CN106019618B - 一种同步偏振成像分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步偏振成像分束器，包括部分偏振分光棱镜、第一反射棱镜、λ/4波片、λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第二反射棱镜；λ/4波片和第一偏振分光棱镜依次设置在部分偏振分光棱镜的透射光路上，第一反射棱镜位于部分偏振分光棱镜的反射光路上，λ/2波片和第二偏振分光棱镜位于第一反射棱镜的反射光路上，第二反射棱镜包含底面和顶面腰的一个侧立面位于第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的反射光路上，且第二反射棱镜包含底面和顶面的底边的侧立面与部分偏振分光棱镜同侧。本发明系统结构紧凑轻小，能够在空间上实时获取4束偏振光束，同步获得探测目标全Stokes偏振图像，实现高精度、高稳定性的偏振成像探测。
Description
技术领域
本发明属于偏振成像探测技术领域，涉及一种同步偏振成像分束器。
背景技术
偏振成像探测能够提供探测目标的偏振态图像信息，在地物资源调查、大气探测和军事侦察等领域具有重要的应用价值。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，例如基于LCVR改变延迟量的方法、基于FLC改变快轴角度的方法、基于波片旋转偏振片固定的方法等。这些方法在实际测量存在两个问题，一是LCVR和FLC器件采用液晶材料，工作稳定性容易受温度影响，二是采用波片旋转的方式，测量精度容易受机械结构的运动重复性影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步偏振成像分束器，能够在空间上同步获取4束偏振光束，进而求解目标Stokes偏振态信息，没有采用液晶调控或波片旋转的方式，避免了液晶工作稳定性和机械结构运动重复性的缺点；同时将本发明分束器置于准直光路中，对成像效果不产生像差影响。
实现本发明目的的技术方案为：一种同步偏振成像分束器，包括部分偏振分光棱镜、第一反射棱镜、λ/4波片、λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第二反射棱镜；λ/4波片和第一偏振分光棱镜依次设置在部分偏振分光棱镜的透射光路上，第一反射棱镜包含底面和顶面腰的一个侧立面位于部分偏振分光棱镜的反射光路上，λ/2波片和第二偏振分光棱镜位于第一反射棱镜的反射光路上，第二反射棱镜包含底面和顶面腰的一个侧立面位于第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的反射光路上，且第二反射棱镜包含底面和顶面的第三边的侧立面与部分偏振分光棱镜同侧；部分偏振分光棱镜、第一反射棱镜、λ/4波片、λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜均相对于仪器底座平面同轴等高。
入射光束经部分偏振分光棱镜分为第一透射光和第一反射光，第一透射光直接进入λ/4波片，改变相位后入射至第一偏振分光棱镜，分为第二透射光和第二反射光，其中第二透射光经过偏振分光棱镜后直接出射，第二反射光进入反射棱镜后出射；第一反射光经反射棱镜反射进入λ/2波片，改变相位后入射至偏振分光棱镜，分为第三透射光和第三反射光，其中第三透射光经过偏振分光棱镜后直接出射，第三反射光进入反射棱镜后出射；第二透射光、第二反射光、第三透射光和第三反射光为4束不同方向不同偏振态的光束。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
(1)能够在空间上同步获取4个代表不同Stokes分量信息的偏振图像。
(2)将本发明偏振成像分束器置于准直光路中，不产生像差影响。
附图说明
图1为本发明同步偏振成像分束器的立体结构示意图。
图2为本发明同步偏振成像分束器的平面图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图。
