CN103063300B - 一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，由微相位延迟器阵列和偏振片组成，其中微相位延迟器阵列由第一晶体光栅和第二晶体光栅组成，第一晶体光栅与第二晶体光栅粘结且线槽方向相互垂直，第二晶体光栅与偏振片粘结且偏振片的通光轴与第一晶体光栅的快轴平行。本发明用于干涉成像光谱仪引入偏振信息简单方便，无需运动偏振器，各偏振态对应的干涉信息不存在理论上的混叠现象，可以提高干涉类成像光谱偏振技术的光谱分辨率和复原光谱准确度。

Description

一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列

技术领域

本发明属于光学探测目标器件领域，具体涉及一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，应用于干涉成像光谱仪中可以获取目标全Stokes偏振信息、光谱信息和二维图像信息。

背景技术

在目标探测过程中，由物体的光谱和偏振信息可以反演出目标的表面状态及物理、化学性质，甚至能有效地消除背景噪声，增强物体的可见性。由于目标的光谱和偏振辐射特性都具有明显反映目标特征的优势，因此融合光谱和偏振信息的成像探测技术能有效利用两者的互补性，显著提高目标在复杂背景环境中被有效识别的能力。由此发展起来的成像光谱偏振技术(Imaging Spectropolarimeter，ISP)，集合了照相机、光谱仪和偏振仪的功能，为目标探测与识别提供更加丰富的信息源，在军事侦察、灾害估计、资源调查等领域将发挥重要作用。

ISP技术在过去十几年间得到了快速发展，1999年Oka和Kato首次提出了多通道光谱偏振技术，实现了不同波数偏振信息的同时探测，提高了探测设备的稳固性。随后2004年美国重飞行器公司通过在色散型成像光谱装置准直光路前引入Oka相位延迟组件，对色散图像进行傅里叶变换，提取各个Stokes分量所对应的频谱，然后再进行逆傅里叶变换，即可得到全偏振光谱信息；安徽光机所的宋志平等人研究的基于GIS的IPS技术与其有异曲同工之妙。这两种方法都可以获得目标全Stokes偏振信息，但是都要经过两次傅里叶变换，处理过程较为复杂。2006年美国亚利桑那大学在层析成像光谱技术基础上引入Oka相位延迟组件，单次探测便可得到全部偏振信息和光谱信息，具有实时探测能力。但是数据处理过程复杂，且光谱分辨率较低。随后2010年亚利桑那大学的Kudenov和Julia等人将这一技术应用到像面干涉成像光谱技术中，具有高光通量，高目标分辨率的优点。但是探测窄带目标光谱时，采用多通道干涉成像光谱技术，各偏振态对应的干涉信息之间可能出现较为严重的混叠，会影响复原光谱精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，贴于干涉成像光谱仪的探测器靶面前方，同一个物点对应四个探测器象元，可以同时获取携带四组不同偏振信息的干涉图数据，从而实现光谱和偏振信息的同步获取。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列由微相位延迟器阵列和偏振片组成，其中微相位延迟器阵列由第一晶体光栅和第二晶体光栅组成，第一晶体光栅和第二晶体光栅是在双折射单轴晶体上采用光刻的方法制作而成，第一晶体光栅的线槽方向与其快轴方向沿逆时针所成的夹角为α角，第二晶体光栅的线槽方向与其快轴方向沿顺时针所成的夹角为β角；第一晶体光栅和第二晶体光栅槽顶的相位延迟量相等且槽底的相位延迟量也相等，第一晶体光栅和第二晶体光栅的槽顶的相位延迟量为第一晶体光栅和第二晶体光栅的槽底的相位延迟量为满足第一晶体光栅与第二晶体光栅粘结且线槽方向相互垂直，第二晶体光栅与偏振片粘结且偏振片的通光轴与第一晶体光栅的快轴平行；本阵列微相位延迟器阵列、偏振片和应用的干涉成像光谱仪的探测器靶面的面积相等，第一晶体光栅与第二晶体光栅的槽底和槽顶宽度与探测器象元宽度相同；该发明阵列中含有四种第一晶体光栅和第二晶体光栅的相位延迟量组合，为 每个相位延迟量组合构成一个偏振象元，每个偏振象元对已与应用的干涉成像光谱仪的探测器象元，且两者面积相同。

将微偏振调制阵列的偏振片贴于干涉成像光谱仪探测器靶面前方，每个偏振象元位置对应于干涉成像光谱仪探测器的一个象元，同一个物点对应四个不同的偏振象元，成像在对应的四个探测器象元上，可以同时获取一个物点的四个偏振态干涉光强信息，从而实现干涉和偏振信息的同步获取。该方法具有结构简单的优点，能够同时探测目标的全Stokes偏振信息。

本发明与现有技术相比，本发明为一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，贴于干涉成像光谱仪探测器靶面前方，将偏振调制阵列贴于干涉成像光谱仪探测器靶面前方，同一个物点对应四个不同的偏振象元，成像在对应的四个探测器象元上，可以同时获取一个物点的四个偏振态干涉光强信息，从而实现干涉和偏振信息的同步获取。采用该发明的干涉成像光谱偏振方法，优势在于：

