CN103822714B - 一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法属于快照式成像光谱技术领域；该光谱仪在传统成像光谱仪的基础上，在准直镜和微透镜阵列之间设置有偏振分光器一，增加了成像臂光路；在光谱臂光路上，通过设置偏振分光器二，将传统单光路结构改变为平衡光谱臂和非平衡光谱臂的双光路结构；该成像方法，利用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号，再经过去直流、切趾、相位校正和傅里叶变换处理，得到目标的图像和光谱信息；本发明不仅可以快速地捕捉运动目标的图像和光谱信息，而且可以大幅提高系统的空间分辨率和信噪比，有利于在精细测量领域中应用。

Description

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法

技术领域

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法属于快照式成像光谱技术领域。

背景技术

光谱仪是能获得输入光谱密度函数的仪器，在农业、天文、生物、化学、色度计量等领域有着广泛的应用。光谱仪原理主要分为两种：一种是以棱镜和光栅为色散元件的色散型光谱仪，可直接获取目标的光谱；另一种是以迈克尔逊干涉仪或其他光程差产生元件为核心的干涉型光谱仪，可直接获取目标的干涉强度分布，需要经过傅里叶变换才能获取目标光谱。

色散型光谱仪采用棱镜或光栅作为色散元件获取目标光谱，具有技术成熟、性能稳定等优点，但结构相对复杂，实现高空间分辨率或高光谱分辨率均需小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比。干涉型光谱仪利用双光束干涉的干涉图作傅里叶变换来获取光谱数据，具有光通量大、光谱分辨率高、自由光谱范围宽等优点。早期的干涉型光谱仪结构大多基于迈克尔逊干涉仪，在相同光谱分辨率下，光通量约为光栅型光谱仪的190倍。但其工作时，需精密、稳定的动镜扫描，因此无法对目标光谱信息进行实时探测，对应用环境和条件要求也比较苛刻。

随着光谱技术的发展，在生物检测、环境监测、军事侦察等领域，对光谱仪提出了快速实时地获取图像和光谱信息的要求。为此，国内外学者进行了大量的研究。在上世纪九十年代由日本学者Akiko Hirai等人发表的论文“Application of Multiple-Image FourierTransform Spectral Imaging to Measurement of Fast Phenomena，OPTICAL REVIEW Vol.1，No.2(1994)205-207”中首次提出一种基于透镜阵列的快照式成像光谱系统，可以捕捉处于30r/m转速物体的图像和光谱信息，但该系统体积比较庞大，抗干扰能力差。此后，美国亚利桑那大学的Michael W.Kudenov等人在发表的论文“Compact real-time birefringentimaging spectrometer，OPTICS EXPRESS17973/Vol.20，No.16/30July2012”中提出了一种基于微透镜阵列和诺马斯基棱镜的小型化的快照式成像光谱仪，可以快速捕捉运动物体的图像和光谱信息。

Michael W.Kudenov等人所公开的光谱仪包括成像镜、入射光阑、准直镜、微透镜阵列、起偏器、诺马斯基棱镜一、半波片、诺马斯基棱镜二、检偏器、光电探测器及信号处理部件，来自目标的光线经过成像镜汇聚在入射光阑上，再经过准直镜准直后到达微透镜阵列，光线经过微透镜阵列后射入起偏器，起偏变成线偏振光，偏振方向与x轴、y轴均成45°，该线偏振光在经过诺马斯基棱镜一时发生双折射，分成两束偏振方向分别沿x轴和y轴的线偏振光，这两束线偏振光经过半波片后，线偏振方向互换，之后经过诺马斯基棱镜二折射，最后经过检偏器，两束光将具有相同偏振方向，最后到达光电探测器及信号处理部件上并发生干涉。

若微透镜阵列的子透镜个数为M×N，则得到M×N个子图像，每个子图像具有相同的轮廓和不同的像素点灰度，由于每个子图像经过诺马斯基棱镜的位置不同，所以每个子图像相同位置的像素点的光程差不同，取每个子图像上相同位置点的灰度值作为一个数列并作傅里叶变换，即可得到该像素点的光谱信息，同理可以得到子图像上所有像素点的光谱信息，由此该系统完成了在光电探测器一次积分时间内，获取含有目标图像和光谱信息的“数据立方体”。

