CN103954360A - 一种基于偏振阵列的光谱偏振装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振阵列的光谱偏振装置及探测方法，沿入射光线的主光轴从左到右依次设有前置望远系统、延迟器阵列、偏振阵列、消色差半波片阵列、Wollaston棱镜、检偏器、成像镜组及数据接收系统CCD探测器。本发明通过偏振阵列对光进行四种不同状态的调制，再通过消色差半波片阵列及基于Wollaston棱镜的干涉仪来得到调制后的四个S₀谱，进而复原出入射光的四个Stokes矢量。本发明可以精确的得到入射光的光谱和四个Stokes矢量。同时通过偏振阵列对光谱及偏振信息进行空间调制，各通道位于不同的空间位置，不存在通道混叠的问题，复原光谱精度更高；同时由于各通道分别占有最大光程差，因此保持了仪器原有的光谱分辨率，较强度调制方法使复原光谱分辨率提高7倍。

Description

一种基于偏振阵列的光谱偏振装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种获取目标光谱和偏振态的装置及方法，具体涉及一种基于偏振阵列的光谱偏振装置及探测方法。

背景技术

Stokes矢量谱可以完整的描述目标的光谱及偏振信息，而光谱及偏振信息对于地球遥感探测有着重要的意义，光谱及偏振信息对地物识别、大气监测及物质性质检测方面均有重要作用。光谱偏振技术作为一种新型的光学探测方法，目前国际上只有少数科研机构开展相关研究工作。尤其是干涉光谱偏振仪(Interference Spectropolarimeter,ISP)，目前仍处于原理探索与实验验证阶段，其技术手段尚未成熟。

目前国际上常规偏振态(Stokes矢量谱)的测量方法有按时间顺序测量及按空间顺序测量等方法，这些方法均需要对目标进行多次测量，存在时间或空间失配问题，限制了其分辨率和偏振测量精度，同时难以做到实时测量，限制了其在偏振探测领域的应用。1999年Kazuhiko Oka等提出的强度调制测量Stokes矢量谱的方法可以通过单次测量获取探测目标的全偏振态信息，具有实时探测能力。然而该方法通过通道复用技术和频域滤波实现Stokes矢量的探测，数据处理过程较为复杂。同时，频域滤波使得最大光程差降低为原来的1/7，根据傅里叶变换光谱学原理，复原光谱分辨率会降低至原来的1/7，严重影响了复原光谱分辨率。在通道调制时，由于通道间存在频谱混叠，不可能通过滤波完全去除，导致复原Stokes矢量谱中存在不可消除的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于偏振阵列的光谱偏振探测装置及探测方法，该装置及方法通过偏振阵列对光谱及偏振信息进行空间调制，各通道位于不同的空间位置，不存在通道混叠的问题，同时各通道分别占有最大光程差，保持了仪器原有的光谱分辨率，从而可以在保持干涉型光谱仪原有分辨率的同时，通过单次测量来精确复原出Stokes矢量，解决了常规序列测量方法时间及空间失配的问题，可以实时测量快速变化的目标，同时克服了强度调制测量Stokes矢量谱的方法中复原光谱分辨率严重降低以及复原光谱存在误差的缺点。

为达到上述目的，本发明所述的基于偏振阵列的光谱偏振装置沿入射光线的主光轴从左到右依次设有前置望远系统、延迟器阵列、偏振阵列、消色差半波片阵列、Wollaston棱镜、检偏器、成像镜组及CCD探测器。

所述延迟器阵列包括第一高阶延迟器及第二高阶延迟器，设主光轴为Z轴，构建xyz坐标系，所述xyz坐标系满足右手定则，第一高阶延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二高阶延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为-45°；偏振片阵列包括第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片及第四偏振片，第一偏振片的透振方向、第二偏振片的透振方向、第三偏振片的透振方向及第四偏振片的透振方向与x轴正向的夹角分别为60°、30°、-30°及-60°；消色差半波片阵列包括第一消色差半波片、第二消色差半波片、第三消色差半波片及第四消色差半波片，所述第一消色差半波片的快轴方向、第二消色差半波片的快轴方向、第三消色差半波片的快轴方向及第四消色差半波片的快轴方向与x轴正向的夹角分别为52.5°、37.5°、7.5°及-7.5°，Wollaston棱镜的分束方向与x轴平行，检偏器的透振方向与x轴正向的夹角为45°，成像镜的物面位于Wollaston棱镜的后表面处，CCD探测器的感光面位于成像镜的像面处。

