CN104749788A - 一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器 - Google Patents

一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器 Download PDF

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刘德芳
孟鑫
史今赛
朱日宏
郭仁慧
沈华
马骏
陈磊
何勇
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Abstract

本发明公开了一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器，包括部分偏振分光棱镜、直角棱镜、第一相位延迟器、第二相位延迟器、第一Wollaston棱镜、第二Wollaston棱镜；部分偏振分光棱镜为立方体，直角棱镜的包含两条长直角边的面与部分偏振分光棱镜的侧面固定，重合的面形状和大小完全相同，部分偏振分光棱镜的胶合面与直角棱镜包含两条斜边的面平行；第二相位延迟器夹在直角棱镜和第二Wollaston棱镜之间，紧贴直角棱镜包含两条短直角边的面，第一相位延迟器夹在部分偏振分光棱镜和第一Wollaston棱镜之间，且紧贴第二相位延迟器。本发明系统结构紧凑轻小；单次测量便可获得探测目标全Stokes偏振信息图像。

Description

一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器
技术领域
本发明属于光学探测目标器件领域，具体涉及一种实现全斯托克斯(Stokes)偏振成像的分束器，用于瞬态偏振成像探测，能够实时获取目标场景四个Stokes参量对应的图像信息。用于像面干涉成像光谱仪的准直光路中，能同步引入四种偏振态信息，能够探测目标各点的光谱信息以及各谱段的偏振信息。
背景技术
偏振成像探测能够提供探测目标场景的光偏振态图像信息，可以反应探测目标表面形状、粗糙度和阴影等特性，在天文探测、军事侦察和遥感等领域具有重要的应用价值。偏振信息可以用四个Stokes偏振参量组成的Stokes矢量表示。基于穆勒矩阵运算的Stokes偏振成像系统是主要的偏振成像方法之一。通常Stokes偏振成像系统由Stokes偏振调制器件和成像系统组成，其中Stokes偏振调制器件是核心器件。
传统的偏振成像方法主要有分时Stokes偏振成像，通过依次获取多幅偏振态图像求解探测目标Stokes偏振态信息。该方法简单实用，能获取高空间分辨率图像信息，但是在探测时间内，必须保证探测目标和探测器之间保持固定不动。为实现实时探测，一些科研工作者提出了采用分振幅Stokes偏振成像和分焦面Stokes偏振成像的方法，其中传统的分振幅Stokes偏振成像系统包含多个成像系统和探测器，结构复杂体积大；分焦面Stokes偏振成像方法主要用于线偏振态探测，如要进行全Stokes偏振态探测，需要制作特殊的微型焦面偏振阵列，工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现全偏振成像的分束器作为Stokes偏振成像系统的偏振调制器件，可以用于瞬态偏振成像探测，能够实时获取目标场景四个Stokes参量对应的图像信息。也可以用于像面干涉成像光谱仪的准直光路中，能同步引入四种偏振态信息，能够探测目标各点的光谱信息以及各谱段的偏振信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器，由部分偏振分光棱镜、直角棱镜、第一相位延迟器、第二相位延迟器、第一沃拉斯顿（Wollaston）棱镜和第二Wollaston棱镜组成；其中部分偏振分光棱镜的胶合面透过80%的p波和20%的s波，反射20%的p波和80%的s波。部分偏振分光棱镜为立方体，直角棱镜的包含两条长直角边的面与部分偏振分光棱镜的侧面固定，重合的面形状和大小完全相同，部分偏振分光棱镜的胶合面与直角棱镜包含两条斜边的面平行；第二相位延迟器夹在直角棱镜和第二Wollaston棱镜之间，紧贴直角棱镜包含两条短直角边的面，直角棱镜和第二相位延迟器重合的面形状和大小完全相同。第一相位延迟器夹在部分偏振分光棱镜和第一Wollaston棱镜之间，且紧贴第二相位延迟器。第一相位延迟器为1/4波片，快轴与参考方向的夹角为θ=45°；第二相位延迟器为1/2波片，快轴与参考方向的夹角为θ=22.5°；第一相位延迟器和第二相位延迟器形状相同，大小相等，材料相同。第一Wollaston棱镜(5)和第二Wollaston棱镜(6)所用材料、尺寸和形状相同。第一Wollaston棱镜的胶合面包含第一Wollaston棱镜顶面和底面的对角线；第二Wollaston棱镜的胶合面包含顶面和底面各一条边。本同步全偏振分束器用于干涉成像光谱仪的准直光路中，一束光通过分束器后形成四束光束，每束光束对应不同的偏振态。
一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其光路走向如下：一束光进入部分偏振分光棱镜后透过80%的第一p波和20%的第一s波，反射20%的第二p波和80%的第二s波，第一p波和第一s波进入第一相位延迟器后相位改变90°进入第一Wollaston棱镜，最后经过后置成像系统在探测器上形成两个子图像；第二p波和第二s波在部分偏振分光棱镜中透射进入直角棱镜，经直角棱镜斜边面反射进入第二相位延迟器后相位改变180°进入第二Wollaston棱镜，最后经过后置成像系统在探测器上形成两个子图像。