但是该系统中，由于该系统将原图像分成M×N个子图像，故其最终获得的目标图像空间分辨率很低，无法应用于要求高空间分辨率的场合；除此之外，目标光源经过起偏器和检偏器，故其理想的光学效率仅为25%，造成系统的信噪比很低，无法满足精细测量的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪与成像方法，同现有技术相比，本发明不仅可以快速地捕捉运动目标的图像和光谱信息，而且可以大幅提高系统的空间分辨率和信噪比，有利于在精细测量领域中应用。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪，沿光线传播方向依次设置成像镜、入射光阑、准直镜、微透镜阵列，还包括设置在准直镜和微透镜阵列之间的偏振分光器一、成像臂成像镜和成像臂光电探测器及信号处理部件；设置在微透镜阵列后面的光谱臂半波片一、光谱臂诺马斯基棱镜一、光谱臂半波片二、光谱臂诺马斯基棱镜二、光谱臂半波片三、偏振分光器二、平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件和非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件；

来自目标物的光线经过成像镜汇聚在入射光阑上，再经过准直镜到达偏振分光器一，经偏振分光器一后的反射光线经过成像臂成像镜成像到成像臂光电探测器及信号处理部件；经偏振分光器一后的透射光线到达微透镜阵列，再依次经过光谱臂半波片一、光谱臂诺马斯基棱镜一、光谱臂半波片二、光谱臂诺马斯基棱镜二、光谱臂半波片三、到达偏振分光器二，经偏振分光器二后的透射光线在平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件表面发生干涉；经偏振分光器二后的反射光线在非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件表面发生干涉。

一种基于上述差分快照式成像光谱仪的成像方法，用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号，再经过去直流、切趾、相位校正和傅里叶变换处理，得到目标的图像和光谱信息。

本发明与现有技术的不同在于，在成像光谱仪的结构上，第一、在准直镜和微透镜阵列之间设置有偏振分光器一，增加了成像臂光路；第二、在光谱臂光路上，通过设置偏振分光器二，将传统单光路结构改变为平衡光谱臂和非平衡光谱臂的双光路结构；在成像方法上，利用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号；以上不同所具有的有益效果在于：第一、在成像臂获得高空间分辨率的RGB彩色图像，再结合光谱臂得到的低空间分辨率、高光谱分辨率图像，最后获得高空间分辨率、高光谱分辨率图像，大幅提高系统的空间分辨率；第二、利用平衡光谱臂干涉图和非平衡光谱臂干涉图之差作为总的干涉图，在理论上不仅可以减少系统的共模误差，而且可以减少系统50%的光学损失，使系统的理论光学效率从25%上升到50%，大幅提高系统的信噪比，使本发明有利于在精细测量领域中应用。

附图说明

图1是本发明基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪的结构示意图。

图2是系统光谱臂光程差产生部分示意图。

图3是光程差的分布示意图。

图4是微透镜阵列、平衡光谱臂部分轴测图。

图5是平衡光谱臂光电探测器上子图像的光程差分布示意图。

图6是平衡光谱臂得到的干涉图立方体示意图。

图7是单个菲涅耳波带片结构示意图。

图8是4×4菲涅耳波带片阵列示意图。

图中：1成像镜、2入射光阑、3准直镜、4微透镜阵列、51偏振分光器一、52成像臂成像镜、53成像臂光电探测器及信号处理部件；61光谱臂半波片一、62光谱臂诺马斯基棱镜一、63光谱臂半波片二、64光谱臂诺马斯基棱镜二、65光谱臂半波片三、71偏振分光器二、72平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件、73非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪的结构示意图如图1所示。该光谱仪包括成像镜1；入射光阑2；准直镜3；偏振分光器一51；成像臂成像镜52和成像臂光电探测器及信号处理部件53；微透镜阵列4；光谱臂半波片一61；光谱臂诺马斯基棱镜一62；光谱臂半波片二63；光谱臂诺马斯基棱镜二64；光谱臂半波片三65；偏振分光器二71；平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件72和非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件73；

来自目标物的光线经过成像镜1汇聚在入射光阑2上，再经过准直镜3到达偏振分光器一51，在入射到偏振分光器一51之前的光线为自然光，自然光经过偏振分光器一51后p分量继续沿原来的传播方向，称之为光谱臂光线，光线的s分量在偏振分光器一51的胶合面上发生反射，称之为成像臂光线。成像臂光线反射后经过成像臂成像镜52，最终射入成像臂光电探测器及信号处理部件53，获得目标物的高空间分辨率RGB彩色图像。

