CN104792415A - 一种完全偏振高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完全偏振高光谱成像装置，该装置包括：依次设置于同一光路上的前置镜系统、狭缝阵列、分光器件、成像镜、线性偏振片阵列与探测器；其中，入射光射入前置镜系统的一次像面上，通过的平行光经过狭缝阵列分光束传输到分光器件上，经过分光器件对光学色散的能力，不同狭缝的入射光转变成不同波段的光谱色散光，再传输到成像面上，最终通过线性偏振片阵列实现探测器的成像。本发明提供的装置，其加工装调简单、稳定性高、能量利用率高、成像质量好、分辨率高、结构紧凑、体积小，生产成本低。

Description

一种完全偏振高光谱成像装置

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种完全偏振高光谱成像装置。

背景技术

光谱成像仪能够同时获取目标的二维空间图像和一维光谱信息，既能直观反映被测目标的几何形貌，又能提供目标的理化属性，是一种图谱结合的探测手段。同时，不可忽视的是，偏振特性是光所具有的一种特殊性质，自然界中的任何物体在散射、反射光的过程中都会产生偏振现象，并且这种偏振特征能够反映目标本身的特征，因此偏振成像探测技术与强度成像、光谱成像、红外辐射成像等技术相比，具有独特的优势：除了获取传统成像信息外，还能够额外获取偏振多维信息。

偏振光谱成像技术将光学强度成像、光谱成像和偏振技术有机结合起来，可同时获取目标物体二维空间位置信息、目标物体属性的光谱信息以及测量目标的偏振态。目标物辐射或反射光的偏振特性与物体的内部结构或表面特征相关，相比传统强度成像，偏振光谱成像增加了多个偏振维度(偏振度、偏振方向、偏振椭率等)以及一个光谱维度，大大提高了信息量，利用目标辐射、透射、反射或散射光的光谱特性和偏振特性，可以分析目标的物理和化学特性，结合空间特性，可对目标进行有效的观测和识别。可在复杂环境中有效检测和识别常规手段无法识别的目标，如人造物目标或水下目标，特别是隐藏或伪装的目标，传统相机或摄像机无法对其进行有效成像。因此，偏振光谱成像技术具有巨大的发展潜力，是国内外关注的研究和应用开发热点之一。

目前常见的偏振光谱成像技术基本分为时序型、空间型和干涉型；其中空间型的偏振光谱成像装置以其可实现同时成像，即一次成像获取目标多幅偏振图像，而获得实用化的成像光谱仪器，是目前研究最多的偏振光谱成像仪；主要包含多个子系统共同成像方式、分振幅、分焦面、分孔径以及偏振光栅光谱成像五种基本的结构形式。

其中，多个子系统共同成像方式：利用分束器件或采用多个子系统，获取目标不同偏振状态下的强度图像阵列，通过计算得到目标Stokes分量图。如图1为多个子系统共同成像方式中的透镜阵列系统方案示意图。

分孔径偏振成像系统通常采用的分孔径分光系统一般采用离轴或偏心系统，为设计和装调带来一定的困难。与其它空域偏振成像系统一样，它同样存在像面上像点之间配准误差会引入偏振测量误差的问题。

典型的分振幅偏振成像系统的结构示意图如图2所示。从目标发射的光经分束镜分成两束：其中一束先经过快轴方向与x轴成45°的四分之一波片后，再经过偏振分束镜、成像透镜后在像面上得到两个偏振分量的强度图；另一束光经过快轴方向与x轴成11.25°的二分之一波片，再经过偏振分束镜、成像透镜后在像面上得到另外两个偏振分量的强度图。然而，由于需要分成多个子光学系统，采用多个CCD记录多幅偏振强度图像，故一般整个系统体积较大；且当各通道采用的光学系统存在成像特性及像质差异及各CCD探测器参数不同，都会引入额外的偏振测量误差。

以上这些传统的偏振光谱成像装置系统过于复杂，误差源较多，难于加工和装调，其高分辨率和高光谱分辨率精度受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种完全偏振高光谱成像装置，其加工装调简单、稳定性高、能量利用率高、成像质量好、分辨率高、结构紧凑、体积小，生产成本低。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种完全偏振高光谱成像装置，该装置包括：

依次设置于同一光路上的前置镜系统、狭缝阵列、分光器件、成像镜、线性偏振片阵列与探测器；

其中，入射光射入前置镜系统的一次像面上，通过的平行光经过狭缝阵列分光束传输到分光器件上，经过分光器件对光学色散的能力，不同狭缝的入射光转变成不同波段的光谱色散光，再传输到成像镜上，最终通过线性偏振片阵列实现探测器的成像。

