CN104483021A - 一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统及探测方法，可实现目标的高精度光谱偏振参数探测。利用波片、光劈调制器和线偏振片将偏振信息调制在与光谱色散方向相垂直的空间方向上，准直镜头将来自狭缝的光进行准直照射到光栅上，光栅对入射光进行分光，成像镜头将光谱偏振信息成像在面阵探测器上，其“空间维”用于偏振测量，“光谱维”用于光谱测量。本发明实现偏振信息获取与光谱信息获取相互独立，使得光谱测量和偏振测量同时优化。本发明解决了背景技术中光谱强度调制方法中偏振信息获取对光谱分辨率的依赖。

Description

一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及光谱偏振探测领域，具体是一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统及探测方法。

背景技术

光谱偏振探测可以获得目标偏振信息在光谱上的分布，目前在多个领域都有着广泛的应用，如植被、土壤、水体遥感，生物及医学诊断，天文观测等等。

依据不同的应用目标，光谱偏振测量系统可以分为以下几种类型：

时序调制方法。在单路光束中通过旋转偏振片，或者旋转二分之一波片(后置固定的偏振片)，或者采用可调延迟器器件来测量四个Stokes参量。

空间调制方法。采用分振幅或者是分孔径的方式，将入射光按分成至少四路，进而进行偏振解析探测获取四个Stokes参量。

在时序调制和空间调制方法中，光谱信息的获取都是通道式，无法获取连续光谱偏振信息，光谱信息相对单一，同时两种方法中四路光强的测量相互独立，系统差分效应非常敏感，在测量过程中会产生伪偏振信号，偏振测量精度低。

光谱强度调制方法。利用不同厚度的延迟器将测量的偏振信号调制成波长的函数，通过单次光谱强度测量即可以获取全部的偏振信息，对差分效应不敏感，可实现连续光谱测量其偏振测量精度高。但光谱强度调制方法中偏振信息解调以牺牲原有光谱仪的光谱分辨率为代价，因此偏振信息的光谱信息会损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统及探测方法，通过单次光谱强度测量既可获取探测目标的光谱偏振信息，采用新型的空间振幅偏振调制方法，解决现有技术中光谱强度调制方法中，偏振信息探测对于光谱信息的依赖，实现二者探测的相互独立，同时获取高精度偏振信息同时还具备比较高的光谱分辨率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：包括依次共中心轴设置的波片、光劈调制器、线偏振片、准直镜头、光栅、成像镜头、面阵探测器，波片、光劈调制器、线偏振片构成偏振信息调制模块，且波片与光劈调制器之间设置有狭缝；入射光束经过波片预调制后通过狭缝，再依次经过光劈调制器、线偏振片进行偏振信息调制后入射至准直镜头，准直镜头将入射光准直形成平行光后出射至光栅，光栅对入射的平行光进行分光，将入射的复色平行光离散成一定带宽的单色光，单色光经成像镜头成像至面阵探测器，由面阵探测器探测载有光谱偏振信息的图像。

所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述波片为四分之一波长消色差波片。

所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述光劈调制器材料为双折射晶体材料，优选石英晶体。

所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述光劈调制器的快轴方位与狭缝长度方向夹角理论上可以成任意角度，为了三角函数计算方便，一般情况下设置成45°和-45°。

所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：光劈调制器的结构形式可是为：快轴方位角相差90°，劈角相同但延迟量梯度方向相反的两块调制器胶合后形成的复合光劈调制器。

所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：线偏振片的快轴方向与狭缝成90°。

一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测方法，其特征在于：目标的入射光经过波片、狭缝、光劈调制器和偏振片，在进入准直镜头前实现偏振信息的调制，由于光劈调制器的调制方向与狭缝长度方向垂直，因此偏振信息的调制方向与色散方向相互垂直；

入射光的偏振斯托克斯参量为S_i＝(I_i Q_i U_i V_i)^τ，各偏振器件的米勒矩阵按光路顺序分别为波片：M_q、光劈调制器：M_w、偏振片：M_p，调制后的出射光偏振斯托克斯参量为S_o＝(I_o Q_o U_o V_o)^τ，有：

S_o＝M_p·M_w·M_q·S_i  (1)

在复合双折射光楔的情形下，调制器由两个楔角、材料完全一致的单光楔W₁及W₂组成的，类似于巴俾涅补偿器的工作原理，复合光楔的组合米勒矩阵看作是 $M_w=M_{w_2}\·M_{w_1};$

在理想情况下，各偏振器件的米勒矩阵可以写成：

$M_q=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)M_w=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos 2\mathrm{\Δ}& 0& -\sin 2\mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin 2\mathrm{\Δ}& 0& \cos 2\mathrm{\Δ}\end{array}\right)M_p=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中是单光楔的延迟梯度分布，随狭缝的相对位置x及波长λ而变化，ξ是楔角，|n_o-n_e|是双折射材料的折射率差，代入公式(1)可得到理想的像面强度分布为：

