CN104748854B - 基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法，包括分时偏振调制装置和无狭缝的Sagnac干涉成像光谱装置。其中，分时偏振调制装置由可旋转的相位延迟器和固定线偏振片组成；Sagnac干涉成像光谱装置由两个成像物镜、准直物镜、Sagnac剪切分束器和成像探测器组成。待测目标光束入射到分时偏振调制装置，产生四个不同的偏振态，再经过干涉成像光谱装置，在成像探测器靶面上得到四组携带不同偏振态信息和干涉信息的目标图像，经过数据处理，最终得到探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。本发明具有高光通量，高空间分辨率等优点。

Description

基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法

技术领域

本发明属于光学探测器件领域，具体涉及一种基于分时偏振调制的全斯托克斯(Stokes)干涉成像光谱装置及方法，可以获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。

背景技术

目标探测时，物体的光谱和偏振信息可反演出目标的表面状态及物理、化学性质，并可有效地消除背景噪声，增强物体的可见性。成像光谱偏振技术(ImagingSpectropolarimeter，ISP)集合了照相机、光谱仪和偏振仪的功能，可为我们提供场景的空间、光谱和偏振信息。ISP技术的出现有效地提高了目标的识别能力，并且已经应用于诸多领域，如军事侦察、环境监测、生物医学诊断等。

现有的ISP技术大多是在已有的成像光谱装置中加入偏振调制器件实现探测场景中光谱偏振信息的功能。其中基于干涉成像光谱技术的ISP技术在复原光谱信息方面具有多通道和高通量的优点，在红外谱段成像方面具有独特的优点。

目前，基于干涉成像光谱技术的ISP技术(FTISP)主要有以下几种：一种是基于多通道的干涉成像光谱偏振技术，将不同偏振态同时调制在干涉条纹中，单次探测便可以获取全Stokes偏振参量；当探测窄带光谱信号时，各偏振态对应的干涉条纹之间可能出现混叠，从而导致光谱复原精度降低。另一种方法是基于分孔径的干涉成像光谱偏振技术，采用孔径分割的方法，可同时引入四组偏振信息，但该方法的空间分辨率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分时偏振调制的全Stokes干涉成像光谱装置及方法，实现了目标场景的四维光信息的精确获取，包括二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置，包括同一光轴顺次设置的分时偏振调制装置和干涉成像光谱装置；其中分时偏振调制装置包括沿光路方向依次设置的可旋转相位延迟器和固定的线偏振片；干涉成像光谱装置包括沿光路方向依次设置的成像物镜、准直物镜、Sagnac剪切分束器，还包括共光轴设置的成像物镜和成像探测器，成像物镜和成像探测器所在的光轴与成像物镜、准直物镜及Sagnac剪切分束器所在的光轴垂直；来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统，通过分时偏振调制系统中的相位延迟器和线偏振片，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物镜和准直物镜，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器，Sagnac横向剪切分束器把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；经过Sagnac横向剪切分束器的出射光经过成像物镜，在成像物镜后焦面处的成像探测器的靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像光谱装置通过推扫获取该偏振态下的一组干涉图像。

上述分时偏振调制装置由一个可旋转的相位延迟器和一个固定线偏振片组成，线偏振片的透光轴与其所在光轴平行，且保持固定不变。

基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试方法，包括以下步骤：

第一步，旋转分时偏振调制系统中的相位延迟器，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ为-45°；

第二步，来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统，通过分时偏振调制系统中的相位延迟器和线偏振片，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物镜和准直物镜，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器，Sagnac横向剪切分束器把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；

第三步，经过Sagnac横向剪切分束器的出射光经过成像物镜，在成像物镜后焦面处的成像探测器的靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像光谱装置通过推扫获取该偏振态下的一组干涉图像；

第四步，依次旋转分时偏振调制系统中的相位延迟器，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ分别为0°，30°和60°，并依次重复第二步和第三步，得到四组不同偏振态下目标各点对应的干涉数据，即干涉光强I(Δ)；

第五步，对上述四组不同偏振态下目标各点对应的干涉光强I(Δ)进行傅里叶变换，从而得到目标各点对应的四组不同偏振态光谱，在各个复原谱段构建关于四个Stokes偏振参量的线性方程，通过求解可以获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。

