CN102297722A - 一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪，包括准直透镜、渥拉斯顿棱镜、萨瓦尔偏光镜、线偏振器、成像透镜、面阵探测器、连接导线及计算机处理系统；其中目标发出的光经过该双通道差分偏振干涉成像光谱仪后，利用面阵探测器即可获得目标的平行分量和垂直分量的干涉图像；经连接导线输入计算机处理系统，分别对两幅干涉图进行傅里叶变换和图像融合处理，即可反演出目标的平行分量和垂直分量的光谱图像；两光谱图像之差即为目标的差分偏振光谱图像；两光谱图像之差与两光谱图像之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像。本发明具有结构简单紧凑、取样精确度高、稳定性好、无旋转部件、可获取目标的差分偏振光谱图像和线偏振度光谱图像的优点。

Description

一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪

技术领域

本发明属于光学图像处理仪器技术领域，尤其涉及一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪的结构。

背景技术

偏振和光谱信息是遥感领域的两种重要的信息，偏振可以提供目标的高对比度形貌信息，而光谱可以提供目标的属性信息。差分偏振成像光谱技术是一种同时获得目标的平行和垂直偏振分量的光谱图像的技术，两分量之差即为高对比度的差分偏振光谱图像，两分量之差与两分量之和的比值即为目标线偏振度。获取目标偏振和光谱信息的遥感仪器有许多种。中国专利(专利申请号为200710017517.1)的发明专利的申请文本公开了一种空间调制的偏振干涉成像光谱仪，系统采用共路光学系统，无移动部件，相对于时间调制的迈克尔逊干涉仪来说，具有稳定、超小型、实时性等优点，在空间遥感、目标识别、生物医学领域以及国防领域等诸方面都具有极其重要的应用价值，显示出越来越广阔的应用前景。但是由于该系统中的前置起偏器的偏振方向是固定的，所以只能获得起偏器方向偏振分量的光谱信息，而不能得到与之垂直的偏振分量的光谱信息，属于单通道偏振光谱仪。美国专利(专利号为：6,177,984B1)揭露了一种利用旋转偏振器来获取上皮组织正交偏振图像的技术；由于两图像是序列获取的，若目标是快速变化的，则两图像内容就会不同；而且旋转偏振器会引入扰动，不易校准；更重要的是，系统不能获得光谱信息。法国学者曾报道一种没有旋转部件的双通道差分偏振成像仪，可快速获取目标的平行和垂直分量的偏振图像，遗憾的是系统同样不能获取目标的光谱信息。

美国专利(专利号为：2002/0171831)公开了一种测量组织后向散射光谱的差分偏振光谱技术，系统采用两个线偏振器和双通道色散光谱仪组合，来同时获取其目标的正交偏振组分的光谱；但是系统不能获得目标的图像信息；而且色散光谱仪两个通道的响应阵列不同；光谱仪的通量受狭缝限制，探测灵敏度低；由于两偏振器正交放置在光谱仪前面，所以需要考虑色散元件的偏振效应。随后，美国学者提出采用旋转的偏振片和单通道色散光谱仪的组合来实现，但是系统同样不能获得图像信息；而且由于光谱信息是序列获取的，目标的快速变化会引起空间的错位，难以校准；另外，旋转的偏振片会引入扰动，难以精确定标。为了同时获得目标图像并避免色散光谱仪的限制，美国学者报道了一种利用旋转滤光轮与旋转偏振器的组合，来获取目标的偏振差分光谱图像，但是滤光轮的光谱通道数太少，不能充分刻画目标的散射光谱信息。为了增加光谱通道数，并减少旋转部件，美国学者提出采用液晶调谐滤波片代替旋转滤光轮；但液晶调谐滤光片的光学效率与光谱通道数成反比，且光谱范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、取样精确度高、稳定性好、无旋转部件、可获取目标的差分偏振光谱图像和线偏振度光谱图像的双通道差分偏振干涉成像光谱仪。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：本发明所提供的双通道差分偏振干涉成像光谱仪由沿入射光向依次设置的准直透镜、渥拉斯顿棱镜、萨瓦尔偏光镜、线偏振器、成像透镜、面阵探测器、连接导线及计算机处理系统组成。其中，由目标发出的光经准直透镜准直后，被渥拉斯顿棱镜在垂直于纸平面的方向内，角向剪切为振动方向正交的平行分量和垂直分量，这两个偏振分量接着被萨瓦尔偏光镜，分别横向剪切为两对振动方向正交的线偏振光；这两对线偏振光经线偏振器后，变成沿其偏振化方向的线偏振光；接着成像透镜将两对线偏振光分别会聚于其焦平面的面阵探测器两侧，产生目标的平行分量和垂直分量的干涉图像。