进一步的，所述线性偏振片阵列包括：若干自上向下排列的线性偏振片，线性偏振片的偏振角度为0°、90°、+45°或-45°。

进一步的，所述狭缝阵列中每一狭缝的尺寸大小均一致。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过前置镜系统，狭缝阵列，分光器件，成像系统，线性偏振片阵列耦合成像探测器，实现对光学入射信息获取多个偏振度和高光谱波段数量的高分辨率立体偏振图谱；该方案克服目前偏振光谱成像系统所采用离轴、偏心、共孔径等多个子系统所带来的设计、装调困难，同时也避免了装置体积过大，以及偏振图像相互错位，所引入额外的偏振测量误差等等误差过多的缺点。其信息获取特点尤其适合于目标的多维特性探测以及基于多维信息的特征识别。这种探测技术的一体化和灵活性优势将使得偏振光成像技术将在科学研究、工业检测、农业生产、医疗影像、环境监测和军事侦察等各领域具有更加广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的典型透镜阵列式偏振光谱成像系统方案示意图；

图2为本发明背景技术提供的典型分振幅偏振成像结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种完全偏振高光谱成像装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的线性偏振片阵列的示意图；

图5为本发明实施例提供的狭缝阵列设计和探测器上高光谱波段成像示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图3为本发明实施例提供的一种完全偏振高光谱成像装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：依次设置于同一光路上的前置镜系统2(视场光阑)、狭缝阵列3、分光器件4(光栅或棱镜等)、成像镜5、线性偏振片阵列6(或者包含四分之一波片)与探测器7；

该完全偏振高光谱成像装置采用完全偏振成像技术与光谱成像技术融合，其工作过程为：入射光1射入前置镜系统2的一次像面上，通过的平行光经过狭缝阵列3分光束传输到分光器件4上，经过分光器4件对光学色散的能力，不同狭缝的入射光转变成不同波段的光谱色散光，再传输到成像镜5上，最终通过线性偏振片阵列6实现探测器7的成像；通过这种偏振光谱光学元件的耦合，获得在成像像面区域不同位置的不同光强偏振信息，这时不同偏振信息共同通过相似的滤光片阵列，由此获得多个快轴方向不同的渐变光谱波段信息。

如果在成像幅宽等方面有需求，可以进一步利用整个成像装置在空间维度的推扫方式，实现对不同偏振角下、不同光谱分辨率下的共视场幅宽的成像信息获取，由此可以同时获取地物的多维图谱信息(四维偏振度图像信息和一维光谱信息)。通过这种方式，利用目标辐射、透射、反射或散射光的光谱特性和偏振特性，可以分析目标的物理和化学特性，结合空间特性，可对目标进行有效的观测和识别。

输入光经成像面上的线性偏振片阵列随四维不同偏振度的偏振片而分别保留不同偏振图像信息；本发明实施例中，所述线性偏振片阵列包括：若干自上向下排列的线性偏振片，线性偏振片的偏振角度为0°、90°、+45°或-45°。

示例性的，如图4所示，设线性偏振片阵列包括四个线性偏振片，其偏振角度分别为0°、90°、+45°、-45°。

本发明实施例中，所述狭缝阵列中每一狭缝的尺寸大小均一致，根据通过不同狭缝的入射光，经由分光器件光谱色散成像到探测器像面上。如图5所示为狭缝阵列设计和探测器上高光谱波段成像示意图；其中，图5a为狭缝阵列示意图，图5b为探测器上高光谱波段成像示意图。

需要说明的是，本发明实施例所述的各个光学器件的数量以及相关参数如尺寸大小、厚度和所使用的光学材料等均可以根据实际情况进行调整。

本发明实施例所提供的装置相对于目前的装置而言主要具有如下优点：

1)结构紧凑，加工装调简单、稳定性好，易于实现轻量化小型化的生产要求；

2)相比传统偏振高光谱成像仪方案，本发明能量利用率高，利用光栅(或棱镜)等分光器件可分光波段成像，获得各个波段的光谱图像，利用成像镜前的狭缝即可获取偏振信息，相比典型的偏振成像相机，图像信息获取更容易、充分、有效；

3)相比传统光学偏振仪方案，本发明采用偏振和光谱信息合成探测，共光学全系统光路，对稳定平台要求低；

4)相比传统偏振高光谱成像仪的方案，本发明同样存在像面上像点之间配准误差会引入偏振测量误差的问题，但是对该成像相机设计和装调带来的难度，要远远低于其它分振幅、分焦面、分孔径空域偏振成像系统；

5)相比于传统高光谱成像仪，采用普通分光元件即可实现光谱获取，降低了光谱分光设计难度。

6)克服目前偏振光谱成像系统所采用离轴、偏心、共孔径等多个子系统所带来的设计、装调困难，同时也避免了装置体积过大，以及偏振图像相互错位，所引入额外的偏振测量误差等等误差过多的缺点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种完全偏振高光谱成像装置，其特征在于，该装置包括：

依次设置于同一光路上的前置镜系统、狭缝阵列、分光器件、成像镜、线性偏振片阵列与探测器；

其中，入射光射入前置镜系统的一次像面上，通过的平行光经过狭缝阵列分光束传输到分光器件上，经过分光器件对光学色散的能力，不同狭缝的入射光转变成不同波段的光谱色散光，再传输到成像镜上，最终通过线性偏振片阵列实现探测器的成像。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线性偏振片阵列包括：若干自上向下排列的线性偏振片，线性偏振片的偏振角度为0°、90°、+45°或-45°。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述狭缝阵列中每一狭缝的尺寸大小均一致。