第四步中，干涉光强I(Δ)：

上式中，Δ是光程差，σ₁～σ₂是测量光谱带宽，m₀～m₃是(θ,δ)的函数，该函数由线偏振片和相位延迟器的穆勒矩阵相乘得到，S₀(σ),S₁(σ),S₂(σ),S₃(σ)为目标在波数σ上的Stokes偏振信息。

第五步中，关于四个Stokes偏振参量的线性方程如下：

当波片的相位延迟角δ(σ)已知的情况下，可以通过选择至少四组不同θ角下的偏振干涉条纹构造每个波段的四个Stokes参数的线性方程，选取(-45°,0°,30°,60°)四组值，代入该线性方程，得到方程组如下：

上式中，B₀(σ),B₁(σ),B₂(σ),B₃(σ)为四组傅里叶变换复原光谱，满足 通过解上述方程，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。

上述第一步中，旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，其快轴方向与其所在光轴的夹角θ可为60°，对应的第四步中，依次旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ分别为30°，0°，和-45°，并依次重复第二步和第三步，得到四组不同偏振态下目标各点对应的干涉数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)系统无狭缝装置，具有高光通量和高空间分辨率的优点。

2)各偏振态对应的干涉条纹不存在空间上的混叠现象，可适用于窄波段和宽波段的偏振光谱探测。

附图说明

图1为本发明的光路原理图。

图2为本发明的测试流程图。

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，本发明为一种基于分时偏振调制的全Stokes干涉成像光谱装置及方法，其特征在于包括同一光轴顺次设置的分时偏振调制装置1和干涉成像光谱装置2；其中分时偏振调制装置1包括沿光路方向依次设置的可旋转相位延迟器11和固定的线偏振片12，并且线偏振片12的透光轴方向与其所在光轴平行；干涉成像光谱装置2包括沿光路方向依次设置的成像物镜21、准直物镜22、Sagnac横向剪切分束器23和成像物镜24。分时偏振调制装置置于Sagnac干涉成像光谱装置之前，用于调制偏振态，Sagnac干涉成像光谱装置用于产生干涉条纹。

一束来自目标各点的入射光进入分时偏振调制系统1，通过分时偏振调制系统1中的相位延迟器11和线偏振片12，形成一束携带偏振信息的光,并穿过成像物镜21和准直物镜22，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器23，Sagnac横向剪切分束器23把入射的准直光横向一分为二，从而引入光程差信息；经过Sagnac横向剪切分束器23的出射光经过成像物镜24，在成像物镜24后焦面处的成像探测器25靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像。入射光经过偏振调制装置出射的光束，其Stokes矢量可由穆勒矩阵表示为：

S_out=M_LP(0°)M_R(θ,δ(σ))S_in(S₀,S₁,S₂,S₃)^T, (1)

上式中，S_in(S₀,S₁,S₂,S₃)为入射光的Stokes矢量，是一组表示入射光的偏振态信息的参数，M_LP和M_R分别为线偏振片LP和相位延迟器R的穆勒矩阵，分别为：

通过旋转Sagnac横向剪切分束器或整个装置获取每个偏振态下一系列干涉图像，根据这些干涉图像，可以得到每个物点的干涉光强：

上式中，Δ是光程差，σ₁～σ₂是测量光谱带宽，m₀～m₃是(θ,δ)的函数，该函数由线偏振片12和相位延迟器11的穆勒矩阵相乘得到，S₀(σ),S₁(σ),S₂(σ),S₃(σ)为目标在波数σ上的Stokes偏振信息。当波片的相位延迟角δ(σ)已知的情况下，可以通过选择至少四组不同θ角下的偏振干涉条纹构造每个波段的四个Stokes参数的线性方程，选取(-45°,0°,30°,60°)四组值，代入该线性方程，得到方程组如下：

上式中，B₀(σ),B₁(σ),B₂(σ),B₃(σ)为四组傅里叶变换复原光谱，满足 通过解上述方程，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。

本发明可获得目标二维空间光强信息、各点光谱信息和各个谱段上的全Stokes偏振信息；采用无狭缝装置，具有高光通量和高空间分辨率的优点；各偏振态对应的干涉信息不存在空间混叠现象，可以提高光谱复原精度，可用于窄带或宽带光谱探测。

Claims (4)

