CN102135449A - 高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法及系统，该系统包括准直镜、偏振光谱调制模块、分束器、第一反射系统、第二反射系统、会聚透镜以及设置于会聚透镜焦面上的探测器；准直镜、偏振光谱调制模块和分束器依次设置于同一光轴上；偏振光谱调制模块由两个相位延迟器和一个线偏振器组成；第一反射系统设置于分束器的反射光路上，经第一反射系统反射的反射光射入分束器形成第一束光；第二反射系统设置于分束器的透射光路上，经第二反射系统反射的反射光射入分束器形成第二束光；会聚透镜设置在第一束光与第二束光相重合的光路上。本发明具有可简化数据处理过程、降低误差，稳定性好且可近实时进行光谱偏振测量的优点。

Description

高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种快速获得目标光谱偏振信息的光谱偏振探测方法及实现该方法的光谱偏振仪，尤其涉及一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法及系统。

背景技术

光谱偏振仪能够获得光谱中每个谱段的偏振态，光谱偏振态的一般测量方法中需要有由线偏振器、旋转器和相位延迟器等组成的偏振分析光学系统，为了对每一个谱段的偏振态测量，需要对偏振分析光学系统进行多种不同的设置，并对每一种设置下的光强进行测量，为测量光谱偏振态，光谱仪和偏振分析光学系统都要进行一个扫描过程，实时性大大降低。进行偏振分析光学系统偏振控制的光学部件还包含旋转分析仪或弹光调制器等，通常包含机械或主动部件，因此，仪器的稳定性大大降低。

日本学者Kazuhiko Oka提出一种新型光谱偏振技术——channeledspectropolarimetry【Kazuhiko Oka and Takayuki Kato.“Spectroscopic polarimetrywith a channeled spectrum”.Optics Letters，Vol.24，No.21，1475～1477(1999)】，该方法是在光谱仪前方加入由两个相位延迟器和一个线偏振器组成的偏振光谱调制模块，将全斯托克斯偏振信息调制到光谱的不同波数(波长的倒数)上去，最后通过傅里叶变换将偏振光谱信息解调出来。这种方法的最大优点是与静态光谱仪结合时没有运动部件，所有的光谱偏振信息能够在一次测量中获得，缺点是需要光谱仪的光谱分辨率较高，而且在偏振光谱解调中需要进行两次傅里叶变换，运算量较大且会引入较多误差。

在Kazuhiko Oka提出的光谱偏振测量方法的基础上，Michael W.Kudenov等人提出采用傅里叶变换光谱技术【Michael W.Kudenow，Nathan A.Hagen，Haitao Luo，et al.“Polarization acquisition using a commercial Fouriertransform spectrometer in the MWIR”，Proc.of SPIE Vol.6295，2950A(2006)】，傅里叶变换光谱技术具有高通量和多通道的优势，更重要的是傅里叶变换光谱仪的输出干涉图直接就是入射光的傅里叶变换，与channeledspectropolarimetry相结合时，得到的干涉光谱数据就是经偏振光谱调制后的光束的傅里叶变换，在数据处理中可以直接从干涉图中分离出各斯托克斯分量，分别对其进行傅里叶变换就可以复原出输入光的全斯托克斯偏振光谱信息。Michael W.Kudenov等采用了迈克尔逊式傅里叶变换光谱仪，该光谱仪采用时间调制的方式获得光谱，速度较慢，稳定性和实时性较差，在对光谱偏振参数迅速变化和测量速度要求高的条件下受到了限制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可简化数据处理过程、降低误差，稳定性好且可近实时进行光谱偏振测量的高速转镜傅里叶变换光谱偏振测量方法及系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法，其特殊之处在于：所述高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法包括以下步骤：

1)获取平行光束；

2)对步骤1)所得平行光束进行偏振光谱调制；

3)利用分束器将经偏振光谱调制的入射光分为反射光束I_F和透射光束I_T；反射光束I_F经第一反射系统后再回到分束器形成第一束光的光程；透射光束I_T经第二反射系统后再回到分束器形成第二束光的光程；

