CN103698014B - 快照式全偏振成像探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可实时获取二维空间偏振信息的快照式全偏振成像探测装置；由沿入射光向依次设置的前置光学镜组、全偏振调制模块、成像镜组、面阵探测器、数据采集处理系统组成。本发明由于采用了由三个渥拉斯顿棱镜构成的全偏振调制模块，快照一帧图像便可得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的全偏振信息，包括：0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量各自对应的二维空间图像，并且利用简单的代数算法进行处理便可得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图。本发明在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。
Description
【技术领域】
本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振辐射探测领域的偏振成像装置，特别涉及一种可实时获取二维空间目标全偏振信息的快照式全偏振成像探测装置。
【背景技术】
物体反射的电磁波中含有重要偏振遥感信息，不仅能用于去除背景噪声，提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息，还可以用于反演目标的尺寸、浓度等物理化学特性。偏振成像是一种同时获取目标空间和偏振信息先进遥感探测技术，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。虽然偏振成像技术是一项新型的前沿遥感探测技术，但其独特的遥感探测优势已引起国内外重要研究机构的重视。国外研究机构主要集中在美、日、欧等国家的重大工程项目依托单位、军方、大学等；国内研究机构目前主要有安徽光机所、西安光机所、西安交通大学、西北工业大学、南京理工大学、北京航空航天大学等等，已报道的偏振辐射探测技术各具特色。
全偏振成像探测的主要原理首先是探测各偏振分量（0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量）对应的二维图像（I0、I90、I±45、IL、IR），然后进行反演得到全Stokes参数的偏振图像（S0=I0+I90、S1=I0–I90、S2=I45–I-45、S3=IL–IR）。全偏振成像技术是由全偏振调制模块和成像模块融合而成，全偏振调制模块的工作方式决定着系统的工作特性。若按获取二维空间目标的全偏振信息的方式来分，可分为时序式和快照式偏振成像两大类。当前，大多数偏振成像技术都采用时序获取方式（如旋转元件型和电调谐元件型）获取二维场景的偏振图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振图像。根据矢量形式的双向反射分布函数，外场遥感探测中二维空间目标的偏振辐射分布具有时间门和方位角效应。因此时序获取技术的时间分辨率将受限，不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性会影响成像质量，需要精确的空间定位系统。
相比之下，发展快照式偏振成像技术则是大势所趋，它可以实时探测目标在特定时刻特定方位角的偏振光谱分布，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响。文献【1】曾报道了一种基于偏振立方体分束器和波片组合的快照式全偏振成像装置，该装置体积庞大，且偏振立方体分束器的消光比不高，难以实现偏振信息的精确编解码。最近，文献【2】曾报道了一种利用偏振片阵列和延迟器阵列组合的四分区方案实现全偏振信息的获取，但是偏振片阵列通常由为二向色性偏振片、线栅偏振片、极化偏振片等组成，消光比也相对较低。渥拉斯顿棱镜是一种具有比较流行的偏振分束器，它分开的两束光的消光比可达10-5，常被用于偏振探测领域。文献【3】曾报道了一种采用单渥拉斯顿棱镜的快照式线偏振成像仪，系统一次曝光只能获取0°和90°偏振分量对应的二维图像。文献【4】曾报道了一种基于双渥拉斯顿棱镜组合的一维图像快照获取装置，两渥拉斯顿棱镜的结构相反，由于利用一个成像镜进行成像，因此它需要采用前置狭缝限制偏振通道之间的混淆，后焦面上的面阵探测器一次曝光获可取0°、90°、±45°线偏振分量对应的一维图像（平行于狭缝长度方向）。为了获取全偏振信息，最近文献【5】报道了一种基于三渥拉斯顿棱镜组合的一维图像快照获取装置，主要是在文献【4】的装置中引入另一个渥拉斯顿棱镜和延迟器的组合，且三个渥拉斯顿棱镜的结构各不相同，一次曝光在成像镜后焦面上可获取0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量对应的一维图像（平行于狭缝长度方向）。对于上述两种装置，为了获取另一维相应偏振图像（垂直于狭缝长度方向），目标和系统之间需要相对移动，往往采用推扫模式获取数据，因此二维数据的不是同时得到的，难以真实反映特定时刻特定方位角下二维空间目标的偏振辐射分布信息。
参考文献
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【发明内容】
