專利名稱：一種高速快門裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學快門領域，特別涉及一種高速快門裝置，用于距離選通主動成像。
背景技術：
能見度(visibility)是反映大氣透明度的一個指標。在空氣潔凈的地區(qū)，晴天能見度一般會大于15Km，視野清晰。在雨、霧、霾、沙塵暴等天氣情況下，大氣的能見度比較差，當大氣能見度低于IKm時，能見度很差。水中視程指的是標準視力的人從水中背景中能識別出具有一定大小目標物的距離，在淡水或海水中的視程僅為幾十米，甚至幾米。空氣中的微粒對光的吸收和散射是影響大氣能見度的關鍵因素。水滴、固體顆粒對光的吸收會導致光的強度減弱，從而使觀察的景象變暗；微粒對光的散射會導致光傳輸路徑的變化，這不僅會使觀察目標的景象變暗，還會導致目標物變得模糊。在水中，由于水體本身和其中的其它顆粒對光產(chǎn)生了強烈的吸收和散射，從而導致水中的視程很短。對于光學成像探測而言，分辨率和對比度是成像質(zhì)量的重要組成部分，分辨率是指成像系統(tǒng)所能重現(xiàn)的被測物體細節(jié)的數(shù)量，對比度則是成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的被測物體與其背景之間的灰度差別。在能見度低的情況下，通過主動成像，提高照射到目標物上的光的強度，可以有效增加對比度。然而，僅通過提高光強的方法并不能提升系統(tǒng)的分辨率，因為散射的光強也會隨著目標物上的光強一起增加，探測器上的信噪比并沒有得到改善，所成的像依然模糊，難以分辨細節(jié)。為了提高在大氣或水體中成像的分辨率，可以采用距離選通主動成像方法，該方法需要光源、探測目標、高速快門和探測器等部分，其工作原理如下(如圖1所示):在背景光相對較弱的大氣或水體中，tl時刻光源用足夠強的脈沖光照射距離已知的探測目標，t2時刻這一段脈沖完全發(fā)射出去，光在空氣或水體中傳播至t3時刻到達目標，t4時刻反射光開始到達探測器，此時打開高速快門，接收光信號，t5時刻反射光全部到達探測面，關閉高速快門。這樣，對于未經(jīng)散射的有用光信號，全部都能到達探測面成像；而對于散射光，從發(fā)出光脈沖的tl時刻到t4時刻快門均處于閉合狀態(tài)，不予接收，僅在快門開啟的t4、5時間內(nèi)的少量散射光能到達成像面。通過這種方法，能夠濾除大量噪聲，提高信噪比，提升成像的分辨率。距離選通主動成像方法中的一個關鍵器件是高速快門，由于光脈沖在以光速傳播，快門從開啟到關閉整個過程要在幾十納秒以內(nèi)。目前常見的成像快門有機械快門、液晶快門和電子快門。機械快門是通過彈簧、凸輪、齒輪等機械結構或電磁結構來控制光線進入時間的裝置，一般能將光線進入時間控制到毫秒級，最快的能到微秒級。液晶快門是通過電控制液晶分子的排列方式，從而改變光的透過率，來實現(xiàn)光路開啟和關斷的目的，液晶快門的一個重要缺點是響應時間相對較慢，目前能達到毫秒級。電子快門是成像芯片常用的快門種類，它利用了芯片感光系統(tǒng)不通電就不工作的原理，僅在需要開啟快門的時間內(nèi)感光系統(tǒng)通電，實現(xiàn)控制光線進入時間的功能，目前常用的成像芯片電子快門開啟時間能達到微秒級。有一種特殊的探測器稱為增強型影像CCD(簡稱為ICXD)，由于其成像原理，ICXD的電子快門可以實現(xiàn)百皮秒級的開合。綜上所述，當前的成像快門中，只有ICCD的電子快門的開關速度可以滿足距離選通主動成像的要求。經(jīng)過水下成像實驗，證明采用ICCD相機確實能夠有效提升圖像的分辨率。然而，當前市場上的ICCD相機(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)都存在體積大(大于20cmX IOcmX 10cm)、內(nèi)部電路控制復雜的問題,不適于制作小型化的距離選通主動成像裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為解決惡劣天氣與水下成像視程短的問題，本發(fā)明提出一種高速快門裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級的開合，使探測器能夠屏蔽大部分雜散光信號，只接收有用光信號，利用該裝置配合主動脈沖光源和成像探測器成像時，可以有效提高惡劣天氣與水下成像的分辨率。