4)第一束光与第二束光产生光程差成为两束相干光，并形成干涉光谱图；

5)将步骤4)所得到的干涉光谱图进行偏振光谱解调和傅里叶变换，复原出偏振光谱信息。

一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特殊之处在于：所述高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统包括准直镜、偏振光谱调制模块、分束器、第一反射系统、第二反射系统、会聚透镜以及设置于会聚透镜焦面上的探测器；所述准直镜、偏振光谱调制模块和分束器依次设置于同一光轴上；所述第一反射系统设置于分束器的反射光路上，经第一反射系统反射的反射光射入分束器形成第一束光；所述第二反射系统设置于分束器的透射光路上，经第二反射系统反射的反射光射入分束器形成第二束光；所述会聚透镜设置在第一束光与第二束光相重合的光路上。

上述偏振光谱调制模块包括第一相位延迟器、第二相位延迟器以及线偏振器；所述第一相位延迟器、第二相位延迟器以及线偏振器依次设置于准直镜和分束器之间，并与准直镜和分束器同处于同一光轴上。

上述第一相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面以及第二相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面分别垂直于光轴；所述第一相位延迟器的快轴方向与线偏振器的偏振方向一致；所述第二相位延迟器的快轴方向相对于第一相位延迟器的快轴方向逆时针旋转45°。

上述第一反射系统包括转镜、角反射体以及第一平面反射镜；所述转镜设置于分束器的反射光路上；所述角反射体以及第一平面反射镜依次设置于转镜的反射光路上。

上述第二反射系统包括第二平面反射镜；所述第二平面反射镜设置于分束器的透射光路上。

上述第一相位延迟器和第二相位延迟器均由单轴双折射晶体材料制成。

上述探测器是单元探测器或红外单元探测器。

上述转镜由圆柱体的斜端面构成。

本发明具有以下优点：

1、提高了偏振态测量速度。本发明利用静态的偏振光谱调制模块将全斯托克斯偏振态信息调制到光谱的波数上，通过光谱仪和计算机数据处理解调出光谱偏振信息，大大提高了偏振态测量速度。

2、直接对干涉光谱图进行滤波。本发明是光谱偏振调制与傅里叶变换光谱技术相结合，可以直接对干涉光谱图进行滤波和傅里叶变换得到全斯托克斯光谱偏振信息。

3、扫描效率高、可实现高频扫描，且稳定性好。转镜以一个圆柱体的具有一定斜度的端面作为反射面，在电机的带动下转动，无空扫现象，扫描效率高，采用转镜式动镜，系统运行连续，当扫描速度很高时，由于惯性的作用，旋转伺服系统仍能保持较好的稳定性。

4、抗干扰能力强、应用范围广。本发明由于获得干涉图的时间极短，系统对振动敏感度降低，机械振动频率一般对光谱图的质量无影响，实时性好，分辨率高，工作范围宽，尤其适用于红外光谱偏振测量，结构简单，体积小，重量轻。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为光谱偏振模块示意图；

其中：1-准直镜，2-第一相位延迟器，3-第二相位延迟器，4-线偏振器，5-偏振光谱调制模块，6-分束器，7-转镜，8-电机，9-角反射器，10-平面反射镜，11-平面反射镜，12-会聚透镜，13-探测器，14-计算机处理系统，15-前置光学系统，50-系统光轴，51-第一相位延迟期快轴，52-第一相位延迟器慢轴，53-第二相位延迟器快轴，54-第二相位延迟器慢轴，55-线偏振器偏振方向。

具体实施方式

本发明提供了一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法，该方法包括以下步骤：

1)获取平行光束；

2)对步骤1)所得平行光束进行偏振光谱调制；

3)利用分束器将经偏振光谱调制的入射光分为反射光束I_F和透射光束I_T；反射光束I_F经第一反射系统后再回到分束器形成第一束光的光程；透射光束I_T经第二反射系统后再回到分束器形成第二束光的光程；