图3为本发明放置在Stokes偏振成像系统中的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1和图2，一种同步偏振成像分束器，包括部分偏振分光棱镜1、第一反射棱镜2、λ/4波片3、λ/2波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6和第二反射棱镜7；λ/4波片3和第一偏振分光棱镜5依次设置在部分偏振分光棱镜1的透射光路上，第一反射棱镜2包含底面和顶面腰的一个侧立面位于部分偏振分光棱镜1的反射光路上，λ/2波片4和第二偏振分光棱镜6位于第一反射棱镜2的反射光路上，第二反射棱镜7包含底面和顶面腰的一个侧立面位于第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜6的反射光路上，且第二反射棱镜7包含底面和顶面的底边的侧立面与部分偏振分光棱镜1同侧。部分偏振分光棱镜1、第一反射棱镜2、λ/4波片3、λ/2波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6均相对于仪器底座平面同轴等高。
入射光束经部分偏振分光棱镜1分为第一透射光和第一反射光，第一透射光直接进入λ/4波片3，改变相位后入射至第一偏振分光棱镜5，分为第二透射光和第二反射光，其中第二透射光经过偏振分光棱镜5后直接出射，第二反射光进入反射棱镜7后出射；第一反射光经反射棱镜2反射进入λ/2波片4，改变相位后入射至偏振分光棱镜6，分为第三透射光和第三反射光，其中第三透射光经过偏振分光棱镜6后直接出射，第三反射光进入反射棱镜7后出射；第二透射光、第二反射光、第三透射光和第三反射光为4束不同方向不同偏振态的光束。
所述部分偏振分光棱镜1透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s波；λ/4波片3的快轴与透射p光偏振方向的夹角为45°；λ/2波片4的快轴与透射p光偏振方向的夹角为22.5°。
所述部分偏振分光棱镜1、第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜6形状均为正方体，尺寸相同；第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6所用材料相同。
所述第一反射棱镜2和第二反射棱镜7均为等腰三棱镜，其含底面和顶面的第三边的侧立面均镀制反射膜形成反射面，反射面与另两个侧立面的夹角θ范围为(45°，60°]；当第三透射光方向与水平光轴夹角为α时，θ满足θ＝α/2+π/4。
所述λ/4波片3和λ/2波片4所用材料、尺寸和形状均相同。
实施例1
结合图1，一种同步偏振成像分束器，包括部分偏振分光棱镜1、第一反射棱镜2、λ/4波片3、λ/2波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6和第二反射棱镜7。第一反射棱镜2上同时包含底面和顶面腰的两个侧立面，一个侧立面与部分偏振分光棱镜1的侧立面相接，另一个与λ/2波片4相邻；λ/4波片3位于部分偏振分光棱镜1和第一偏振分光棱镜5之间，且分别与部分偏振分光棱镜1和第一偏振分光棱镜5的侧立面相接，λ/2波片4与第二偏振分光棱镜6相接，第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜6相接，λ/4波片3和λ/2波片4相接，部分偏振分光棱镜1、第一反射棱镜2、λ/4波片3、λ/2波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6均相对于仪器底座平面同轴等高；第二反射棱镜7包含底面和顶面腰的一个侧立面与第一偏振分光棱镜5和第二偏振分光棱镜6的顶面相接，且第二反射棱镜7包含底面和顶面的底边的侧立面与部分偏振分光棱镜1同侧。
入射光束进入部分偏振分光棱镜1后透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s波；第一透射光中p波和s波进入λ/4波片3，经过相位调制后进入第一偏振分光棱镜5出射透射光，同时反射光经第二反射棱镜7后出射；第一反射光中p波和s波经反射棱镜2反射进入λ/2波片4后经过相位调制进入第二偏振分光棱镜6出射透射光，同时反射光经第二反射棱镜7后出射。本发明所述的同步偏振成像分束器的俯视图和主视图分布如图2(a)、2(b)所示。
结合图3，本发明所述的同步偏振成像分束器放置在前置准直系统和成像系统之间，可实现同步获取4组偏振信息。其中前置准直系统用于准直入射光束，成像由成像物镜和成像探测器组成，用于将经分束器调制的四束平行光会聚成像。