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案如下一種快門裝置，設置在成像探測器前，用于選擇性地接收或阻隔進入成像探測器的光線，實現(xiàn)距離選通主動成像，其特征在于，該裝置具體包括起偏器，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光；檢偏器，其沿光軸設置在所述起偏器后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；電光晶體，其沿光軸設置在所述起偏器和檢偏器之間，經(jīng)所述起偏器轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，從而改變線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器通過或被阻隔，完成對探測光的選擇性接收或阻隔，實現(xiàn)快門開啟和關斷。本發(fā)明的起偏器用于將光學系統(tǒng)接收到的光轉(zhuǎn)化為線偏振光。電光晶體是具有電光效應的光學材料，在外加電場作用下，材料的折射率發(fā)生變化，從而引起在光在晶體內(nèi)部傳播的偏振態(tài)改變，是實現(xiàn)高速快門的核心器件。檢偏器用于透過特定方向的偏振光，電矢量分量平行于其偏振軸向的線偏振光才能通過，最終到達探測器，其它振動方向的偏振光無法透過。本發(fā)明主要通過改變給電光晶體施加的電壓來實現(xiàn)快門的開關功能，其主要的工作原理如下光學系統(tǒng)接收到的光信號經(jīng)過起偏器，成為第一線偏振光。在快門關閉時，施加給電光晶體兩端的電壓值為VI，光信號經(jīng)過補償器和電光晶體后，偏振態(tài)最終改為第二線偏振光。第二線偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向垂直，因此第二線偏振光無法通過檢偏器，光路關斷。在快門開啟時，施加給電光晶體兩端的電壓值為V2，第一線偏振光經(jīng)過補償器和電光晶體后，偏振態(tài)最終改為第三線偏振光。第三線偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向平行，能夠全部通過檢偏器，光路開啟。因此，僅通過改變施加在電光晶體兩端的電壓，就能夠控制光路的開關。由于電光晶體對外加電場的響應速度非?？?皮秒級)，開啟快門再關閉快門的整個過程可以在I納秒內(nèi)完成，因此，根據(jù)本原理可以制作納秒級高速快門裝置。本發(fā)明還可以在關閉快門時把光路全部關死，而打開快門時只開一半，讓部分光通過。具體實現(xiàn)方法如下，在關閉快門時，施加的電壓Vl = 0，而開啟快門時，施加的電壓V2小于晶體的半波電壓,這樣,通過電光晶體后,偏振光的偏振化方向與檢偏器的透射方向呈一定角度(如O到90度之間)，一部分光可以通過檢偏器到達探測器。本發(fā)明的高速快門中還可以設置補償器，其置于起偏器和檢偏器之間，可放置于電光晶體之前或之后。補償器的作用是改變光的偏振態(tài)，它對光偏振態(tài)的改變是恒定的，電光晶體對光偏振態(tài)的改變是可調(diào)的，兩者共同作用實現(xiàn)光路的開啟和關斷功能。例如，如果選取的電光晶體是有旋光性的材料，晶體兩端不加電壓時也會改變光的偏振態(tài)，此時可以通過增加一個補償器來平衡晶體本身的旋光性，從而保證不加電壓時快門能夠閉合。本發(fā)明的另一目的在于提出一種應用上述高速快門在水體或空氣中進行距離選通主動成像的方法，包括如下步驟利用脈沖光作為探測光照射探測目標；所述探測光在空氣或水體中傳播，到達目標后反射，反射光到達探測器時，所述高速快門開啟，接收光信號；
所述反射光全部到達探測面后關閉該高速快門，完成探測光的接收，根據(jù)接收的所述探測光即可實現(xiàn)目標的清晰成像。 本發(fā)明的高速快門裝置能夠?qū)⒊上窨扉T的開關時間控制在納秒級以內(nèi)，并且體積可控，從而更好的實現(xiàn)距離選通主動成像，提升大氣或水體中成像的分辨率。具體如下1.本發(fā)明的高速快門，能達到很高的開關頻率(大于IO9Hz),能夠滿足主動脈沖成像對快門速度的要求，同時相對于ICCD相機而言，成本較低。2.本發(fā)明的高速快門尺寸靈活，系統(tǒng)的長度和口徑都能靈活調(diào)整，可以與光學成像系統(tǒng)集成，并簡單方便地安裝在成像探測器前方。3.本發(fā)明的高速快門可以僅通過改變施加在電光晶體兩端的電壓來實現(xiàn)不同的工作模式，可以實現(xiàn)全關、全開、半開等模式，模式調(diào)整簡單快速靈活。4.本發(fā)明的高速快門環(huán)境適應力強，密封好后，可以長期適應惡劣天氣、水下等工作條件，不存在機械磨損，壽命長。