I_o(x,λ)＝0.5·[I_i+Q_i·cos2Δ(x,λ)+U_i·sin2Δ(x,λ)]  (3)

从公式(3)可以看到，在每个给定的光谱分辨间隔Δλ内，像面的强度是随着高度位置不同而呈现周期性变化的，通过解析这种周期性变化就可以得到入射光的斯托克斯参量I_i、Q_i、U_i。

本发明中，波片，为四分之一波长消色差波片，它主要用于光束的预调制。光劈调制器用于入射光束偏振信息的调制，实现线偏振测量和全偏振测量，其延迟量梯度方向与光栅色散方向相互垂直。线偏振片和光劈调制一起用于调制偏振信息的调制。狭缝作为光谱仪的入光口，其像就是光谱信息的表征。准直镜头将入射光进行准直形成平行光照射到光栅上。光栅对于入射平行光进行分光，将入射的复色光离散成一定带宽的单色光。成像镜头将分光后的单色光成像到面阵探测器上。探测器用于探测载有光谱偏振信息的图像。本发明系统可以应用于整个光谱辐射波段，其有效波段范围由各器件的响应波段共同决定。在可见光波段优选波段范围为0.45-0.75μm。

本发明利用波片、光劈调制器和线偏振片将偏振信息调制在与光谱色散方向相垂直的空间方向上，准直镜头将来自狭缝的光进行准直照射到光栅上，光栅对入射光进行分光，成像镜头将光谱偏振信息成像在面阵探测器上，其“空间维”用于偏振测量，“光谱维”用于光谱测量。本发明可实现偏振信息获取与光谱信息获取相互独立，使得光谱测量和偏振测量同时优化。本发明解决了现有技术中光谱强度调制方法中偏振信息获取对光谱分辨率的依赖的问题。

附图说明

图1为本发明探测系统示意图。

图2为本发明光劈调制器调制示意图。

图3为获取图像在偏振和无偏振情况下的表现形式，其中：

图3a为无偏振情况下的表现形式，图3b为偏振情况下的表现形式。

具体实施方式

参见图1所示，一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，包括依次共中心轴设置的波片1、光劈调制器3、线偏振片4、准直镜头5、光栅6、成像镜头7、面阵探测器8，9为光谱色散方向，10为偏振信息调制方向，波片1、光劈调制器3、线偏振片4相互靠近构成偏振信息调制模块，且波片1与光劈调制器3之间设置有狭缝2；入射光束经过波片1预调制后通过狭缝，再依次经过光劈调制器3、线偏振片4进行偏振信息调制后入射至准直镜头5，准直镜头5将入射光准直形成平行光后出射至光栅6，光栅6对入射的平行光进行分光，将入射的复色平行光离散成一定带宽的单色光，单色光经成像镜头7成像至面阵探测器8，由面阵探测器8探测载有光谱偏振信息的图像。

波片1为四分之一波长消色差波片。

光劈调制器3材料为双折射晶体材料，优选石英晶体。

光劈调制器3的快轴方位与狭缝长度方向夹角理论上可以成任意角度，为了三角函数计算方便，一般情况下设置成45°和-45°。

光劈调制器3的结构形式可是为：快轴方位角相差90°，劈角相同但延迟量梯度方向相反的两块调制器胶合后形成的复合光劈调制器。

线偏振片4的快轴方向与狭缝成90°。

一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测方法，目标的入射光经过波片、狭缝、光劈调制器和偏振片，在进入准直镜头前实现偏振信息的调制，由于光劈调制器的调制方向与狭缝长度方向垂直，因此偏振信息的调制方向与色散方向相互垂直；

入射光的偏振斯托克斯参量为S_i＝(I_i Q_i U_i V_i)^τ，各偏振器件的米勒矩阵按光路顺序分别为波片：M_q、光劈调制器：M_w、偏振片：M_p，调制后的出射光偏振斯托克斯参量为S_o＝(I_o Q_o U_o V_o)^τ，有：

S_o＝M_p·M_w·M_q·S_i  (1)

在复合双折射光楔的情形下，调制器由两个楔角、材料完全一致的单光楔W₁及W₂组成的，类似于巴俾涅补偿器的工作原理，复合光楔的组合米勒矩阵看作是 $M_w=M_{w_2}\·M_{w_1};$

在理想情况下，各偏振器件的米勒矩阵可以写成：

$M_q=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)M_w=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos 2\mathrm{\Δ}& 0& -\sin 2\mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin 2\mathrm{\Δ}& 0& \cos 2\mathrm{\Δ}\end{array}\right)M_p=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中是单光楔的延迟梯度分布，随狭缝的相对位置x及波长λ而变化，ξ是楔角，|n_o-n_e|是双折射材料的折射率差，代入公式(1)可得到理想的像面强度分布为：