1.一种基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试方法，所述基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置包括同一光轴顺次设置的分时偏振调制装置(1)和干涉成像光谱装置(2)；其中分时偏振调制装置(1)包括沿光路方向依次设置的可旋转相位延迟器(11)和固定的线偏振片(12)，线偏振片(12)的透光轴与其所在光轴平行，且保持固定不变；干涉成像光谱装置(2)包括沿光路方向依次设置的成像物镜(21)、准直物镜(22)、Sagnac剪切分束器(23)，还包括共光轴设置的成像物镜(24)和成像探测器(25)，成像物镜(24)和成像探测器(25)所在的光轴与成像物镜(21)、准直物镜(22)及Sagnac剪切分束器(23)所在的光轴垂直；其特征在于，包括以下步骤：

第一步，旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ为-45°；

第二步，来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统(1)，通过分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)和线偏振片(12)，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物镜(21)和准直物镜(22)，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器(23)，Sagnac横向剪切分束器(23)把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；

第三步，经过Sagnac横向剪切分束器(23)的出射光经过成像物镜(24)，在成像物镜(24)后焦面处的成像探测器(25)的靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像光谱装置通过推扫获取该偏振态下的一组干涉图像；

第四步，依次旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ分别为0°，30°和60°，并依次重复第二步和第三步，共得到四组不同偏振态下目标各点对应的干涉数据，即干涉光强I(Δ)；

第五步，对上述四组不同偏振态下目标各点对应的干涉光强I(Δ)进行傅里叶变换，从而得到目标各点对应的四组不同偏振态光谱，在各个复原谱段构建关于四个Stokes偏振参量的线性方程，通过求解可以获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。

2.根据权利要求1所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试方法，其特征在于：第四步中，干涉光强I(Δ)：

$\begin{array}{c}I\left(\mathrm{\Δ}\right)={\∫}_{{\mathrm{\σ}}_1}^{{\mathrm{\σ}}_2}\frac{1}{4}(1+\cos 2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}\mathrm{\Δ})\left(S_{out0}\right(\mathrm{\σ}\left)\right)d\mathrm{\σ}\\ ={\∫}_{{\mathrm{\σ}}_1}^{{\mathrm{\σ}}_2}\frac{1}{4}(1+\cos 2\mathrm{\π}\mathrm{\σ}\mathrm{\Δ})\frac{1}{2}\left(m_0{S}_0\right(\mathrm{\σ})+m_1{S}_1(\mathrm{\σ})+m_2{S}_2(\mathrm{\σ})+m_3{S}_3(\mathrm{\σ}\left)\right)d\mathrm{\σ},\end{array}$

上式中，Δ是光程差，σ₁～σ₂是测量光谱带宽，m₀～m₃是(θ,δ)的函数，该函数由线偏振片(12)和相位延迟器(11)的穆勒矩阵相乘得到，S₀(σ),S₁(σ),S₂(σ),S₃(σ)为目标在波数σ上的Stokes偏振信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试方法，其特征在于：第五步中，关于四个Stokes偏振参量的线性方程如下：

当波片的相位延迟角δ(σ)已知的情况下，可以通过选择至少四组不同θ角下的偏振干涉条纹构造每个波段的四个Stokes参数的线性方程，选取(-45°,0°,30°,60°)四组值，代入该线性方程，得到方程组如下：

S₀(σ)+S₃(σ)＝B₀(σ)

S₀(σ)+S₁(σ)＝B₁(σ)

$S_0\left(\mathrm{\σ}\right)+\frac{1}{4}{S}_1\left(\mathrm{\σ}\right)+\frac{\sqrt{3}}{4}{S}_2-\frac{\sqrt{3}}{2}{S}_3=B_2\left(\mathrm{\σ}\right)$

$S_0\left(\mathrm{\σ}\right)+\frac{1}{4}{S}_1\left(\mathrm{\σ}\right)-\frac{\sqrt{3}}{4}{S}_2-\frac{\sqrt{3}}{2}{S}_3=B_2\left(\mathrm{\σ}\right)$

上式中，B₀(σ),B₁(σ),B₂(σ),B₃(σ)为四组傅里叶变换复原光谱，满足通过解上述方程，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。

4.根据权利要求1所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试方法，其特征在于：

上述第一步中，旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ为60°，对应的第四步中，依次旋转分时偏振调制系统(1)中的相位延迟器(11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角θ分别为30°，0°，和-45°，并依次重复第二步和第三步，得到四组不同偏振态下目标各点对应的干涉数据。