本发明所述的基于偏振阵列的光谱偏振探测方法包括以下步骤：

通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于CCD探测器只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此只考虑入射光的S₀分量调制情况，入射光经前置望远系统准直后变为平行光，平行光通过延迟器阵列及偏振阵列分解为四束调制状态不同的光，四束调制状态不同光的S₀分量分别为：

其中，为延迟器的相位延迟量，σ为入射光的波数，四束调制状态不同光分别经过第一消色差半波片、第二消色差半波片、第三消色差半波片及第四消色差半波片后其偏振方向与x轴正向的夹角均为45°，然后再经Wollaston棱镜、偏振片及成像镜后在CCD探测器的不同区域上分别得到调制谱的干涉图：

式中，为Wollaston棱镜产生的相位差，△为光程差，根据傅里叶变换光谱学分别对干涉图I₁、I₂、I₃、I₄进行傅里叶变换光谱复原，得及

入射光的全部Stokes参数通过及复原为：

$S_0\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{2}---\left(9\right)$

$S_2\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{\sqrt{3}}---\left(11\right)$

得入射光的全部Stokes矢量谱[S₀S₁S₂S₃]^T。

本发明具有以下有益效果及创新点：

本发明通过偏振阵列对光进行四种不同状态的调制，再通过消色差半波片阵列及基于Wollaston棱镜的干涉仪来得到调制后的四个S₀谱，进而复原出入射光的四个Stokes矢量，从而精确的得到入射光的光谱和四个Stokes矢量。同时通过偏振阵列对光谱及偏振信息进行空间调制，各通道位于不同的空间位置，不存在通道混叠的问题，较目前国际上提出的强度调制方法复原光谱精度更高；同时由于各通道分别占有最大光程差，因此保持了仪器原有的光谱分辨率，较强度调制方法使复原光谱分辨率提高7倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中延迟器阵列2的结构示意图；

图3为本发明中偏振片阵列3的结构示意图；

图4本发明中消色差半波片阵列4的结构示意图。

其中，1为望远系统、2为延迟器阵列、3为偏振片阵列、4为消色差半波片阵列、5为Wollaston棱镜、6为检偏器、7为成像镜、8为CCD探测器、21为第一高阶延迟器、22为第二高阶延迟器、31为第一偏振片、32为第二偏振片、33为第三偏振片、34为第四偏振片、41为第一消色差半波片、42为第二消色差半波片、43为第三消色差半波片、44为第四消色差半波片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2、图3及图4，本发明所述的基于偏振阵列的光谱偏振装置沿入射光线的主光轴从左到右依次设有前置望远系统1、延迟器阵列2、偏振阵列3、消色差半波片阵列4、Wollaston棱镜5、检偏器6、成像镜组7及CCD探测器8；

所述延迟器阵列2包括第一高阶延迟器21及第二高阶延迟器22，设主光轴为Z轴，构建xyz坐标系，所述xyz坐标系满足右手定则，第一高阶延迟器21的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二高阶延迟器22的快轴方向与x轴正向的夹角为-45°；偏振片阵列3包括第一偏振片31、第二偏振片32、第三偏振片33及第四偏振片34，第一偏振片31的透振方向、第二偏振片32的透振方向、第三偏振片33的透振方向及第四偏振片34的透振方向与x轴正向的夹角分别为60°、30°、-30°及-60°；消色差半波片阵列4包括第一消色差半波片41、第二消色差半波片42、第三消色差半波片43及第四消色差半波片44，所述第一消色差半波片41的快轴方向、第二消色差半波片42的快轴方向、第三消色差半波片43的快轴方向及第四消色差半波片44的快轴方向与x轴正向的夹角分别为52.5°、37.5°、7.5°及-7.5°，Wollaston棱镜5的分束方向与x轴平行，检偏器6的透振方向与x轴正向的夹角为45°，成像镜7的物面位于Wollaston棱镜5的后表面处，CCD探测器8的感光面位于成像镜7的像面处。

本发明所述的基于偏振阵列的光谱偏振探测方法包括以下步骤：

由偏振光学原理可知，延迟器的穆勒Muller矩阵为：

其中，θ为延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角，为延迟器的相位延迟量，d为延迟器厚度，B(σ)为常数B。

偏振器阵列的Mull er矩阵为：

$M_p\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& \cos 2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}& 0\\ \cos 2\mathrm{\θ}& {\cos }^{2}2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\cos 2\mathrm{\θ}& 0\\ \sin 2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\cos 2\mathrm{\θ}& {\sin }^{2}2\mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中θ为偏振器的透振方向与x轴正向夹角。

