CN105606217B - 一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法，沿入射光的传播方向，以主光轴从左到右设有前置望远系统，消色差的波片、相位延迟器、偏振片阵列、消色差的半波片、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、相位延迟器、分析器LA、成像镜组和面阵列CCD。本发明通过在CCD上下两个分区分别获取两对双通道互补的干涉图，四幅干涉图相加获取目标图像；通过干涉图相减获取纯干涉条纹；纯干涉条纹相加减保留单通道的干涉条纹，通过傅里叶变换便可获取目标的传统强度光谱与线偏振光谱信息。在复原光谱的过程了避免了光程差维的通道滤波，并且同时从硬件上抑制了背景噪声。

Description

一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法

【技术领域】

本发明属于光学器件领域，涉及一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法。

【背景技术】

成像光谱偏振仪(Imaging Spectropolarimeter,ISP)是一种融合了照相机、光谱仪与偏振仪功能的新型探测仪器，能够同时获取目标的图像、光谱和偏振信息。ISP将成像光谱仪获取的三维信息(一维光谱和二维空间)或者成像偏振仪获取的三维信息(一维偏振和二维空间)拓展到了四维(一维光谱、二维空间和一维偏振信息)，为目标探测和识别提供了更加丰富的信息源，在军事侦察、伪装识别、地质调查、大气环境监测、农业和海洋遥感等领域将发挥重要作用。成像光谱偏振仪虽尚处于发展阶段，但其已引起了国内外相关研究机构的广泛关注。由于自然界中存在的圆偏振光很少，获取全部线偏振光谱信息即可满足大多数的应用需求。受基础原理限制，传统成像光谱偏振仪普遍需要狭缝、运动部件以及电控调制相位延迟器，其结构复杂，抗振能力及环境适应性差，很难满足航空航天遥感及野外探测的需求。1999年Kazuhiko Oka等提出的强度调制测量Stokes矢量谱的方法可以通过单次测量获取探测目标的全偏振态信息，具有实时探测能力。该方法通过通道复用技术和频域滤波实现Stokes矢量的探测，也称作通道光谱技术。基于通道光谱技术与静态干涉成像光谱技术的ISP具有实时性好、高稳定性、无电控部件及共光路直线结构等优点，但光程差维的滤波使得最大光程差降低为原来的1/7或者1/3，根据傅里叶变换光谱学原理，复原光谱分辨率会降低至原来的1/7或者1/3，严重影响了复原光谱分辨率。在通道调制时，由于通道间存在频谱混叠，不可能通过滤波完全去除，导致复原Stokes矢量谱中存在不可消除的误差；并且，获取的数据同时包含了背景图像与干涉条纹，复原光谱时需要将背景图像与干涉条纹分离，否则会降低光谱的信噪比，而传统的去背景方法存在计算量大、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅分光误差敏感等缺点。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置，包括沿入射光线传播方向的主光轴依次设置的望远系统(1)、消色差的波片(2)、第一相位延迟器(3)、偏振阵列(4)、消色差的半波片(5)、Wollaston棱镜(6)、Savart偏光镜(7)、第二相位延迟器(8)、分析器(9)、成像镜组(10)和面阵列CCD(11)。

本发明进一步的改进在于：

所述偏振阵列包括上下贴合的第一起偏器(41)及第二起偏器(42)，以主光轴为Z轴，构建满足右手定则的xyz坐标系；

消色差的波片(2)的快轴方向与x轴平行；第一相位延迟器(3)的快轴方向与x轴的正向夹角为45°；第一起偏器(41)的偏振方向平行于x轴，第二起偏器(42)的偏振方向与y轴平行；消色差的半波片(5)的快轴与x轴的正向夹角为22.5°；Wollaston棱镜(6)的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直；Savart偏光镜(7)左板的光轴位于与y轴正向、z轴负向成45°夹角的平面内，光轴与z轴负向夹角为45°；Savart偏光镜(7)右板的光轴位于与y轴正向、z轴正向成45°夹角的平面内，光轴与z轴正向夹角为45°；第二相位延迟器(8)的快轴方向与x轴正向夹角为45°；分析器(9)的快轴平行于x轴；面阵CCD(11)放置在成像镜组(10)的后焦面上。

一种图像、光谱、偏振态一体化获取方法，包括以下步骤：

1)入射光经前置望远系统准直后变为平行光，平行光通过由消色差的波片、第一相位延迟器与偏振阵列组成的光谱调制模块后，得到两束调制状态不同的S₀分量，分别为：

其中，S₀为光束总能量，φ为第一相位延迟器的相位延迟量，σ为入射光的波数，为被消色差的波片、第一相位延迟器与起偏器(41)调制后的光强，为被消色差的波片、第一相位延迟器与起偏器(42)调制后的光强，S₀(σ)为入射光的强度，S₁(σ)与S₂(σ)为入射光中线偏振分量的强度；这两束调制状态不同的光分别为偏振方向沿着x轴与y轴的线偏光；这两束线偏光的偏振方向被消色差的半波片沿x轴正向旋转45°；经过Wollaston棱镜被等振幅竖直角剪切为偏振方向分别沿x轴与y轴的四束线偏光；再经过Savart偏光镜、分析器及成像镜组，在面阵CCD的不同区域分别得到调制光谱为与的四幅干涉图：

