CN104913848A - 全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，该干涉仪主要包括：前置光学系统，偏振调制模块，光路调制模块，偏振镜，成像镜，面阵探测器和数据采集处理系统组成。本发明由于采用了两个闪耀光栅对与sagnac光学结构组成的全偏振调制模块，只需一帧图像，即可测到目标在某一时刻某一探测方位角的全偏信息。通过对图像的解调便可以获得全部stokes偏振参数对应的二维空间图。本发明在天文观测，地球遥感，机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在应用价值。

Description

全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪

技术领域

本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振辐射探测领域的偏振成像装置，特别涉及一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪。

背景技术

物体反射的电磁波中含有重要偏振遥感信息，不仅能用于去除背景噪声，提高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息，还可以用于反演目标的尺寸、浓度等物理化学特性。偏振成像是一种同时获取目标空间和偏振信息先进遥感探测技术，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉放生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。虽然偏振成像技术是一项新型的前言遥感探测技术，但其独特的遥感探测优势已经引起国内外重要机构的重视。国外研究机构主要集中在美、日、欧等国家的重大工程项目依托单位、军方、大学等；国内研究机构目前主要有安徽光机所、西安光机所、西安交通大学等，已报道的偏振辐射探测技术各具特色。

偏振成像仪一般采用4f成像结构，或是平面镜成像结构(sagnac结构)。其按照成像技术根据光源可以分为主动成像与被动成像技术，主动成像以穆勒偏振成像为代表，其光源已知或是可控，利用探测器可以探测出目标的偏振态；被动成像一般以stokes偏振成像为代表。按照数据处理方式可以分为数据简化模式，傅里叶分析法，通道调制模式。数据简化模式是指获取的偏振信息比所需的偏振态维度大，通过对所的到的偏振信息进行数据处理获得所需要的偏振态；而傅里叶分析法是通过旋转波片获得关于旋转进步角的光强的傅里叶级数表达式，最后经过公式变换获得斯托克斯参量；通道调制型是将不同偏振态参数振幅调制到不同的频率上，从而对数据进行处理获得偏振态信息。按照时间又可以划分为时序性偏振成像仪，与非时序偏振成像仪。时序性主要是通过旋转偏振片获得不同的偏振态，从而进行数据处理获得所需要信息，其缺点是不能对动态目标成像；非时序又可以划分为分振幅型，分孔径型分焦平面型与通道调制型，分振幅型一般需要多个探测器，数据同步较困难，仪器体积比较大且比较复杂。分孔径型是在一个探测器上产生多幅图，分辨率较低，制作困难；分焦平面型主要空间分辨率较低；通道调制型是在单幅图像上获得偏振信息，这种类型的偏振成像仪可以在短时间获得二维空间上所有斯托克斯偏振参量信息，且制作简单等优点。本发明属于通道调制型快照偏振成像仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以瞬时获得白光条件下目标全stokes参量的偏振成像装置，其利用闪耀光栅的色散原理及sagnac光路结构得到与波长成正比的光束剪切量，通过特殊分布的四束偏振光两两干涉，最终获得由stokes参量振幅调制的干涉条纹图像，干涉条纹频率与波长成反比，与剪切量成正比，从而消除波长的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，由入射光向依次设置的前置光学镜组、白光全偏振调制模块、光路方向调制镜组、偏振镜、成像透镜、面阵探测器和数据采集处理系统组成；

所述前置光学镜组由依次设置在光路上的物镜、视场光阑和准直透镜组成；

所述白光全偏振调制模块由分光镜，第一单个复色光偏振干涉单元、第二单个复色光偏振干涉单元及半波片组成；所述第一单个复色光偏振干涉单元或第二单个复色光偏振干涉单元由线栅分束镜、闪耀光栅、平面反射镜组成；其中闪耀光栅位于sagnac光路分支上，且光栅到同光路上的平面镜距离相等；半波片处于其中一个由分光镜分出的支路上，其快轴垂直于光支路且平行于纸面；

所述光路方向调节模块将光调节到一个汇聚点上，利用偏振镜获得振动方向相同的光，通过成像透镜后到达面阵探测器获得偏振参量振幅调制的图像；最后通过数据采集处理系统，分别获得不同stokes参量对应二维图像。