将分束器放置在干涉成像光谱仪的准直光路中，最后在探测器上可以同时探测到四个子图像，即同时获取同一物点对应四个不同的偏振态光强信息，该方法能够同时探测目标的全Stokes偏振信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1、系统结构紧凑轻小；2、单次测量便可获得探测目标全Stokes偏振信息图像。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中Wollaston棱镜胶合方式示意图，其中（a）为第一Wollaston棱镜胶合方式示意图，（b）为第二Wollaston棱镜胶合方式示意图。
图3为本发明放置在Stokes偏振成像系统中的示意图。
图4为本发明应用于获取的四种偏振态的子图像模型。
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，本发明为一种实现全Stokes偏振成像的分束器，由部分偏振分光棱镜1、直角棱镜2、第一相位延迟器3、第二相位延迟器4、第一Wollaston棱镜5和第二Wollaston棱镜6组成；其中部分偏振分光棱镜1的胶合面透过80%的p波和20%的s波，反射20%的p波和80%的s波。部分偏振分光棱镜1为立方体，直角棱镜2的包含两条长直角边的面与部分偏振分光棱镜1的侧面固定，重合的面形状和大小完全相同，部分偏振分光棱镜1的胶合面与直角棱镜2包含两条斜边的面平行；第二相位延迟器4夹在直角棱镜2和第二Wollaston棱镜6之间，紧贴直角棱镜2包含两条短直角边的面，直角棱镜2和第二相位延迟器4重合的面形状和大小完全相同。第一相位延迟器3夹在部分偏振分光棱镜1和第一Wollaston棱镜5之间，且紧贴第二相位延迟器6。第一相位延迟器3为1/4波片，快轴与参考方向的夹角为θ=45°；第二相位延迟器4为1/2波片，快轴与参考方向的夹角为θ=22.5°；第一相位延迟器3和第二相位延迟器4形状相同，大小相等，材料相同。第一Wollaston棱镜5和第二Wollaston棱镜6所用材料、尺寸和形状相同。
参照图2，第一Wollaston棱镜5的胶合面包含第一Wollaston棱镜5顶面和底面的对角线；第二Wollaston棱镜6的胶合面包含顶面和底面各一条边。第一Wollaston棱镜5是由两块底面相同的方解石直角棱镜其光轴正交地横向胶合而成，第二Wollaston棱镜6是由两块相同矩形底面构成的方解石棱镜其光轴正交地纵向胶合而成。
参照图3，该装置放置在成像系统的准直光路中，可以同步引入四组偏振态信息。其中成像系统有前置准直系统、成像系统和成像探测器组成，其中前置准直系统用于将来自探测目标的光束进行准直，成像系统用于将经过全Stokes偏振成像的分束器调制的四束平行光束成像在其后焦面处的成像探测器上面。
参照图4，一束光进入部分偏振分光棱镜后透过80%的第一p波和20%的第一s波，反射20%的第二p波和80%的第二s波，第一p波和第一s波进入第一相位延迟器3后相位改变90°进入第一Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器上形成子图像1和子图像3；第二p波和第二s波在部分偏振分光棱镜中透射进入直角棱镜，经直角棱镜斜边面反射进入第二相位延迟器4后相位改变180°进入第二Wollaston棱镜6，最后经过后置成像系统在探测器上形成子图像2和子图像4。探测器获取的图像包含探测目标的四个子图像，子图像排布呈十字形。每个子图像对应一种偏振状态。
本发明应用于全Stokes偏振成像系统中获取偏振信息的步骤为：将本发明的分束器放置在全Stokes偏振成像系统的准直光路中，一束光进入部分偏振分光棱镜后透过80%的第一p波和20%的第一s波，反射20%的第二p波和80%的第二s波，第一p波和第一s波进入第一相位延迟器3后相位改变90°进入第一Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器上形成子图像1和子图像3；第二p波和第二s波在部分偏振分光棱镜1中透射进入直角棱镜2，经直角棱镜2斜边面反射进入第二相位延迟器4后相位改变180°进入第二Wollaston棱镜6，最后经过后置成像系统在探测器上形成子图像2和子图像4。最后在探测器上可以同时探测到四个子图像，即同时获取同一物点对应四个不同的偏振态光强信息，能够同时探测目标的全Stokes偏振信息。
准直光束通过分束器后形成四路光束，每路光束的偏振分析如下：
探测器只能探测到以上四个矩阵的第一行：
APath1=[0.25 0.15 0 -0.2]
APath2=[0.25 0.15 0 0.2]
APath3=[0.25 0.15 0.2 0]
APath4=[0.25 0.15 -0.2 0]
把上面四个矢量组成一个4×4的测量矩阵：
A = 0.25 0.15 0 - 0.2 0.25 0.15 0 0.2 0.25 0.15 0.2 0 0.25 0.15 - 0.2 0
矩阵A的逆矩阵为：
A - 1 = 1 1 1 1 1.6667 1.6667 - 1.6667 - 1.6667 0 0 2.5 - 2.5 - 0.25 2.5 0 0
令Stokes矢量为 S = s 0 s 1 s 2 s 3 , 探测器获取的光强为 I = i 0 i 1 i 2 i 3
则有A·S=I
因此，S=A-1·I。