本发明的目的在于提供一种快照式全偏振成像测装置，其利用渥拉斯顿棱镜高消光比偏振分束的优势，后期数据处理简单、快捷，编解码精度高，减少反演计算时间，实现二维空间目标偏振辐射信息的实时视频监视，不存在时差和方位角变化引起的信息失配等问题，不受环境变化因素影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
快照式全偏振成像测装置，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组、全偏振调制模块、成像镜组、面阵探测器和数据采集处理系统组成；前置光学镜组由物镜、视场光阑、准直镜组成；全偏振调制模块由第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、第三渥拉斯顿棱镜和四分之一波片组成；第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和第三渥拉斯顿棱镜结构相同且以上中下方式并排放置；中部的第二渥拉斯顿棱镜中两个劈尖的光轴方向为±45o，上部的第一渥拉斯顿棱镜中两个劈尖和下部的第三渥拉斯顿棱镜中两个劈尖的光轴方向一致均为0°和90°，四分之一波片位于第三渥拉斯顿棱镜的前面，且四分之一波片的快轴方向与第三渥拉斯顿棱镜中两个劈尖的光轴方向之间的夹角均为45°；成像镜组由三个相同的成像镜采用上中下并排的方式放置；面阵探测器位于成像镜组的后焦面。
本发明进一步的改进在于：二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组、全偏振调制模块、成像镜组，最终到达面阵探测器，数据采集处理系统控制面阵探测器快照一帧图像，得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的全偏振信息，包括：0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量各自对应的二维空间图像，然后数据采集处理系统提取和处理该帧图像数据得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图。
本发明进一步的改进在于：前置光学镜组为望远物镜、显微物镜或者普通物镜。
本发明进一步的改进在于：第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和第三渥拉斯顿棱镜中相同形状的端面互相接触。
本发明进一步的改进在于：第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和第三渥拉斯顿棱镜中互相接触的相同形状的端面是劈尖的底面或者劈尖的分割面。
本发明进一步的改进在于：视场光阑置于准直镜的前焦面。
本发明进一步的改进在于：偏振调制模块中的第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、第三渥拉斯顿棱镜和四分之一波片对入瞳进行等分，将入射光中的0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量进行分束。
本发明进一步的改进在于：入射光中的0°和90°偏振分量首先被第一渥拉斯顿棱镜分束，接着被成像镜组中上部的成像镜会聚于面阵探测器上，形成0°偏振分量的二维图像和90°偏振分量的二维图像；入射光中的45°和–45°偏振分量首先被第二渥拉斯顿棱镜分束，接着被成像镜组中中部的成像镜会聚于面阵探测器上，形成45°偏振分量的二维图像和–45°偏振分量的二维图像；入射光中的左旋和右旋圆偏振分量首先被四分之一波片和第三渥拉斯顿棱镜分束，接着被成像镜组中下部的成像镜会聚于面阵探测器上，形成左旋圆偏振分量的二维图像和右旋圆偏振分量的二维图像。
本发明进一步的改进在于：所述0°偏振分量的二维图像、90°偏振分量的二维图像、45°偏振分量的二维图像、–45°偏振分量的二维图像、左旋圆偏振分量的二维图像和右旋圆偏振分量的二维图像位于面阵探测器上不同区域。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、快照二维空间目标的一帧图像，即可得到各目标元的偏振信息，同时保留各目标元的空间信息，时间分辨率高，避免了多次测量时因环境变化而带来的影响，二维空间数据关联有效，工作效率高。
2、没有狭缝损失，无需精确定位即可重建目标的精确位置。
3、数据重组处理简单明快，可在监视器上对目标进行实时监视。
本发明由于采用了由三个渥拉斯顿棱镜构成的全偏振调制模块，快照一帧图像便可得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的全偏振信息，包括：0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量各自对应的二维空间图像，并且利用简单的代数算法进行处理便可得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图。相对于采用时序获取技术无需旋转、调谐或步进装置及相关精密定位装置，具有时间分辨率高，适于动态或快变目标，可避免抖动噪声和环境变化影响等特点；相对于基于二向色性偏振片、极化偏振片、线栅偏振器、或立方体偏振分束器等的快照式偏振成像装置而言，该装置的单个偏振通道具有消光比，可有效提高偏振编解码的精确度。本发明在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。
【附图说明】
图1为本发明快照式全偏振成像探测装置。