4)第一束光与第二束光产生光程差成为两束相干光，并形成干涉光谱图；

5)将步骤4)所得到的干涉光谱图进行偏振光谱解调和傅里叶变换，复原出偏振光谱信息。

参见附图1和图2，本发明的光学系统主要由准直镜1、偏振光谱调制模块5、分束器6、转镜7、角反射器9、平面反射镜10-11、会聚透镜12构成；偏振光谱调制模块5由第一相位延迟器2、第二相位延迟器3和线偏振器4构成；计算机处理系统14为信息处理系统。

本发明的工作原理为：准直镜1后的由第一相位延迟器2、第二相位延迟器3和线偏振器4组成的偏振光谱调制模块5将入射光的全斯托克斯光谱偏振信息调制到光谱的不同波数上，然后进入干涉光谱仪。在转镜7静止时，主光轴上的光被分束器6分成两束光，分别是反射光束I_F和透射光I_T，该两束光的光程相等，当转镜7在电机8的带动下转动时，被分束器6第一次分出的反射光束I_F，经转镜7与角反射器9和平面反射镜10多次反射后，回到分束器6，再到达会聚透镜12的第一束光的光程会发生变化。而被分束器6第一次分出的透射光I_T，经平面反射镜11反射回分束器6，再被分束器反射到达会聚透镜12的第二束光的光程不变，两束光最后到达探测器13的光程不再相等，从而产生光程差，成为两束相干光，在探测器上产生干涉。随着转镜7的转动，两束光的光程差不断变化，由此获得干涉光谱图，此时的干涉图已经调制进了偏振信息，各偏振分量处在不同的光程差范围内。干涉图再经过计算机处理系统14进行滤波和傅里叶变换后，可得到输入光的各斯托克斯偏振分量的光谱。转镜7在电机8的带动下高速转动，即可实现高速扫描。该转镜由圆柱体的斜端面构成。

参见图3，本发明的偏振光谱模块5中第一相位延迟器2和第二相位延迟器3均由单轴双折射晶体材料制成，第一相位延迟器2、第二相位延迟器3和线偏振器按顺序粘接在一起，其位置和方向满足：

1)第一相位延迟器2、第二相位延迟器3和线偏振器4沿系统光轴50依次放置；

2)第一相位延迟器2的快轴51和慢轴52组成的平面与系统光轴50垂直，且快轴51的方向与线偏振器4的偏振方向55一致；

3)第二相位延迟器3的快轴53和慢轴54组成的平面与系统光轴50垂直，快轴方向相对于相位延迟器2的快轴方向逆时针旋转45°(沿光束传播方向看去)；

第一相位延迟器2的厚度为L₁，第二相位延迟器3的厚度为L₂，通过设置L₁和L2的比例来实现对偏振光谱的调制。

准直镜的1的轴线和偏振光谱调制模块5都位于前置光学系统的轴线上。分束器6的位置应确保既能接收到由偏振光谱调制模块5出射的光束，又能接收到转镜7和平面反射镜11反射的光束。转镜7的初始位置和角反射体9，以及平面反射镜10-11的位置应满足：当转镜7在某一位置定位时，

1)光轴上的光束被分束器6分出的反射光数I_F为第一束光，其经转镜7、角反射体9和平面反射镜10的多次反射，再回到分束器6，经过傅里叶变换透镜12会聚到探测器13上形成的第一束光的光程；

2)光轴上的光束被分束器6分出的透射光I_T为第二束光，其经过平面反射镜11反射后再回到分束器6，通过会聚透镜12会聚到探测器13形成的第二束光的光程；

3)第一束光再回到分束器6的交点与第二束光再回到分束器6的交点相重合；

4)第一束光被分束器6再次分出的透射光束I_FT和第二束光被分束器6再次分出的反射光束I_FT光路重合；

5)第一束光的光程与第二束光的光程相等；

会聚透镜12的光轴位于第一束光的透射光束IFT与第二束光的反射光束I_TF相重合的光路上。

本发明偏振光谱调制与解调过程：

1.经准直的入射光的偏振光谱为s_in＝(s₀，s₁，s₂，s₃)^T；

2.经过第一相位延迟器2后的偏振光谱为：

$s_{\mathrm{out}1}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)---\left(1\right)$