由于两幅干涉图在竖直方向的入射角相同，所以其相同空间点的光程差相同，利用时空混合窗扫技术，即可调制两幅干涉图像的光程差，从而得到目标的平行分量和垂直分量的完整序列干涉图像；利用计算机处理系统对干涉图像进行傅里叶变换和图像融合处理，即可得到目标的平行分量和垂直分量的光谱图像；两光谱图像之差即为差分偏振光谱图像；两光谱图像之差与两光谱图像之和的比值即为线偏振度光谱图像。

本发明中所述的目标的平行分量的于涉图像为：

I₁＝B_||(σ)[1+cos(2πσd·y/f)]/2                         (1)；

所述的目标的垂直分量的干涉图像为：

I₂＝B_⊥(σ)[1-cos(2πσd·y/f)」/2                        (2)；

其中B_||(σ)和B_⊥(σ)分别是入射光的平行分量和垂直分量的光谱图像，σ是入射光的波数，d是由萨瓦尔偏光镜产生的横向剪切量，y是面阵探测器在y轴方向的坐标位置，f是成像透镜的焦长。

对公式(1)和(2)分别作傅里叶变换和图像融合处理，即得到目标的平行分量和垂直分量的光谱图像B_||(σ)和B_⊥(σ)。

两光谱图像B_||(σ)和B_⊥(σ)之差即为差分偏振光谱图像；

I＝B_||(σ)-B_⊥(σ)                                        (3)。

两光谱图像B_||(σ)和B_⊥(σ)之差与两光谱图像B_||(σ)和B_⊥(σ)之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像：

$P=\frac{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)-B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)+B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}---\left(4\right).$

本发明具有以下有益效果；

本发明利用了两个偏振分束器：渥拉斯顿棱镜和萨瓦尔偏光镜，目的是同时获取目标的平行分量和垂直分量的干涉图像，进而反演出目标的差分偏振光谱图像和线偏振度图像。与单通道偏振成像光谱仪相比，增加了差分偏振光谱图像的获取能力；与双通道差分偏振成像仪相比，增加了光谱探测能力；与采用旋转部件的序列获取技术相比，不仅能避免目标的变化或大气抖动引起的图像变化，也可避免因部件的转动而引入的扰动噪声。本发明可从紫外到红外波段范围，获取目标的差分偏振光谱图像和线偏振度图像，能广泛应用于空间遥感、资源勘探、大气监测、土壤植被识别以及国防安全等应用领域、亦可应用于生物医学、材料学或微电子学等学科领域。

附图说明

图1是双通道差分偏振干涉成像光谱仪的光路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述，用以说明本发明的结构特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

请参照图1，本发明所述的一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪由沿入射光向依次设置的准直透镜2、渥拉斯顿棱镜3、萨瓦尔偏光镜4、线偏振器5、成像透镜6、面阵探测器7、连接导线8及计算机处理系统9组成：其中渥拉斯顿棱镜3和萨瓦尔偏光镜4的主截面成45°角；线偏振器5的偏振方向平行于渥拉斯顿棱镜3的主截面；面阵探测器7置于成像透镜6的焦平面上；面阵探测器7经由连接导线8与计算机处理系统9相连。

本发明所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪的工作原理为：由目标1发出的辐射光经准直透镜2准直后，被渥拉斯顿棱镜3在平行于x轴的方向上，角向剪切为振动方向正交的平行分量I和垂直分量II；其中平行分量I被萨瓦尔偏光镜4在平行于y轴的方向上，横向剪切为两束振幅相等的振动方向正交的线偏振光，经线偏振器5后变成沿其偏振化方向的两束线偏振光，成像透镜6将它们会聚于面阵探测器7的+x方向一侧，产生平行分量的干涉图像；而垂直分量II也被萨瓦尔偏光镜4在平行于y轴的方向上，横向剪切为两束振幅相等的振动方向正交的线偏振光，经线偏振器5后变成沿其偏振化方向的两束线偏振光，成像透镜6将它们会聚于面阵探测器7的-x方向一侧，产生垂直分量的干涉图像；两幅干涉图像的条纹方向均垂直于横向剪切方向即y轴；系统相对于目标在平行于y轴的方向上匀速平移，即可获得目标的平行分量和垂直分量的完整序列干涉图像；干涉图像经连接导线8，输入计算机处理系统9进行傅里叶变换和图像融合处理，便可获得目标的平行分量和垂直分量的光谱图像；两光谱强度之差即为差分偏振光谱图像；两光谱强度之差与两光谱强度之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像。

