波转轮4位于弧形连接板103上方，第二步进电机302和第三步进电机303均固定在后置圆筒106外壁，第二步进电机302的电机轴与1/4波片单元107连接，第三步进电机303的电机轴与线偏振片单元108连接。

[0025] 上述弧形连接板103连接面等高，开口圆筒101、弧形连接板103和后置圆筒106的直径均相同。

[0026] 结合图4，上述1/4波片单元107，包括第一固定圆环1071、第一活动圆环1072、第一皮带1073和1/4波片1074。1/4波片1074固定在第一活动圆环1072上，第一活动圆环1072与第一固定圆环1071活动连接，第一皮带1073套在第一活动圆环1072外壁，并与第二步进电机302的电机轴连接，第二步进电机302的电机轴转动，带动第一皮带1073使得第一活动圆环1072绕第一固定圆环1071转动，第一固定圆环1071固定在后置圆筒106与弧形连接板103连接的一端1/4波片固定环104上。

[0027] 结合图5，上述线偏振片单元108，包括第二固定圆环1081、第二活动圆环1082、第二皮带1083和线偏振片1084。线偏振片1084固定在第二活动圆环1082上，第二活动圆环1082与第二固定圆环1081活动连接，第二皮带1083套在第二活动圆环1082外壁，并与第三步进电机303的电机轴连接，第三步进电机303的电机轴转动，带动第二皮带1083使得第二活动圆环1082绕第二固定圆环1081转动，第二固定圆环1081固定在后置圆筒106远离弧形连接板103连接的一端线偏振片固定环105上。

[0028] 上述开口圆筒101、准直镜头2、1/4波片第一活动圆环1072和线偏振片第二活动圆环1082、滤波转轮4最低点的滤波孔共光轴。

[0029] 实施例1

[0030] 一种紧凑型多波段全偏振成像的自动化装置，包括镜头固定架1、准直镜头2、电机系统3、滤波转轮4、电机固定螺孔5、1/4波片单元107和线偏振片单元108。镜头固定架1将准直透镜2、滤波转轮4、1/4波片单元107、线偏振片单元108、第一步进电机301、第二步进电机302和第三步进电机303固定于一个紧凑型整体。整体装置(含已安装的电机长度)的总长度小于100mm，高和宽分别小于90mm。准直镜头2带光圈。

[0031] 结合图3,上述镜头固定架1包括开口圆筒101、电机固定板102、弧形连接板103和后置圆筒106。开口圆筒101为顶壁开口，开口处分别焊接两块平行设置的电机固定板102，准直镜头2固定在镜头固定架1的开口圆筒101端部的卡槽中，开口圆筒101另一端通过弧形连接板103与后置圆筒106连接，弧形连接板103焊接在开口圆筒101和后置圆筒106之间，开口圆筒101与弧形连接板103的连接处与开口圆筒101的顶壁开口端相对。1/4波片单元107卡在后置圆筒106与弧形连接板103连接的端部，线偏振片单元108卡在后置圆筒106远离弧形连接板103连接的一端；电机系统3包括第一步进电机301、第二步进电机302和第三步进电机303，第一步进电机301通过螺栓固定在电机固定板102上，第一步进电机301的电机轴穿过滤波转轮4中心，使得滤波转轮4位于弧形连接板103上方，第二步进电机302和第三步进电机303均通过螺栓固定在后置圆筒106外壁，第二步进电机302的电机轴与1/4波片单元107连接，第三步进电机303的电机轴与线偏振片单元108连接。上述三个步进电机紧凑地放置在镜头固定架1上，开口圆筒101顶部固定第一步进电机，后端圆筒106的水平位置左、右处分别固定第二步进电机和第三步进电机，构成整体装置的稳定平衡效果。

[0032] 上述弧形连接板103连接面等高，开口圆筒101、弧形连接板103和后置圆筒106的直径均相同。

[0033] 结合图4，上述1/4波片单元107，包括第一固定圆环1071、第一活动圆环1072、第一皮带1073和1/4波片1074。1/4波片1074黏贴在第一活动圆环1072中心，第一活动圆环1072与第一固定圆环1071通过槽口活动连接，第一皮带1073套在第一活动圆环1072外壁，并与第二步进电机302的电机轴连接，挂在第二步进电机302的电机轴上，第二步进电机302的电机轴转动，带动第一皮带1073使得第一活动圆环1072绕第一固定圆环1071转动，第一固定圆环1071通过卡槽卡在后置圆筒106与弧形连接板103连接的一端1/4波片固定环104上。由于1/4波片受工作波段的限制，设计1/4波片单元为可见光和近红外两套组件(机械结构相同，使用的光学镜片材料不同)，1/4波片单元107与1/4波片固定环104的连接为可拆卸式组装，方便更换可见光1/4波片单元和近红外1/4波片单元。