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圖1為本發(fā)明一個實施例的高速快門適用的成像方法示意圖；2為本發(fā)明該實施例的中快門關閉的情況示意3為本發(fā)明該實施例的中快門開啟的情況示意4為本發(fā)明另一個實施例的中快門關閉的情況示意5為本發(fā)明另一個實施例的中快門開啟的情況示意6為本發(fā)明又一個實施例的的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步描述，上述實施例僅是說明性的，并不構成對本發(fā)明的限定。實施例1 :如圖2所示，本實施例的快門包括沿光軸方向依次架設的起偏器2、電光晶體3、檢偏器4，其中檢偏器4與起偏器2的透射方向垂直。不給電光晶體3施加電壓時，經(jīng)過起偏器2與電光晶體3形成的線偏振光103全部無法通過檢偏器4，光路關斷。隨著給電光晶體3施加的電壓增加，越來越多的光能夠通過檢偏器4到達探測器，當施加的電壓為半波電壓(也稱作λ/2電壓)時，如圖3所示，所有光都能通過檢偏器4到達探測器，快門完全開啟。通過精確控制電壓的施加與釋放，達到快門開啟和閉合的功能。實施例2 如圖4、5所不,本實施例與實施例1有兩點不同(I)檢偏器4的通光軸方向改為和起偏器2的通光軸方向平行；(2)增加了波片5作為補償器。在大氣或水下成像時，為了對快門開啟的時間控制得更加精確，而在極短的時間內(nèi)釋放電壓比施加電壓更好控制，因此本實施例中更改了檢偏器4的通光軸方向后，電光晶體3施加電壓時，快門完全關閉，釋放電壓時，快門開啟。另外，由于電光晶體3的半波電壓很高(例如RTP晶體為IKV左右)，為了降低成本， 在光路關閉時(如圖4)，電光晶體3兩端施加的電壓為1/4波電壓，并配合一個1/4波片作為補償器5,用于保證在施加電壓時,偏振光107與檢偏器4的通光軸垂直,光路完全閉合。在光路需要開啟時(如圖5)，電光晶體3兩端快速釋放電壓，此時線偏振光108經(jīng)過補償器
5變?yōu)閳A偏振光109，再經(jīng)過檢偏器4得到線偏振光110，偏振光110將到達探測器。相比于實施例1，實施例2需要施加在電光晶體3上的電壓減小了一半，但在快門開啟時到達探測器的光能量也減小了一半。實施例3 如圖6所示，本實施例與實施例1的原理是相同的，區(qū)別在于制作了一個封裝，將起偏器2、檢偏器4和電光晶體3封在了一起，起偏器2、電光晶體3與檢偏器4之間充入匹配液6。該實施例中可以把整個快門裝置做得很小，光程短，方便光學系統(tǒng)的設計。上述各實施例中，起偏器2、檢偏器4可各使用一片偏振片來完成。補償器5可以用波片實現(xiàn)，根據(jù)具體情況，可能采用1/4波片或根據(jù)需求定制波片。上述各實施例中，制作電光晶體3可以采用KD*P、BB0、RTP、KTP等晶體材料。KD*P晶體利用的是縱向電光效應，必須采用環(huán)形電極，會導致所加電場不均勻，快門的開關不夠嚴；ΒΒ0晶體的性能優(yōu)良，但其半波電壓較高，需要3KV以上，對高壓電源的要求較高；RTP與KTP晶體同屬正交晶系，mm2點群，這兩種晶體的光學均勻性好，半波電壓相對較低，不易潮解，在激光照射下，KTP晶體易產(chǎn)生灰跡，會對成像產(chǎn)生影響，而RTP晶體不易產(chǎn)生灰跡，適合本系統(tǒng)使用。綜上所述，上述各實施例中優(yōu)選RTP晶體作為制作電光晶體3的材料。RTP晶體可以優(yōu)選采用X方向籽晶生長的RTP晶體，在Z面鍍電極，X面拋光。另外，該晶體所屬的低對稱正交晶系_2晶類，存在著自然雙折射及由溫度引起的雙折射率變化，為了補償這兩種雙折射，優(yōu)選采用兩塊尺寸相同，質(zhì)量相同的RTP晶體，旋轉(zhuǎn)90度構置。