进一步，上述物镜为望远物镜、显微物镜或普通物镜。

进一步，利用第一单个复色光偏振干涉单元和第二单个复色光偏振干涉单元并联分别对由通过分束器得到的两束光进行偏振分光获得四束不在同一平面的光。

进一步，两个闪耀光栅分别处于sagnac的线栅分束器形成的反射支路与透射支路上，且两个闪耀光栅与相应支路上的反射镜距离相等，反射镜与透射反射光线夹角为67.5度。

进一步，闪耀光栅为透射式二元光学元件的极限情况，衍射光栅锯齿厚度近似为中心波长与光栅材料与环境折射率差，且能获得一级衍射光。

进一步，通过第一单个复色光偏振干涉单元或者第二单个复色光偏振干涉单元的光具有横向剪切作用，剪切量与波长成正比。

进一步，通过两组反射镜对将不同平面上的四束光汇聚在分束镜前。

进一步，通过分束镜后四束光成十字分布，并经过一个偏振片来统一偏振方向。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以对复色光条件下的空间目标获得偏振信息，同时保留了目标的空间信息与颜色信息；

2、只需对二维空间目标的一帧图像，即可以获得其偏振等信息，时间分辨率高，避免环境变化带来的影响，工作效率高。

3、数据处理简单快速，可实时对目标进行检测。

附图说明

图1为本发明全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉装置；

图2为单个sagnac结构分光单元；

图3为通过分光镜后的四束光分布；

图4为干涉图像傅里叶变换后得到频谱分布图。

其中：100、前置光学镜组，200、白光全偏振调制模块，300、光路方向调制镜组，400、偏振镜，500、成像透镜，600、面阵探测器，700、数据采集处理系统，110、物镜，120、视场光阑，130、准直透镜；210、分光镜，220、半波片，230、第一单个复色光偏振干涉单元，240、第二单个复色光偏振干涉单元，231、线栅分束镜，232、闪耀光栅，233、平面反射镜，2301、2302分别为通过单sagnca分束单元230获得的的偏振光，204、2402分别为通过第二单个复色光偏振干涉单元240获得的偏振光；310、320、330、340、光路方向调制镜组中的四个平面反射镜，350、分光镜；400为偏振镜；500为成像透镜；600、焦平面阵列。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明范围。

如图1所示，全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，由入射光向依次设置的前置光学镜组100、白光全偏振调制模块200、光路方向调制镜组300、偏振镜400、成像透镜500、面阵探测器600和数据采集处理系统700组成；

前置光学镜组100由依次设置在光路上的物镜110、视场光阑120、准直透镜130组成；白光全偏振调制模块200由分光镜210，第一单个复色光偏振干涉单元230、第二单个复色光偏振干涉单元240及半波片220组成；所述第一单个复色光偏振干涉单元230或第二单个复色光偏振干涉单元240由线栅分束镜231、闪耀光栅232、平面反射镜233组成；其中闪耀光栅232位于sagnac光路分支上，且光栅到同光路上的平面镜距离相等；半波片220处于其中一个由分光镜210分出的支路上，其快轴垂直于光支路且平行于纸面；

线栅分束器231的反射光路与透射光路上分别等距离放置闪耀光栅232，两个闪耀光栅完全相同，在闪耀光栅之后等距离放置平面反射镜233，反射镜233与光线夹角为67.5°，两个单sagnac分束单元完全相同，且分别放置在距离分光镜210相等的分光支路上；光路方向调制镜组由四个平面反射镜310、320、330、340与一个分光镜350组成，平面反射镜与光线夹角均为45°夹角，四束光路2301、2302、2401、2402最终汇聚与一处，通过分束镜获得十字分布；然后通过偏振镜400与成像透镜500在焦平面阵列600上得到stokes参量振幅调制的像；最后通过数据采集系统700采集、提取和处理分别得到全部stokes参量对应的二维空间图。

如图1，前置光学镜组100由依次设置在光路上的物镜110、光阑120和准直镜130组成；物镜110为望远物镜、显微物镜或普通物镜。

如图2，单个sagnac偏振分束单元(即第一单个复色光偏振干涉单元230或第二单个复色光偏振干涉单元240)是由线栅分束器231、闪耀光栅232及平面反射镜233组成：线栅分束器231的反射与透射光路上分别等距离放置闪耀光栅232，两个闪耀光栅完全相同，在闪耀光栅之后等距离放置平面反射镜233，反射镜与光线夹角均为67.5°，两个单sagnac分束单元完全相同，且分别放置在距离分光镜相等的分光支路上。