光谱臂光线离开偏振分光器一51后经过微透镜阵列4到达光谱臂半波片一61，光谱臂半波片一61的快轴位于xoy平面上，与x轴成22.5°，光谱臂光线经过光谱臂半波片一61后偏振方向由沿x轴方向变为与x轴和y轴均成45°，此后光线进入光谱臂诺马斯基棱镜一62的第一片光楔后分成p偏振光和s偏振光，根据图2所示光谱臂诺马斯基棱镜一62的第一片光楔的光轴方向可以判断p偏振光为寻常光o光，s偏振光为非寻常光e光。光线经过光谱臂诺马斯基棱镜一62的胶合面后，根据光谱臂诺马斯基棱镜一62的第二片光楔的光轴方向，可以判断p偏振光为e光，s偏振光为o光。两束线偏振光继续向前传播穿过光谱臂半波片二63，光谱臂半波片二63的快轴位于xoy平面内，与x轴和y轴均成45°，光谱臂半波片二63使光谱臂光线的p偏振光分量和s偏振光分量分别以z轴为轴心顺时针和逆时针旋转90°，即p偏振光变为s偏振光，s偏振光变为p偏振光。两束偏振光继续向前传播进入光谱臂诺马斯基棱镜二64的第一片光楔，根据图2所示的光谱臂诺马斯基棱镜二64第一片光楔的光轴方向，可以判断p偏振光为o光，s偏振光为e光。光线经过光谱臂诺马斯基棱镜二64的胶合面后，根据光谱臂诺马斯基棱镜二64的第二片光楔的光轴方向，可以判断p偏振光为e光，s偏振光为o光。由于本实施例中使用的诺马斯基棱镜均为方解石材料，其寻常光折射率n_o和非寻常光折射率n_e大小不同，而两束偏振光作为o光和e光走过的距离不同，故两束偏振光之间产生了一个光程差。此后两束偏振光射入光谱臂半波片三65，光谱臂半波片三65的快轴位于xoy平面内，与x轴成22.5°，光线经过光谱臂半波片三65后偏振方向发生偏转，由分别沿x轴和y轴方向，变为分别与y轴成45°和135°，此后，光线射入偏振分光器二71，两束线偏振光分别被分成沿x轴的p分量和沿y轴的s分量，其中两光线的p分量继续沿原来的传播方向，最终在平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件72处发生干涉，两光线的s分量在偏振分光器二71的胶合面处发生反射，最终在非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件73发生干涉。

假设光谱臂光线为单色光，波数为σ，其在经过光谱臂诺马斯基棱镜二64之后，某一点光谱臂光线的p分量和s分量之间存在光程差Δ，也即此时光谱臂光线的琼斯矢量为：

$A=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ e^{-i2\mathrm{\π\σ\Δ}}\end{array}\right]$

光谱臂半波片三65的琼斯矩阵为：

$G=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right]$

偏振分光器二71的平衡光谱臂路和非平衡光谱臂路的琼斯矩阵分别为：

$P_1=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

$P_2=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$

最终平衡光谱臂和非平衡光谱臂光线的琼斯矢量为：

$C_1=P_1\·G\·A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}1+\cos \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)-i\sin \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)\\ 0\end{array}\right]$

$C_2=P_2\·G\·A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}0\\ \begin{array}{}\end{array}1-\cos \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)-i\sin \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)\end{array}\right]$

若再考虑因使用光线琼斯矢量而忽略的光谱臂光线光强B_σ，则两臂干涉光强为：

$I_1=\frac{1}{2}{B}_{\mathrm{\σ}}[1+\cos \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)]$

$I_2=\frac{1}{2}{B}_{\mathrm{\σ}}[1-\cos \left(2\mathrm{\π\σ\Δ}\right)]$

用平衡光谱臂干涉光强减非平衡光谱臂干涉光强得到最终干涉光强：

I(Δ)=I₁-I₂=B_σcos(2πσΔ)

将光谱臂光线由单色光拓展到复色光，则有：

$I\left(\mathrm{\Δ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}B\left(\mathrm{\σ}\right)e^{2\mathrm{\π\σ\Δ}}\mathrm{d\σ}$