3.经过第二相位延迟器3后的偏振光谱为：

$s_{\mathrm{out}12}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)---\left(2\right)$

4.经过线偏振器4后的偏振光谱为：

$s_{\mathrm{out}123}=\left(\begin{array}{cccc}1/2& 1/2& 0& 0\\ 1/2& 1/2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)---\left(3\right)$

δ₁和δ₂分别是第一相位延迟器2和第二相位延迟器3的相位延迟量，它们都是波数σ的函数，由式(4)确定：

δ(σ)＝2πdΔnσ(4)

上式中，d为延迟器材料的厚度，Δn为寻常光和异常光的折射率之差。

5.将式(1)中的矩阵相乘得到：

$s_{\mathrm{out}}=1/2\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+s_2\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)-s_3\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ s_0+s_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+s_2\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)-s_3\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

由于探测器本身只对光强度信号有响应，而对偏振态无响应，探测器接收到的信号为透过线偏振器的光的全部强度，对应于输出斯托克斯向量的第一个元素。因此，探测器接收到的光强是波数的函数，如下式。

2I(σ)∝s₀+s₁cos(δ₂)+s₂sin(δ₁)sin(δ₂)-s₃cos(δ₁)sin(δ₂)(6)

上述等式描述了偏振光谱调制模块将随波数变化的全斯托克斯分量调制进光谱的机理。

经调制后的光束经过干涉以后得到的光强分布为：

2I(σ)∝(1+cos(δ_z))[s₀+s₁cos(δ₂)+s₂sin(δ₁)sin(δ₂)-s₃cos(δ₁)sin(δ₂)](7)

上式中δ_z＝2πΔzσ，为干涉仪产生的相位差，Δz为干涉仪产生的光程差。

对式(7)进行整理得到(式中去掉了与傅里叶变换无关的直流分量)：

$I(\mathrm{\σ},z)\∝$

$\frac{s_0}{2}\cos \left({\mathrm{\δ}}_z\right)+$

$\frac{s_1}{4}(\cos ({\mathrm{\δ}}_z+{\mathrm{\δ}}_2)+\cos ({\mathrm{\δ}}_z-{\mathrm{\δ}}_2))+$

$\frac{s_2}{8}[\cos ({\mathrm{\δ}}_z+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)+\cos ({\mathrm{\δ}}_z-{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)-\cos ({\mathrm{\δ}}_z+{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)-\cos ({\mathrm{\δ}}_z-{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)]+$

$\frac{s_3}{8}[\sin ({\mathrm{\δ}}_z+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)-\sin ({\mathrm{\δ}}_z-{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)-\sin ({\mathrm{\δ}}_z+{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)+\sin ({\mathrm{\δ}}_z-{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)]$

(7)

由式(7)可以直探测器接收到的强度包含有7个基于延迟器的不同的通道：0、±δ₂、±(δ₂+δ₁)和±(δ₂-δ₁)。如果两个探测器采用同样的材料，当第二相位延迟器3的厚度是第一相位延迟器2的两倍时，那么上述七个通道将会在干涉图的光程差上等间隔分开。将每个通道进行分离，经过逆傅里叶变换即可得到s₀(σ)、s₁(σ)、s₂(σ)和s₃(σ)。