如图3，四束偏振光2301、2302、2401、2402的分布为十字型，偏振态分别为E_y，-E_y，E_x，E_x累积相位分别为

如图4，干涉图像傅里叶变换后得到频谱分布，将其进行滤波后分别做傅里叶逆变换，既可以获得全部stokes参量的二维偏振图像。

本发明所述的全斯托克斯参量白光双Sagnac偏振成像干涉装置的工作原理为：二维空间目标发出的光依次进入前置光学镜组100的物镜110形成中间像面于视场光阑120处，由于视场光阑置于准直镜130的前焦面，因此中间像面发出的光被准直镜准直后进入偏振调制模块200，偏振调制模块中的分束镜210将入射光分为反射光212与透射光211，其中透射光直接进入一个色散sagnac偏振分束单元230中，反射光先经过一个消色散的半波片220后在进入相应的sagnac偏振分束单元240中；进入sagnac偏振分束单元的光通过线性分束器231，闪耀光栅232，平面反射镜233(1)，片面反射镜233(2)，再透过闪耀光栅232与线栅分束镜231最后获得两束横向剪切与波长成正比，且振动方向相互垂直的光；反射支路与透射支路之间通过两组平面反射镜(310、320),(330、340)调节光路方向与光程，使得四束2301、2302、2401、2402光汇聚与一点，然后经过分束镜350、偏振片400及成像透镜500成像到角平面阵列600，通过数据采集处理系统700获得白光条件下全部stokes参量振幅调制的干涉图像，最后通过对干涉图像的傅里叶转换、滤波及傅里叶你转换，从而获得各个偏振分量的二维空间图。

Claims (8)

1.一种全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，由入射光向依次设置的前置光学镜组(100)、白光全偏振调制模块(200)、光路方向调制镜组(300)、偏振镜(400)、成像透镜(500)、面阵探测器(600)和数据采集处理系统(700)组成；

所述前置光学镜组(100)由依次设置在光路上的物镜(110)、视场光阑(120)和准直透镜(130)组成；

所述白光全偏振调制模块(200)由分光镜(210)，第一单个复色光偏振干涉单元(230)、第二单个复色光偏振干涉单元(240)及半波片(220)组成；所述第一单个复色光偏振干涉单元(230)或第二单个复色光偏振干涉单元(240)由线栅分束镜(231)、闪耀光栅(232)、平面反射镜(233)组成；其中闪耀光栅(232)位于sagnac光路分支上，且光栅到同光路上的平面镜距离相等；半波片(220)处于其中一个由分光镜(210)分出的支路上，其快轴垂直于光支路且平行于纸面；

所述光路方向调节模块(300)将光调节到一个汇聚点上，利用偏振镜(400)获得振动方向相同的光，通过成像透镜(500)后到达面阵探测器(600)获得偏振参量振幅调制的图像；最后通过数据采集处理系统(700)，分别获得不同stokes参量对应二维图像。

2.根据权利要求1所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，所述物镜(110)为望远物镜、显微物镜或普通物镜。

3.根据权利要求1所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，利用第一单个复色光偏振干涉单元(230)和第二单个复色光偏振干涉单元(240)并联分别对由通过分束器(210)得到的两束光(211、212)进行偏振分光获得四束不在同一平面的光(2301、2302、2401、2402)。

4.根据权利要求3所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，两个闪耀光栅(232)分别处于sagnac的线栅分束器(231)形成的反射支路与透射支路上，且两个闪耀光栅(232)与相应支路上的平面反射镜(233)距离相等，反射镜与透射反射光线夹角为67.5度。

5.根据权利要求4所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，闪耀光栅(232)为透射式二元光学元件的极限情况，衍射光栅锯齿厚度近似为中心波长与光栅材料与环境折射率差，且能获得一级衍射光。

6.根据权利要求4所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，通过第一单个复色光偏振干涉单元(230)或者第二单个复色光偏振干涉单元(240)的光具有横向剪切作用，剪切量与波长成正比。

7.根据权利要求1所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，通过两组反射镜对(310/320)、(330/340)将不同平面上的四束光(2301、2302、2401、2402)汇聚在分束镜(350)前。

8.根据权利要求1所述的全斯托克斯参量的白光双Sagnac偏振成像干涉仪，其特征在于，通过分束镜后四束光成十字分布，并经过一个偏振片(400)来统一偏振方向。