上式可化为：

$B\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I\left(\mathrm{\Δ}\right)e^{-2\mathrm{\π\σ\Δ}}\mathrm{d\Δ}$

即光谱臂光线谱密度函数B(σ)是干涉光强I(Δ)的傅里叶变换。

由于本实施例中使用的诺马斯基棱镜为两片光轴方向不同的方解石光楔胶合而成，故若光谱臂光线穿过诺马斯基棱镜的位置不同，则o光和e光走过的距离不同，最后两束干涉光之间的光程差不同，光线穿过位置与光程差大小之间的关系如图3所示，图3中的x’轴沿着棱镜光楔厚度变化最快的方向。

本实施例的平衡光谱臂部分的轴测图如图4所示，其中光谱臂半波片一61、光谱臂诺马斯基棱镜一62、光谱臂半波片二63、光谱臂诺马斯基棱镜二64、光谱臂半波片三65五个部件整体以z轴为中心轴旋转一个很小的角度δ。平衡光谱臂光电探测器上子图像的光程差分布如图5所示，将子图像按图5中的标号从小到大排列起来，得到如图6所示的干涉图立方，其中x_i和y_i是每幅子图像的局部坐标系。微透镜阵列的个数记为M×N，其中M和N分别为沿x轴和y轴方向的透镜个数。控制旋转角度则可得到每子图像上相同位置点光程差成等差数列。

同理非平衡光谱臂部分也可以获得一组相同位置点光程差成等差数列的子图像，则平衡光谱臂图像与非平衡光谱臂图像对应点相减后得到的最终干涉图像也为一组相同位置点光程差成等差数列的子图像。取每个子图像上相同位置点的灰度构成一个数组，该数组即为干涉光强I(Δ)，对I(Δ)进行傅里叶变换即可得到该点的谱密度函数B(σ)。如此取遍子图像上所有像素点的灰度构成数组并作傅里叶变换即可得到子图像上所有像素点的谱密度函数。

本实施例的成像臂获得一张目标物高空间分辨率的RGB彩色图像，光谱臂获得一个目标物的低空间分辨率图像和图像上每个像素点谱密度函数的“数据立方体”。将两臂的图像配准，并使用光谱臂得到的谱密度函数对成像臂获得的RGB图像进行插值，得到高空间分辨率图像上每个像素点的谱密度函数，最终获得一个目标物的高空间分辨率图像和图像上每个像素点谱密度函数的“数据立方体”。

具体实施例二

本实施例与具体实施例一的不同在于，所述微透镜阵列4变为微菲涅耳波带片阵列，其中，单个菲涅耳波带片结构如图7所示，4×4菲涅耳波带片阵列如图8所示。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪，沿光线传播方向依次设置成像镜(1)、入射光阑(2)、准直镜(3)、微透镜阵列(4)，其特征在于：还包括设置在准直镜(3)和微透镜阵列(4)之间的偏振分光器一(51)、成像臂成像镜(52)和成像臂光电探测器及信号处理部件(53)；设置在微透镜阵列(4)后面的光谱臂半波片一(61)、光谱臂诺马斯基棱镜一(62)、光谱臂半波片二(63)、光谱臂诺马斯基棱镜二(64)、光谱臂半波片三(65)、偏振分光器二(71)、平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)和非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)；

来自目标物的光线经过成像镜(1)汇聚在入射光阑(2)上，再经过准直镜(3)到达偏振分光器一(51)，经偏振分光器一(51)后的反射光线经过成像臂成像镜(52)成像到成像臂光电探测器及信号处理部件(53)；经偏振分光器一(51)后的透射光线到达微透镜阵列(4)，再依次经过光谱臂半波片一(61)、光谱臂诺马斯基棱镜一(62)、光谱臂半波片二(63)、光谱臂诺马斯基棱镜二(64)、光谱臂半波片三(65)、到达偏振分光器二(71)，经偏振分光器二(71)后的透射光线在平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)表面发生干涉；经偏振分光器二(71)后的反射光线在非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)表面发生干涉。

2.一种在权利要求1所述的基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像光谱仪上实现的高空间分辨率快照式成像方法，其特征在于：用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)得到的干涉信号，再经过去直流、切趾、相位校正和傅里叶变换处理，得到目标的图像和光谱信息。