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術方案的精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種高速快門裝置，設置在成像探測器前，用于選擇性地接收或阻隔進入成像探測器的光線，實現(xiàn)距離選通主動成像，其特征在于，該裝置具體包括 起偏器(2)，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光； 檢偏器(4)，其沿光軸設置在所述起偏器(2 )后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；以及 電光晶體(3)，其沿光軸設置在所述起偏器(2)和檢偏器(4)之間，經(jīng)所述起偏器(2)轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體(3)，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，改變所述線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器(4)通過或被阻隔，實現(xiàn)所述成像探測器對探測光的選擇性接收或阻隔。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述檢偏器(4)的通光軸方向與所述起偏器(2)的通光軸方向垂直。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述的檢偏器(4)的通光軸方向與所述起偏器(2)的通光軸方向平行。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的一種高速快門裝置，其特征在于，改變在所述電光晶體(3)兩端加載的電壓大小，可控制通過所述檢偏器(4)到達探測器的探測光的量。
5.根據(jù)權利要求1-4之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述起偏器(2)、檢偏器(4)和電光晶體(3)封裝為一體，其中，所述起偏器(2)與電光晶體(3)之間以及檢偏器(4)與電光晶體(3)之間充有匹配液(6)。
6.根據(jù)權利要求1-5之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，該裝置還包括沿光軸設置在所述起偏器(2)和檢偏器(4)之間的補償器(5)，用于改變光的偏振態(tài)，其與所述電光晶體(3)配合實現(xiàn)線偏振光從所述檢偏器(4)選擇性地被通過或被阻隔，及被通過或被阻隔的光線量。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述補償器(5)可以為1/4波片。
8.根據(jù)權利要求1-7之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述起偏器(2)和檢偏器(4)為偏振片。
9.根據(jù)權利要求1-7之一所述的一種高速快門裝置，其特征在于，所述電光晶體(3)可以采用KD*P、BBO、RTP或KTP晶體材料，優(yōu)選采用KTP晶體。
10.一種應用上述權利要求1-9之一所述的高速快門在水體或空氣中進行距離選通主動成像的方法，包括 利用脈沖光作為探測光照射探測目標； 所述探測光在空氣或水體中傳播，到達目標后反射，反射光到達探測器時，所述高速快門開啟，接收光信號； 所述反射光全部到達探測面后關閉該高速快門，完成探測光的接收，根據(jù)接收的所述探測光即可實現(xiàn)目標的清晰成像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速快門裝置，包括起偏器，用于將入射的探測光轉(zhuǎn)化為線偏振光；檢偏器，其沿光軸設置在所述起偏器后方，其用于通過與其偏振方向一致的線偏振光；電光晶體，其沿光軸設置在所述起偏器和檢偏器之間，經(jīng)所述起偏器轉(zhuǎn)化的線偏振光入射到該電光晶體，通過在其兩端加載電壓和/或改變加載電壓大小，從而改變線偏振光的偏振態(tài)，使其可從所述檢偏器通過或被阻隔，完成對探測光的選擇性接收或阻隔，實現(xiàn)成像。本發(fā)明還公開了一種利用上述快門進行距離選通主動成像的方法。本發(fā)明能夠?qū)⒊上窨扉T的開關時間控制在納秒級以內(nèi)，并且體積可控，從而更好的實現(xiàn)距離選通主動成像，提升大氣或水體中成像的分辨率。
文檔編號G01N21/01GK103018930SQ201210484838
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月25日 優(yōu)先權日2012年11月25日
發(fā)明者楊克成, 劉昊, 葉駿偉, 李微, 夏珉 申請人:華中科技大學