1、具备干涉成像光谱偏振技术的优点：

1）探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制、方法简单实用。

2）具有高目标分辨率、高通量、多通道优点。

2、单次测量便可获得目标二维空间光强信息、各点光谱信息和全Stokes偏振信息。

3、各偏振态对应的干涉信息不存在理论上的混叠现象，可以提高干涉类成像光谱偏振技术的光谱分辨率和复原光谱准确度。

4、本发明用于干涉成像光谱仪引入偏振信息简单方便，无需运动偏振器件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的微相位延迟器件组成结构示意图，其中图2（a）为第一晶体光栅结构示意图，图2（b）为第二晶体光栅结构示意图。

图3为本发明中一个目标物点对应的四个偏振象元。

图4为本发明中微相位延迟器阵列应用于干涉成像光谱仪获取的偏振干涉图像及重新排列后获取的四种偏振态的子图像模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明为一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，该发明由微相位延迟器阵列1和偏振片2组成。其中微相位延迟器阵列1由第一晶体光栅3和第二晶体光栅4组成，第一晶体光栅3和第二晶体光栅4是在双折射单轴晶体上采用光刻的方法进行制作而成。第一晶体光栅3与第二晶体光栅4线槽方向相互垂直并前后粘结，第二晶体光栅4与偏振片2前后粘结且偏振片2的通光轴与第一晶体光栅3的快轴平行。

参照图2，第一晶体光栅3的快轴方向与其线槽方向与其沿逆时针所成的夹角为α角，第二晶体光栅4的快轴方向与线槽方向方向沿顺时针所成的夹角为β角，满足0°＜α＜90°、0°＜β＜90°且α≠β。第一晶体光栅3和第二晶体光栅4槽顶的相位延迟量相等且槽底的相位延迟量也相等，第一晶体光栅3和第二晶体光栅4的槽顶的相位延迟量为第一晶体光栅3和第二晶体光栅4的槽底的相位延迟量为满足

参照图3，同一个物点对应四个不同的偏振象元，成像在对应的四个探测器象元上，可以同时获取一个物点的四个偏振态干涉光强信息P₀、P₁、P₂、P₃，分别对应于第一晶体光栅3和第二晶体光栅4的不同相位延迟量组合 即P₀对应P₁对应P₂对应P₃对应从而实现干涉和偏振信息的同步获取。

参照图4，本发明中微相位延迟器阵列应用于干涉成像光谱仪获取的偏振干涉图像由一些列偏振单元组成，每个偏振单元包含四个偏振象元，每个子象元对应一种偏振态的干涉光强信息，分别为I₀，I₁，I₂，I₃。一个偏振单元的四个象元在空间上分开，不会发生混叠。可以应用于窄带光谱和宽带光谱探测。提取每个象元同一偏振态的干涉光强，可以获取四组干涉数据，对四组干涉数据进行傅里叶变换可以获取四组光谱信息，每组光谱信息对应一个Stokes分量方程，求解这四个方程可以获取各谱段的全Stokes分量。

本发明应用于干涉成像光谱仪获取偏振信息的步骤为：将微偏振调制阵列的偏振片2贴于干涉成像光谱仪探测器靶面前方，每个偏振象元位置对应于干涉成像光谱仪探测器的一个象元，同一个物点对应四个不同的偏振象元，成像在对应的四个探测器象元上，可以同时获取一个物点的四个偏振态干涉光强信息，I₀，I₁，I₂，I₃。提取同一偏振态下的光强信息组成该偏振态下的干涉信息，通过傅里叶变换求得该偏振态下的光谱信息。求的四个偏振态下光谱信息组成一个包含四个Stokes分量的方程组。通过求解方程组可以获取各波段的全Stokes偏振信息。以α＝0°、β＝45°、 为例，每个谱段的四个偏振态方程组为：

$S_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{S}_2-\frac{\sqrt{2}}{2}{S}_3=I_0,---\left(1\right)$

$S_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{S}_1+\frac{1}{2}{S}_2-\frac{1}{2}{S}_3=I_1,---\left(2\right)$

S₀+S₁＝I₂,    (3)

$S_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{S}_1-\frac{\sqrt{2}}{2}{S}_2=I_{4.}---\left(4\right)$

上式中，S₀,S₁,S₂,S₃为探测目标的Stokes偏振分量。通过求解上面四个方程组成的方程组可以求解全Stokes偏振分量。

Claims (3)

1.一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，其特征在于：由微相位延迟器阵列(1)和偏振片(2)组成，其中微相位延迟器阵列(1)由第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)组成，第一晶体光栅(3)的线槽方向与其快轴方向沿逆时针所成的夹角为α，第二晶体光栅(4)的线槽方向与其快轴方向沿顺时针所成的夹角为β；第一晶体光栅(3)与第二晶体光栅(4)粘结且线槽方向相互垂直，第二晶体光栅(4)与偏振片(2)粘结且偏振片(2)的通光轴与第一晶体光栅(3)的快轴平行；在探测谱段内，第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)为二阶阶梯状结构，阶梯底部为槽底，阶梯顶部为槽顶，第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)槽顶的相位延迟量相等且槽底的相位延迟量也相等，第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)的槽顶的相位延迟量为第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)的槽底的相位延迟量为满足

微相位延迟器阵列(1)、偏振片(2)和应用的干涉成像光谱仪的探测器靶面的面积相等，第一晶体光栅(3)与第二晶体光栅(4)的槽底和槽顶的宽度与探测器象元宽度相同。

2.根据权利要求1所述的一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，其特征是：第一晶体光栅(3)和第二晶体光栅(4)均为双折射单轴晶体。

3.根据权利要求1所述的一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，其特征是上述α角和β角满足0°＜α＜90°、0°＜β＜90°且α≠β。