图2a是图1中的三个渥拉斯顿棱镜及其两个劈尖的光轴方向和四分之一波片及其快慢轴方向，三个渥拉斯顿棱镜依次接触的相同形状的端面是劈尖的底面。
图2b是三个渥拉斯顿棱镜以图2a方式排列时，面阵探测器上全偏振分量的分布情况。
图3a是图1中的三个渥拉斯顿棱镜及其两个劈尖的光轴方向和四分之一波片及其快慢轴方向，三个渥拉斯顿棱镜依次接触的相同形状的端面是劈尖的分割面。
图3b是三个渥拉斯顿棱镜以图3a方式排列时，面阵探测器上全偏振分量的分布情况。
图中，100为前置光学镜组；200为全偏振调制模块；300为成像镜组；400为面阵探测器；500为数据采集处理系统；110为物镜；120为视场光阑；130为准直镜；210、220、230为三个结构相同的渥拉斯顿棱镜；240为四分之一波片；310、320、330为成像镜；211、212为渥拉斯顿棱镜210的两个光轴在其通光面上的投影方向；221、222为渥拉斯顿棱镜220的两个光轴在其通光面上的投影方向；231、232为渥拉斯顿棱镜230的两个光轴在其通光面上的投影方向；241、242为四分之一波片240的快慢轴在其通光面上的投影方向；410为面阵探测器400上的0°偏振分量的二维图像；420为面阵探测器400上的90°偏振分量的二维图像；430为面阵探测器400上的45°偏振分量的二维图像；440为面阵探测器400上的–45°偏振分量的二维图像；450为面阵探测器400上的左旋圆偏振分量的二维图像；460为面阵探测器400上的右旋圆偏振分量的二维图像。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种快照式全偏振成像测装置，包括由沿入射光向依次设置的前置光学镜组100、全偏振调制模块200、成像镜组300、面阵探测器400、数据采集处理系统500组成；前置光学镜组100由物镜110、视场光阑120、准直镜130组成；全偏振调制模块200由三个结构相同的渥拉斯顿棱镜210、220、230和一个四分之一波片240组成；三个渥拉斯顿棱镜210、220、230中相同形状的端面互相接触以上中下方式并排放置；渥拉斯顿棱镜220中两个劈尖的光轴方向分别为±45°，渥拉斯顿棱镜210中两个劈尖和渥拉斯顿棱镜230中两个劈尖的光轴方向一致均为0°和90°，四分之一波片240位于渥拉斯顿棱镜230的前面，且四分之一波片240的快慢轴方向与渥拉斯顿棱镜230中两个劈尖的光轴方向之间的夹角均为45°；成像镜组300由三个相同的成像镜310、320、330采用上中下并排的方式放置；面阵探测器位于成像镜组300的后焦面；二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组100、全偏振调制模块200、成像镜组300，最终到达面阵探测器400，数据采集处理系统500控制面阵探测器400快照一帧图像便可得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的全偏振信息包括：0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量各自对应的二维空间图像，然后数据采集处理系统提取和处理该帧图像数据即可得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图。
如图1，前置光学镜组100为望远物镜、显微物镜或者普通物镜。
如图2a和3a，三个渥拉斯顿棱镜210、220、230中互相接触的相同形状的端面是劈尖的底面或劈尖的分割面，渥拉斯顿棱镜210中两个劈尖的光轴方向分别为211和212，渥拉斯顿棱镜220中两个劈尖的光轴方向分别为221和222，渥拉斯顿棱镜230中两个劈尖的光轴方向分别为231和232，四分之一波片240的快慢轴方向分别为241和242。
如图2b和3b，三个渥拉斯顿棱镜210、220、230分别以图2a和3a方式排列时，面阵探测器400上全偏振分量的分布情况：0°偏振分量的二维图像410、90°偏振分量的二维图像420、45°偏振分量的二维图像430、–45°偏振分量的二维图像440、左旋圆偏振分量的二维图像450、及右旋圆偏振分量的二维图像460。
本发明所述的快照式全偏振成像测装置的工作原理为：二维空间目标发出的光依次进入前置光学镜组100中的物镜110形成中间像面于视场光阑120处，由于视场光阑置于准直镜130的前焦面，因此中间像面发出的光将被准直镜130准直后进入偏振调制模块200，偏振调制模块200中的三个渥拉斯顿棱镜210、220、230和四分之一波片240对入瞳进行等分，将入射光中的0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量进行分束；其中入射光中的0°和90°偏振分量首先被渥拉斯顿棱镜210分束，接着被成像镜组300中的成像镜310分别会聚于面阵探测器400上，形成0°偏振分量的二维图像410和90°偏振分量的二维图像420；入射光中的45°和–45°偏振分量首先被渥拉斯顿棱镜220分束，接着被成像镜组300中的成像镜320分别会聚于面阵探测器400上，形成45°偏振分量的二维图像430和–45°偏振分量的二维图像440；入射光中的左旋和右旋圆偏振分量首先被四分之一波片240和渥拉斯顿棱镜230分束，接着被成像镜组300中的成像镜330分别会聚于面阵探测器400上，形成左旋圆偏振分量的二维图像450和右旋圆偏振分量的二维图像460；视场光阑120被用于限制各偏振分量在面阵探测器400上的成像范围，一方面使各偏振分量能充分利用面阵探测器400的感光区域，另一方面防止各偏振分量之间的混淆；数据采集处理系统500控制面阵探测器400进行一次曝光，便可得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的各偏振分量的二维图像信息，然后数据采集处理系统500提取和处理该帧图像数据即可得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图：S0=410+420、S1=410–420、S2=430–440、S3=450–460。