入射光经望远系统1准直、延迟器阵列2及偏振片阵列3调制后形成偏振状态不同的四束光，其中，任一束光的偏振态均由Stokes矢量表示为[S₀S₁S₂S₃]^T，任一束光的偏振态均为：

其中，θ₁为该光束对应延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角，为延迟器的相位延迟量，θ₂为该光束对应偏振片的透振方向与x轴正向的夹角。

通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于CCD探测器8只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此只考虑入射光的S₀分量调制情况，入射光经前置望远系统1准直后变为平行光，平行光通过延迟器阵列2及偏振阵列3分解为四束调制状态不同的光，四束调制状态不同光的S₀分量分别为：

四束调制状态不同光分别经过第一消色差半波片41、第二消色差半波片42、第三消色差半波片43及第四消色差半波片44后其偏振方向与x轴正向的夹角均为45°，然后再经Wollaston棱镜5、偏振片6及成像镜7后在CCD探测器8的不同区域上分别得到调制谱 的干涉图：

式中，为Wollaston棱镜5产生的相位差，△为光程差，根据傅里叶变换光谱学分别对干涉图I₁、I₂、I₃、I₄进行傅里叶变换光谱复原，得及

入射光的全部Stokes参数通过及复原为：

$S_0\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{2}---\left(9\right)$

$S_2\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{\sqrt{3}}---\left(11\right)$

得入射光的全部Stokes矢量谱[S₀S₁S₂S₃]^T。

Claims (2)

1.一种基于偏振阵列的光谱偏振装置，用于静态实时获取目标的光谱和全偏振信息，其特征在于，沿入射光线的主光轴从左到右依次设有前置望远系统(1)、延迟器阵列(2)、偏振阵列(3)、消色差半波片阵列(4)、Wollaston棱镜(5)、检偏器(6)、成像镜组(7)及CCD探测器(8)；

所述延迟器阵列(2)包括第一高阶延迟器(21)及第二高阶延迟器(22)，设主光轴为Z轴，构建xyz坐标系，所述xyz坐标系满足右手定则，第一高阶延迟器(21)的快轴方向与x轴正向的夹角为45°，第二高阶延迟器(22)的快轴方向与x轴正向的夹角为-45°；偏振片阵列(3)包括第一偏振片(31)、第二偏振片(32)、第三偏振片(33)及第四偏振片(34)，第一偏振片(31)的透振方向、第二偏振片(32)的透振方向、第三偏振片(33)的透振方向及第四偏振片(34)的透振方向与x轴正向的夹角分别为60°、30°、-30°及-60°；消色差半波片阵列(4)包括第一消色差半波片(41)、第二消色差半波片(42)、第三消色差半波片(43)及第四消色差半波片(44)，所述第一消色差半波片(41)的快轴方向、第二消色差半波片(42)的快轴方向、第三消色差半波片(43)的快轴方向及第四消色差半波片(44)的快轴方向与x轴正向的夹角分别为52.5°、37.5°、7.5°及-7.5°，Wollaston棱镜(5)的分束方向与x轴平行，检偏器(6)的透振方向与x轴正向的夹角为45°，成像镜(7)的物面位于Wollaston棱镜(5)的后表面处，CCD探测器(8)的感光面位于成像镜(7)的像面处。

2.一种基于偏振阵列的光谱偏振探测方法，可静态实时获取目标的光谱和全偏振信息，其特征在于，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤：

通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于CCD探测器(8)只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此只考虑入射光的S₀分量调制情况，入射光经前置望远系统(1)准直后变为平行光，平行光通过延迟器阵列(2)及偏振阵列(3)分解为四束调制状态不同的光，四束调制状态不同光的S₀分量分别为：

其中，为延迟器的相位延迟量，σ为入射光的波数，四束调制状态不同光分别经过第一消色差半波片(41)、第二消色差半波片(42)、第三消色差半波片(43)及第四消色差半波片(44)后其偏振方向与x轴正向的夹角均为45°，然后再经Wollaston棱镜(5)、偏振片(6)及成像镜(7)后在CCD探测器(8)的不同区域上分别得到调制谱 的干涉图：

式中，为Wollaston棱镜(5)产生的相位差，△为光程差，根据傅里叶变换光谱学分别对干涉图I₁、I₂、I₃、I₄进行傅里叶变换光谱复原，得及

入射光的全部Stokes参数通过及复原为：

$S_0\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{2}---\left(9\right)$

$S_2\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{S_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)+S_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(3\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)-S_0^{\left(4\right)}\left(\mathrm{\σ}\right)}{\sqrt{3}}---\left(11\right)$

得入射光的全部Stokes矢量谱[S₀S₁S₂S₃]^T。