本发明中所述的目标的平行分量的干涉图像为：

I₁＝B_||(σ)[1+cos(2πσd·y/ff)]/2                (1)；

所述的目标垂直分量的干涉图像为：

I₂＝B_⊥(σ)[1-cos(2πσd·y/f)]/2                 (2)；

其中B_||(σ)和B_⊥(σ)分别是入射光的平行分量和垂直分量的光谱强度，σ是入射光的波数，d是由萨瓦尔偏光镜产生的横向剪切量，y是面阵探测器在y轴方向的坐标位置，f是成像透镜6的焦长。

对公式(1)和(2)分别作傅里叶逆变换，即得到目标的平行分量和垂直分量的光谱强度B_||(σ)和B_⊥(σ)。

两光谱强度B_||(σ)和B_⊥(σ)之差即为差分偏振光谱图像：

I＝B_||(σ)-B_⊥(σ)                            (3)。

两光谱强度B_||(σ)和B_⊥(σ)之差与两光谱强度B_||(σ)和B_⊥(σ)之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像：

$P=\frac{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)-B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)+B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}---\left(4\right).$

Claims (9)

1.一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：包括沿入射光方向依次设置的准直透镜(2)、渥拉斯顿棱镜(3)、萨瓦尔偏光镜(4)、线偏振器(5)、成像透镜(6)、面阵探测器(7)、连接导线(8)及计算机处理系统(9)；

其中目标(1)发出的光经准直透镜(2)准直后，被渥拉斯顿棱镜(3)在垂直于纸平面的方向内，角向剪切为振动方向正交的平行分量(I)和垂直分量(II)；其中平行分量(I)被萨瓦尔偏光镜(4)在纸平面内横向剪切为两束振幅相等、振动方向正交的线偏振光，经线偏振器(5)后变成沿其偏振化方向的两束线偏振光，成像透镜(6)将它们会聚于面阵探测器(7)的一侧，产生平行分量的干涉图像；而垂直分量(II)也被萨瓦尔偏光镜(4)在纸平面内横向剪切为两束振幅相等、振动方向正交的线偏振光，经线偏振器(5)后变成沿其偏振化方向的两束线偏振光，成像透镜(6)将它们会聚于面阵探测器(7)的另一侧，产生垂直分量的干涉图像；面阵探测器(7)同时获取目标的平行分量和垂直分量的干涉图像；利用时空混合窗扫技术即可获得目标的平行分量和垂直分量的完整序列干涉图像；经连接导线(8)输入计算机处理系统(9)进行傅里叶变换处理，便可得到目标的平行分量和垂直分量的光谱强度；利用图像融合算法即可得到目标的平行分量和垂直分量的光谱图像；两光谱图像之差即为目标的差分偏振光谱图像；两光谱图像之差与两光谱图像之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像。

2.根据权利要求1所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述渥拉斯顿棱镜(3)的主截面与萨瓦尔偏光镜(4)的主截面与成45°角。

3.根据权利要求1所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述线偏振器(5)的偏振方向与从渥拉斯顿棱镜(3)出射的平行分量(I)的偏振方向平行。

4.根据权利要求1所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述线偏振器(5)的偏振方向与从渥拉斯顿棱镜(3)出射的垂直分量(II)的偏振方向正交。

5.根据权利要求1所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述面阵探测器(7)放置于成像透镜(6)的焦平面上。

6.根据权利要求1所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述目标的平行分量的干涉图像由公式(1)表示：

I₁＝B_||(σ)[1+cos(2πσd·y/f)]/2        (1)；

所述获得的目标的垂直分量的干涉图像由公式(2)表示：

I₂＝B_⊥(σ)[1-cos(2πσd·y/f)]/2        (2)；

其中B_||(σ)和B_⊥(σ)分别是入射光的平行分量和垂直分量的光谱强度，σ是入射光的波数，d是由萨瓦尔偏光镜产生的横向剪切量，y是面阵探测器在y轴方向的坐标位置，f是成像透镜(6)的焦长。

7.根据权利要求6所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：根据公式(1)和(2)分别对目标的平行分量的干涉图像和目标的垂直分量的干涉图像进行傅里叶变换和图像融合处理，即得到目标的平行分量和垂直分量的光谱图像B_||(σ)和B_⊥(σ)。

8.根据权利要求7所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述目标的差分偏振光谱图像由公式(3)获得：

I＝B_||(σ)-B_⊥(σ)                    (3)；

其中I为目标的差分偏振光谱图像；B_||(σ)和B_⊥(σ)为目标的平行分量和垂直分量的光谱图像。

9.根据权利要求7所述的双通道差分偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述目标的线偏振度图像由公式(4)获得：

$P=\frac{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)-B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}{B_{\left|\right|}\left(\mathrm{\σ}\right)+B_{\⊥}\left(\mathrm{\σ}\right)}---\left(4\right);$

其中P为目标的线偏振度，B_||(σ)和B_⊥(σ)为目标的平行分量和垂直分量的光谱图像。