本发明光的传输过程：

1、来自目标的光束经过前置光学系统15到达准直镜，准直镜1将目标光束转换成平行光束；平行光束投射到偏振光谱调制模块5上；

2、偏振光谱调制模块5将输入光的四个斯托克斯分量调制到光谱的不同波数上；

3、分束器6将经过调制的光分为反射光束I_F和透射光束I_T。其中：

3.1)分束器6分出的反射光束I_F：

a经转镜7反射到角反射体9，角反射体9把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜7；

b反射回转镜7的光又被转镜7反射到平面反射镜10上，平面反射镜10把入射光反射回到反射转镜7上；

c转镜7再次将光反射到角反射体9上，角反射体9再次将入射的光沿与入射光方向平行方向反射回转镜6；

d转镜7将光反射回分束器6；

e反射回分束器6的光再次被分为反射光束I_FF和透射光束I_FT。

3.2)被分束器6分出的透射光束I_T：

a被平面反射镜11沿入射方向返回分束器6；b反射回分束器6的光再次被分为反射光束I_TF和透射光束I_TT。

4、被分束器6分出的反射光束I_F再次被分束器6分出的透射光束I_FT，经过会聚透镜12，被位于会聚透镜12焦面上的探测器13接收。

5、被分束器6分出的透射光束I_T再次被分束器6分出的反射光束I_TF，经过会聚透镜12，被位于会聚透镜12焦面上的探测器13接收。

6、分束器6第一次分出的反射光束IF经转镜7、角反射器9和平面反射镜10的多次反射，再回到分束器6，通过会聚透镜12会聚到探测器13形成第一束光的光程；分束器6第一次分出的透射光束I_T，到达平面反射镜11后原路反射回到分束器6，通过会聚透镜12会聚到探测器13形成第二束光的光程；该两束光产生光程差，成为两束相干光，在探测器13上发生干涉。转镜7在电机8的带动下转动，光程差发生变化，探测器上可以得到不同光程差的干涉序列，形成干涉图。

7、干涉光谱图经计算机处理系统14进行滤波和傅里叶变换，得到复原的光谱偏振曲线。

Claims (9)

1.一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法，其特征在于：所述高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测方法包括以下步骤：

1)获取平行光束；

2)对步骤1)所得平行光束进行偏振光谱调制；

3)利用分束器将经偏振光谱调制的入射光分为反射光束I_F和透射光束I_T；反射光束I_F经第一反射系统后再回到分束器形成第一束光的光程；透射光束I_T经第二反射系统后再回到分束器形成第二束光的光程；

4)第一束光与第二束光产生光程差成为两束相干光，并形成干涉光谱图；

5)将步骤4)所得到的干涉光谱图进行偏振光谱解调和傅里叶变换，复原出偏振光谱信息。

2.一种高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统包括准直镜、偏振光谱调制模块、分束器、第一反射系统、第二反射系统、会聚透镜以及设置于会聚透镜焦面上的探测器；所述准直镜、偏振光谱调制模块和分束器依次设置于同一光轴上；所述第一反射系统设置于分束器的反射射光路上，经第一反射系统反射的反射光射入分束器形成第一束光；所述第二反射系统设置于分束器的透射光路上，经第二反射系统反射的反射光射入分束器形成第二束光；所述会聚透镜设置在第一束光与第二束光相重合的光路上。

3.根据权利要求2所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述偏振光谱调制模块包括第一相位延迟器、第二相位延迟器以及线偏振器；所述第一相位延迟器、第二相位延迟器以及线偏振器依次设置于准直镜和分束器之间，并与准直镜和分束器同处于同一光轴上。

4.根据权利要求3所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述第一相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面以及第二相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面分别与垂直于光轴；所述第一相位延迟器的快轴的方向与线偏振器的偏振方向一致；所述第二相位延迟器的快轴方向相对于第一相位延迟器的快轴方向逆时针旋转45°。

5.根据权利要求2或3或4所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述第一反射系统包括转镜、角反射体以及第一平面反射镜；所述转镜设置于分束器的反射光路上；所述角反射体以及第一平面反射镜依次设置于转镜的反射光路上。

6.根据权利要求5所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述第二反射系统包括第二平面反射镜；所述第二平面反射镜设置于分束器的透射光路上。

7.根据权利要求6所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述第一相位延迟器和第二相位延迟器均由单轴双折射晶体材料制成。

8.根据权利要求2所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述探测器是单元探测器或红外单元探测器。

9.根据权利要求5所述的高速转镜傅里叶变换光谱偏振探测系统，其特征在于：所述转镜由圆柱体的斜端面构成。

Images