[0034] 结合图5，上述线偏振片单元108，包括第二固定圆环1081、第二活动圆环1082、第二皮带1083和线偏振片1084。线偏振片1084固定在第二活动圆环1082中心，第二活动圆环1082与第二固定圆环1081通过槽口活动连接，第二皮带1083套在第二活动圆环1082外壁，并与第三步进电机303的电机轴连接，挂在第三步进电机303的电机轴上，第三步进电机303的电机轴转动，带动第二皮带1083使得第二活动圆环1082绕第二固定圆环1081转动，第二固定圆环1081通过卡槽卡在后置圆筒106远离弧形连接板103连接的一端线偏振片固定环
105上。由于线偏振片受工作波段的限制，设计线偏振片单元为可见光和近红外两套组件(机械结构相同，使用的光学镜片材料不同)，线偏振片单元108与线偏振片固定环105的连接为可拆卸式组装，方便更换可见光线偏振片单元和近红外线偏振片单元。

[0035] 上述滤波转轮4，沿滤波转轮4中心，均匀分布六个滤波孔在滤波转盘402上，滤波孔内设有滤波片；滤波转轮中心4开孔为“D”字形孔403，直径4mm，“D”字形孔的设计使得第一步进电机301转轴连接滤波转盘402中心转动时具有防滑功能；滤波转轮4转动时，位于滤波转轮4最低点的滤波片中心与准直镜头2共光轴。滤波片为5个滤波片和1个中性片，可见光波段中心波长及带宽分别400±10nm，450±10nm，550±10nm，650±10nm，700±10nm；(近红波段中心波长及带宽分别为800±10nm，850±10nm，900±10nm，950±10nm，1000±10nm)，通过第一步进电机301的控制，自动实现可见光、近红外的多波段选通。

[0036] 结合图6，镜头固定架1的开口圆筒101、弧形连接板103、后置圆筒106直径均为38mm，长度分别为25.4mm、30.5mm、25.4mm。开口圆筒101开口位置距离底面的高度为35mm，开口高度相比开口圆筒101直径下沉3mm，实现滤波转轮4转动到最低点的滤波孔中心与准直镜头2共光轴。弧形连接板103距离底面的高度为8mm，不会影响滤波转轮4转动。1/4波片第一固定圆环1071和线偏振片第二固定圆环1081与后置圆筒106直径相同，均能够与后置圆筒106固定连接。

[0037] 结合图7，滤波转轮4的转盘402直径84mm，六个滤波孔中心位置均匀分布在与转盘402共中心直径为52.4mm的同心圆弧上。第一步进电机301的电机轴穿过滤波转轮4中心，电机机身直径为20mm，能够紧凑安装于在电机固定板102上。下述五部分设计为共光轴：开口圆筒101、准直镜头2、滤波转轮4最低点的滤波孔、1/4波片第一活动圆环1072和线偏振片第二活动圆环1082。前两者直径分别为38mm、32mm，后三者直径均为25.4mm。

[0038] 结合图1，将对本发明应用于多波段全偏振成像。虚线框为本发明的镜头固定架1功能原理图。场景光线经前置准直镜头2变成平行光，分别经滤波转轮4、1/4波片单元107、线偏振片单元108、后置聚焦镜头进入CCD探测器，图像存储于计算机，配合电机系统3的控制，触发CCD快门成像，获取多波段全偏振图像。具体实施时，聚焦镜头调节焦距直到图像清晰，第一步进电机301控制滤波转轮4转过1/6周期，选通波段，第二步进电机302控制1/4波片单元107旋转和第三步进电机303控制线偏振片单元108旋转，控制电路系统触发CCD快门成像四次，获得当前波段的全偏振图像，改变波段可获得多波段全偏振图像。本发明所采用的主要器件描述如下：