I_o(x,λ)＝0.5·[I_i+Q_i·cos2Δ(x,λ)+U_i·sin2Δ(x,λ)]  (3)

从公式(3)可以看到，在每个给定的光谱分辨间隔Δλ内，像面的强度是随着高度位置不同而呈现周期性变化的，通过解析这种周期性变化就可以得到入射光的斯托克斯参量I_i、Q_i、U_i。

如图2所示。设定光劈的快轴与狭缝成45°，偏振片的快轴与狭缝方向一致。如果入射光的偏振方向与狭缝一致(Stokes参量中的Q＝1)，在光劈的顶部延迟量为零，偏振光无障碍的通过延迟器和分析器(偏振片)；沿着狭缝方向向下平移，到达延迟量为四分之一波长的点，入射偏振光经过延迟器转化为圆偏振，因此只有一半的能量通过分析器；继续平移，到达延迟量为二分之一波长的点，那么入射偏振态经过延迟器旋转90°，那么将没有光通过分析器；接着平移到达延迟量为一个波长，入射偏振光无障碍通过，这样就形成一个完整的调制周期。与传统光谱仪类似，经过调制的入射光通过准直镜头的平行光照射到光栅上，经过光栅分光以后，成像镜头将承载光谱偏振信息的图像成像到面阵探测器上。图3给出光源分别为非偏振光源和偏振光源条件下获取的光谱图像形式。

Claims (7)

1.一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：包括依次共中心轴设置的波片、光劈调制器、线偏振片、准直镜头、光栅、成像镜头、面阵探测器，波片、光劈调制器、线偏振片构成偏振信息调制模块，且波片与光劈调制器之间设置有狭缝；入射光束经过波片预调制后通过狭缝，再依次经过光劈调制器、线偏振片进行偏振信息调制后入射至准直镜头，准直镜头将入射光准直形成平行光后出射至光栅，光栅对入射的平行光进行分光，将入射的复色平行光离散成一定带宽的单色光，单色光经成像镜头成像至面阵探测器，由面阵探测器探测载有光谱偏振信息的图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述波片为四分之一波长消色差波片。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述光劈调制器材料为双折射晶体材料，优选石英晶体。

4.根据权利要求1所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：所述光劈调制器的快轴方位与狭缝长度方向夹角理论上可以成任意角度，为了三角函数计算方便，一般情况下设置成45°和-45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：光劈调制器的结构形式可为：快轴方位角相差90°，劈角相同但延迟量梯度方向相反的两块光劈调制器胶合后形成的复合光劈调制器。

6.根据权利要求1所述的一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测系统，其特征在于：线偏振片的快轴方向与狭缝成90°。

7.一种基于空间振幅调制的光谱偏振探测方法，其特征在于：目标的入射光经过波片、狭缝、光劈调制器和偏振片，在进入准直镜头前实现偏振信息的调制，由于光劈调制器的调制方向与狭缝长度方向垂直，因此偏振信息的调制方向与色散方向相互垂直；

入射光的偏振斯托克斯参量为S_i＝(I_i Q_i U_i V_i)^τ，各偏振器件的米勒矩阵按光路顺序分别为波片：M_q、光劈调制器：M_w、偏振片：M_p，调制后的出射光偏振斯托克斯参量为S_o＝(I_o Q_o U_o V_o)^τ，有：

S_o＝M_p·M_w·M_q·S_i   (1)

在复合双折射光楔的情形下，调制器由两个楔角、材料完全一致的单光楔W₁及W₂组成的，类似于巴俾涅补偿器的工作原理，复合光楔的组合米勒矩阵看作是 $M_w=M_{w_2}\·M_{w_1};$

在理想情况下，各偏振器件的米勒矩阵可以写成：

$M_q=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)M_w=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos 2\mathrm{\Δ}& 0& -\sin 2\mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin 2\mathrm{\Δ}& 0& \cos 2\mathrm{\Δ}\end{array}\right)M_p=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中是单光楔的延迟梯度分布，随狭缝的相对位置x及波长λ而变化，ξ是楔角，|n_o-n_e|是双折射材料的折射率差，代入公式(1)可得到理想的像面强度分布为：

I_o(x,λ)＝0.5·[I_i+Q_i·cos2Δ(x,λ)+U_i·sin2Δ(x,λ)]   (3)

从公式(3)可以看到，在每个给定的光谱偏振分辨间隔Δλ内，像面的强度是随着高度位置不同而呈现周期性变化的，通过解析这种周期性变化就可以得到入射光的斯托克斯参量I_i、Q_i、U_i。