式中，φ为第一相位延迟器产生的延迟量；为Savart偏光镜与第二相位延迟器产生的相位差之和。

2)将步骤1)得到的四幅干涉图相加，得到目标图像；通过(3)、(4)相减，(5),(6)式相减得到去掉背景的纯干涉条纹：

通过欧拉公式可以得到：

上式中

干涉图作为载频信号被调制成了以0、φ、-φ为中心点的三部分；通过选择第二延迟器所产生的相位，在整个光程差范围内只保留C₀、C₁，得到：

I_A＝C₀+C₁ (11)

I_B＝C₀-C₁ (12)

通过(11)、(12)式得到单通道的干涉图为：

入射光的强度谱与线偏振信息复原为：

S₀＝2FT{C₀} (15)

S₁＝real{4FT{C₁}e^iφ} (16)

S₂＝imag{4FT{C₁}e^iφ} (17)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于视场分割、孔径分割与通道光谱技术，获取不同强度调制的两对正反相干涉图，四幅干涉图相加获取目标图像，正反相干涉图相减获取纯干涉条纹，纯干涉条纹相加减获取单通道干涉条纹，对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息。本发明在获取复原光谱的过程中避免了光程差维的通道滤波，不存在通道混铁的问题，同时各通道分别占有最大光程差，保持了仪器原有的光谱分辨率，由傅里叶变换光谱学原理知光谱分辨率与最大光程差的倒数成正比，所复原的全部线偏振光谱的分辨率不会下降，与系统决定的光谱分辨率一致。较传统通道光谱技术所获取光谱分辨率提高3到7倍；由于本系统获取了两对正反相的干涉图，利用正相与反相干涉图相减的方式提取纯干涉条纹，克服了传统去背景方法存在计算量大、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅分光误差敏感等缺点，便于提取高信噪比的纯干涉条纹。

【附图说明】

图1为本发明的光学结构示意图；

图2为本发明中偏振阵列的结构示意图。

其中：1为望远系统；2为消色差的波片；3为第一相位延迟器；4为偏振阵列；5为消色差的半波片；6为Wollaston棱镜；7为Savart偏光镜；8为第二相位延迟器；9为分析器；10为成像镜组；11为面阵CCD；41为第一起偏器；42为第二起偏器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术。入射光依次通过准直系统、消色差的波片、第一延迟器、偏振阵列、消色差的半波片、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、第二延迟器、分析器及双透镜组，在CCD上下两侧分别产生两对双通道互补的干涉图，四幅干涉图相加获取目标图像；通过干涉图相减获取去掉背景的纯干涉条纹；纯干涉条纹相加减保留单通道的干涉条纹，通过傅里叶变换便可获取目标的强度光谱与线偏振光谱信息。在复原光谱的过程了避免了光程差维的通道滤波，不存在通道混铁的问题，同时各通道分别占有最大光程差，保持了仪器原有的光谱分辨率，从而可以在保持干涉光谱仪原有分辨率的同时，通过单次测量来精确复原出线偏振光谱，克服了传统通道光谱技术中，复原光谱分辨率严重降低以及复原光谱存在误差的缺点；并同时从硬件上抑制了背景噪声，克服了传统去背景方法存在计算量大、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅分光误差敏感的缺点。

参见图1和图2，本发明图像、光谱、偏振态一体化获取装置，沿入射光线的主光轴从左到右依次设有前置望远系统1，消色差的波片2、第一相位延迟器3、偏振片阵列4、消色差的半波片5、Wollaston棱镜6、Savart偏光镜7、第二相位延迟器8、分析器9、成像镜组10和面阵列CCD11。

偏振阵列包括第一起偏器41及第二起偏器42，设主光轴为Z轴，构建xyz坐标系，所述xyz坐标系满足右手定则。消色差的波片快轴方向与x轴平行；第一相位延迟器快轴方向与x轴正向夹角为45°；第一起偏器的偏振方向平行于x轴，第二起偏器的偏振方向与y轴平行；消色差的半波片快轴与x轴正向夹角为22.5°；Wollaston棱镜的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直；Savart偏光镜左板的光轴位于与y轴正向、z轴负向成45°夹角的平面内，光轴与z轴负向夹角为45°；Savart偏光镜右板的光轴位于与y轴正向、z轴正向向成45°夹角的平面内，光轴与z轴正向夹角为45°；第二相位延迟器快轴方向与x轴正向夹角为45°；分析器的快轴平行于x轴；面阵CCD探测器放置在成像镜组的后焦面上。