[0039] (1)1/4波片采用Thorlabs的消色差1/4波片，可见光波段型号为AQWP10M-600，工作波段400-700nm，相位延迟准确度λ/40-λ/120，直径Φ22.6mm(近红波段型号为AQWP10M-980，工作波段700-1100nm，相位延迟准确度λ/20-λ/80，直径Φ22.6mm)。

[0040] (2)线偏振片采用Thorlabs的复合薄膜线偏振片，可见光波段型号为LPVISE100-A，增透波段400-700nm，消光比：100:1(400-500nm)和1000:1(500-700nm)，直径Φ25.4mm(近红波段型型号为LPVISE100-B，增透波段700-1100nm，消光比：400:1(600-1100nm)，直径Φ25.4mm)。

[0041] (3)滤波片选用采用Thorlabs的介质膜滤光片，直径Φ25.4mm(±0.1mm)，可见光波段中心波长及带宽分别为400±10nm，450±10nm，550±10nm，650±10nm，700±10nm(近红波段中心波长及带宽分别为,800±10nm，850±10nm，900±10nm，950±10nm，1000±10nm)。

[0042] (4)步进电机选用无锡三拓电气设备有限公司生产的体积紧凑型电机。步进电机302和步进电机303采用的型号为20HS2802A4，步距角1.8°，静力矩1.4N·cm；步进电机301由于是控制直径较大的滤波转轮，采用静力矩较大的电机，型号为20HS4006A4，步距角
1.8°，静力矩2.6N·cm；机身直径均为20mm，12V供电，能够支持便携式蓄电池供电。

[0043] (5)CCD探测器选用UMENER公司的LM165单色CCD相机，该相机采用SONY ICX285CCD芯片，3/2英寸，分辨率1360x1024，像元尺寸6.4um x 6.4um,光谱相应范围400nm-1000nm，采用USB进行数据传输和供电，能够支持便携式笔记本电脑传输和供电。

[0044] 利用本装置进行全偏振成像步骤如下：

[0045] 步骤1：选用上述可见光滤光片安装于滤波转轮4，选用上述可见光1/4波片单元107安装于1/4波片固定环104，选用上述可见光线偏振单元108装于线偏振片固定环105；

[0046] 步骤2：聚焦镜头调焦；

[0047] 步骤3：第一步进电机301控制滤波转轮4旋转1/6周期，选通当前波段；

[0048] 步骤4：第二步进电机302控制1/4波片单元107和第三步进电机303线偏振片单元108获取当前波段的强度图像；

[0049] 步骤5：重复步骤3、4过程，获得可见光波段全偏振图；

[0050] 步骤6：重复步骤1，更换为上述近红外波段滤光片、近红外1/4波片单元107、近红外线偏振单元108；重复步骤2、3、4、5过程，获得近红外波段全偏振图。

[0051] 上述步骤4的全偏振成像方法如下

[0052] 设光线到达CCD的斯托克斯矢量为S＝[I，Q，U，V]T，通过第二步进电机302控制1/4波片单元107旋转1/4波片和第三步进电机303线偏振片单元108偏振片，使1/4波片和线偏振片的偏振方向满足下面四个条件时，获取四幅光强图像

[0053] 1/4波片快轴和线偏振片透光方向一致，与x轴夹角0°的强度图I(0°,0°)，[0054] 1/4波片快轴和线偏振片透光方向一致，与x轴夹角90°的强度图I(90°,0°)，[0055] 1/4波片快轴和线偏振片透光方向一致，与x轴夹角45°的强度图I(45°,0°)，[0056] 线偏振片偏振方向与x轴夹角0°，1/4波片快轴与x轴方向夹角45°的强度图I(45°,90°)；

[0057] 对上面获得的四幅光强图像分别进行非均匀校正，图像配准，消除图像偏移带来的误差，校正完的图像可以计算得到当前波段的线偏振度、圆偏振度、偏振角和椭偏角等偏振图像，计算方法为

[0058] I＝I(0°,0°)+I(90°,0°)

[0059] Q＝I(0°,0°)-I(90°,0°)

[0060] U＝2I(45°,0°)-[I(0°,0°)+I(90°,0°)]

[0061] V＝2I(45°,90°)-[I(0°,0°)+I(90°,0°)]

[0062] 线偏振度：

[0063] 圆偏振度：

[0064] 偏振角：

[0065] 椭偏角：