Claims (7)
1.快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，由沿入射光向依次设置的前置光学镜组(100)、全偏振调制模块(200)、成像镜组(300)、面阵探测器(400)和数据采集处理系统(500)组成；前置光学镜组(100)由物镜(110)、视场光阑(120)、准直镜(130)组成；全偏振调制模块(200)由第一渥拉斯顿棱镜(210)、第二渥拉斯顿棱镜(220)、第三渥拉斯顿棱镜(230)和四分之一波片(240)组成；第一渥拉斯顿棱镜(210)、第二渥拉斯顿棱镜(220)和第三渥拉斯顿棱镜(230)结构相同且以上中下方式并排放置；中部的第二渥拉斯顿棱镜(220)中两个劈尖的光轴方向为±45°，上部的第一渥拉斯顿棱镜(210)中两个劈尖和下部的第三渥拉斯顿棱镜(230)中两个劈尖的光轴方向一致均为0°和90°，四分之一波片(240)位于第三渥拉斯顿棱镜(230)的前面，且四分之一波片(240)的快轴方向与第三渥拉斯顿棱镜(230)中两个劈尖的光轴方向之间的夹角均为45°；成像镜组(300)由三个相同的成像镜(310、320、330)采用上中下并排的方式放置；面阵探测器(400)位于成像镜组(300)的后焦面；
二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组(100)、全偏振调制模块(200)、成像镜组(300)，最终到达面阵探测器(400)，数据采集处理系统(500)控制面阵探测器(400)快照一帧图像，得到被测目标在某一时刻某一探测方位角的全偏振信息，包括：0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量各自对应的二维空间图像，然后数据采集处理系统(500)提取和处理该帧图像数据得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间图；
前置光学镜组(100)为望远物镜、显微物镜或者普通物镜。
2.根据权利要求1所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，第一渥拉斯顿棱镜(210)、第二渥拉斯顿棱镜(220)和第三渥拉斯顿棱镜(230)中相同形状的端面互相接触。
3.根据权利要求2所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，第一渥拉斯顿棱镜(210)、第二渥拉斯顿棱镜(220)和第三渥拉斯顿棱镜(230)中互相接触的相同形状的端面是劈尖的底面或者劈尖的分割面。
4.根据权利要求1所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，视场光阑(120)置于准直镜(130)的前焦面。
5.根据权利要求1所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，偏振调制模块(200)中的第一渥拉斯顿棱镜(210)、第二渥拉斯顿棱镜(220)、第三渥拉斯顿棱镜(230)和四分之一波片(240)对入瞳进行等分，将入射光中的0°、90°、±45°、左旋和右旋圆偏振分量进行分束。
6.根据权利要求5所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，入射光中的0°和90°偏振分量首先被第一渥拉斯顿棱镜(210)分束，接着被成像镜组(300)中上部的成像镜(310)会聚于面阵探测器(400)上，形成0°偏振分量的二维图像和90°偏振分量的二维图像；入射光中的45°和–45°偏振分量首先被第二渥拉斯顿棱镜(220)分束，接着被成像镜组(300)中中部的成像镜(320)会聚于面阵探测器(400)上，形成45°偏振分量的二维图像和–45°偏振分量的二维图像；入射光中的左旋和右旋圆偏振分量首先被四分之一波片(240)和第三渥拉斯顿棱镜(230)分束，接着被成像镜组(300)中下部的成像镜(330)会聚于面阵探测器(400)上，形成左旋圆偏振分量的二维图像和右旋圆偏振分量的二维图像。
7.根据权利要求6所述的快照式全偏振成像探测装置，其特征在于，所述0°偏振分量的二维图像、90°偏振分量的二维图像、45°偏振分量的二维图像、–45°偏振分量的二维图像、左旋圆偏振分量的二维图像和右旋圆偏振分量的二维图像位于面阵探测器(400)上不同区域。
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Granted publication date: 20151028 Termination date: 20191218 |
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