本发明图像、光谱、偏振态探测方法，包括以下步骤：

根据偏振光学原理，空间点(x,y)发出光束的Stokes矢量S(x,y,λ)为：

其中，S₀为光束总能量，I_0°、I_90°、I_45°和I_135°分别表示光束经过0°、90°、45°和135°线偏振片后的强度，I_R和I_L表示光束中的右旋和左旋圆偏振光。入射Stokes矢量S_in和对应Stokes矢量的关系为：

在光学手册上查得各元件穆勒矩阵的具体表达式，带入上式可得：

其中，为两相干光束之间的相位差，与光程差Δ之间的关系为Δ_SP为Savart偏光镜产生的光程差，Δ_R2为延迟器第二延迟器产生的光程差，φ为第一延迟器产生的相位延迟量。

根据偏振光学原理可知，CCD所能采集到的光信号为总的光强信号,也即得到的四个干涉强度分别为与

这四个干涉强度之和即为目标的图像。

由式(2-4)可以得到去掉背景的纯干涉强度：

通过欧拉公式可得：

其中，

可以看出，干涉图作为载频信号被调制成了以0、φ、-φ为中心点的三部分。通过选择第二延迟器所产生的附加光程差，在整个光程差范围内只保留C₀、C₁，可以得到：

I_A＝C₀+C₁ (8a)

I_B＝C₀-C₁ (8b)

入射光的强度谱与线偏振信息复原为：

S₀＝2FT{C₀} (7a)

S₁＝real{4FT{C₁}e^iφ} (7b)

S₂＝imag{4FT{C₁}e^iφ} (7c)

其中FT{·}代表傅里叶变换，real{·}代表求复数实部，imag{·}代表求复数虚部。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置，其特征在于，包括沿入射光线传播方向的主光轴依次设置的望远系统(1)、消色差的波片(2)、第一相位延迟器(3)、偏振阵列(4)、消色差的半波片(5)、Wollaston棱镜(6)、Savart偏光镜(7)、第二相位延迟器(8)、分析器(9)、成像镜组(10)和面阵列CCD(11)；

所述偏振阵列包括上下贴合的第一起偏器(41)及第二起偏器(42)，以主光轴为Z轴，构建满足右手定则的xyz坐标系；

消色差的波片(2)的快轴方向与x轴平行；第一相位延迟器(3)的快轴方向与x轴的正向夹角为45°；第一起偏器(41)的偏振方向平行于x轴，第二起偏器(42)的偏振方向与y轴平行；消色差的半波片(5)的快轴与x轴的正向夹角为22.5°；Wollaston棱镜(6)的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直；Savart偏光镜(7)左板的光轴位于与y轴正向、z轴负向成45°夹角的平面内，光轴与z轴负向夹角为45°；Savart偏光镜(7)右板的光轴位于与y轴正向、z轴正向成45°夹角的平面内，光轴与z轴正向夹角为45°；第二相位延迟器(8)的快轴方向与x轴正向夹角为45°；分析器(9)的快轴平行于x轴；面阵CCD(11)放置在成像镜组(10)的后焦面上。

2.一种采用权利要求1所述装置的图像、光谱、偏振态一体化获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)入射光经前置望远系统准直后变为平行光，平行光通过由消色差的波片、第一相位延迟器与偏振阵列组成的光谱调制模块后，得到两束调制状态不同的S₀分量，分别为：

其中，S₀为光束总能量，φ为第一相位延迟器的相位延迟量，σ为入射光的波数，为被消色差的波片、第一相位延迟器与起偏器(41)调制后的光强，为被消色差的波片、第一相位延迟器与起偏器(42)调制后的光强，S₀(σ)为入射光的强度，S₁(σ)与S₂(σ)为入射光中线偏振分量的强度；这两束调制状态不同的光分别为偏振方向沿着x轴与y轴的线偏光；这两束线偏光的偏振方向被消色差的半波片沿x轴正向旋转45°；经过Wollaston棱镜被等振幅竖直角剪切为偏振方向分别沿x轴与y轴的四束线偏光；再经过Savart偏光镜、分析器及成像镜组，在面阵CCD的不同区域分别得到调制光谱为与的四幅干涉图：

式中，φ为第一相位延迟器产生的延迟量；为Savart偏光镜与第二相位延迟器产生的相位差之和；

2)将步骤1)得到的四幅干涉图相加，得到目标图像；通过(三)、(四)相减，(五),(六)式相减得到去掉背景的纯干涉条纹：

通过欧拉公式可以得到：

上式中

干涉图作为载频信号被调制成了以0、φ、-φ为中心点的三部分；通过选择第二延迟器所产生的相位，在整个光程差范围内只保留C₀、C₁，得到：

I_A＝C₀+C₁ (十一)

I_B＝C₀-C₁ (十二)

通过(十一)、(十二)式得到单通道的干涉图为：

入射光的强度谱与线偏振信息复原为：

S₀＝2FT{C₀} (十五)

S₁＝real{4FT{C₁}e^iφ} (十六)

S₂＝imag{4FT{C₁}e^iφ} (十七)。