Claims (6)

1.一种实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：包括部分偏振分光棱镜(1)、直角棱镜(2)、第一相位延迟器(3)、第二相位延迟器(4)、第一Wollaston棱镜(5)、第二Wollaston棱镜(6)；部分偏振分光棱镜(1)为立方体，直角棱镜(2)的包含两条长直角边的面与部分偏振分光棱镜(1)的侧面固定，重合的面形状和大小完全相同，部分偏振分光棱镜(1)的胶合面与直角棱镜(2)包含两条斜边的面平行；第二相位延迟器(4)夹在直角棱镜(2)和第二Wollaston棱镜(6)之间，紧贴直角棱镜(2)包含两条短直角边的面，第一相位延迟器(3)夹在部分偏振分光棱镜(1)和第一Wollaston棱镜(5)之间，且紧贴第二相位延迟器(4)。
2.根据权利要求1所述的实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：部分偏振分光棱镜(1)胶合面透过80%的p波和20%的s波，反射20%的p波和80%的s波。
3.根据权利要求1所述的实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：直角棱镜(2)和第二相位延迟器(4)重合的面形状和大小完全相同。
4.根据权利要求1所述的实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：第一相位延迟器(3)为1/4波片，快轴与参考方向的夹角为θ=45°；第二相位延迟器(4)为1/2波片，快轴与参考方向的夹角为θ=22.5°；第一相位延迟器(3)和第二相位延迟器(4)形状相同，大小相等，材料相同。
5.根据权利要求1所述的实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：第一Wollaston棱镜(5)和第二Wollaston棱镜(6)所用材料、尺寸和形状相同。
6.根据权利要求1所述的实现全斯托克斯偏振成像的分束器，其特征在于：第一Wollaston棱镜(5)的胶合面包含第一Wollaston棱镜(5)顶面和底面的对角线；第二Wollaston棱镜(6)的胶合面包含顶面和底面各一条边。
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