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：将本发明所述的同步偏振成像分束器放置在前置准直系统和成像系统之间，目标发出的入射光束经前置准直系统准直后入射至部分偏振分光棱镜1，部分偏振分光棱镜1透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s波，透射的80％的p波和20％的s波进入λ/4波片3，经过相位调制后进入第一偏振分光棱镜5出射透射光，同时反射光经第二反射棱镜7后出射，经过成像物镜后在探测器上形成两个子图像。部分偏振分光棱镜1反射得到的20％的p波和80％的s波经反射棱镜2反射后进入λ/2波片4，经过相位调制进入第二偏振分光棱镜6出射透射光，同时反射光经第二反射棱镜7后出射，经成像物镜后在探测器上形成另两个子图像。因此探测器上同时探测得到四个具有不同偏振态的子图像。
入射准直光束通过同步偏振成像分束器后形成四束偏振光束，每路偏振光的偏振调制传递矩阵M1、M2、M3、M4分别为：
其中，MPPBS1_p、ΜPPBS1_s分别为部分偏振分光棱镜1的透射穆勒矩阵和镜面反射穆勒矩阵，MRP为反射棱镜2的反射穆勒矩阵，MQWP为λ/4波片3的穆勒矩阵、MHWP为λ/2波片4的穆勒矩阵，MPBS1_p、MPBS1_s分别为第一偏振分光棱镜5的透射穆勒矩阵和镜面反射穆勒矩阵，MPBS2_p、MPBS2_s分别为第二偏振分光棱镜6的透射穆勒矩阵和镜面反射穆勒矩阵。
探测器只能探测到以上四个矩阵的第一行，将四个矢量组成一个4×4的测量矩阵为：
矩阵A的逆矩阵为A-1，令Stokes矢量为探测器获得的强度为则有：
S＝A-1·I
因此，通过测量4束偏振光的强度即可同步获得Stokes偏振分量信息，实现高精度、高稳定性的偏振成像探测，且本发明偏振成像分束器置于准直光路中，不产生像差影响。
Claims (5)
1.一种同步偏振成像分束器，其特征在于：包括部分偏振分光棱镜(1)、第一反射棱镜(2)、λ/4波片(3)、λ/2波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)和第二反射棱镜(7)；λ/4波片(3)和第一偏振分光棱镜(5)依次设置在部分偏振分光棱镜(1)的透射光路上，第一反射棱镜(2)包含一条位于底面的腰和一条位于顶面腰的一个侧立面位于部分偏振分光棱镜(1)的反射光路上，λ/2波片(4)和第二偏振分光棱镜(6)位于第一反射棱镜(2)的反射光路上，第二反射棱镜(7)包含一条位于底面的腰和一条位于顶面腰的一个侧立面位于第一偏振分光棱镜(5)和第二偏振分光棱镜(6)的反射光路上，且第二反射棱镜(7)包含一条位于底面的斜边和一条位于顶面斜边的侧立面位于与部分偏振分光棱镜(1)同侧；部分偏振分光棱镜(1)、第一反射棱镜(2)、λ/4波片(3)、λ/2波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)均相对于仪器底座平面同轴等高；
入射光束经部分偏振分光棱镜(1)分为第一透射光和第一反射光，第一透射光直接进入λ/4波片(3)，改变相位后入射至第一偏振分光棱镜(5)，分为第二透射光和第二反射光，其中第二透射光经过偏振分光棱镜(5)后直接出射，第二反射光进入反射棱镜(7)后出射；第一反射光经反射棱镜(2)反射进入λ/2波片(4)，改变相位后入射至偏振分光棱镜(6)，分为第三透射光和第三反射光，其中第三透射光经过偏振分光棱镜(6)后直接出射，第三反射光进入反射棱镜(7)后出射；第二透射光、第二反射光、第三透射光和第三反射光为4束不同方向不同偏振态的光束。
2.根据权利要求1所述的同步偏振成像分束器，其特征在于：所述部分偏振分光棱镜(1)透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s波；λ/4波片(3)的快轴与透射p光偏振方向的夹角为45°；λ/2波片(4)的快轴与透射p光偏振方向的夹角为22.5°。
3.根据权利要求1所述的同步偏振成像分束器，其特征在于：所述部分偏振分光棱镜(1)、第一偏振分光棱镜(5)和第二偏振分光棱镜(6)形状均为正方体，尺寸相同；第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(6)所用材料相同。
4.根据权利要求1所述的同步偏振成像分束器，其特征在于：所述第一反射棱镜(2)和第二反射棱镜(7)均为等腰三棱镜，其包含一条位于底面的斜边和一条位于顶面的斜边的侧立面均镀制反射膜形成反射面，反射面与另两个侧立面的夹角θ范围为(45°，60°]；当第三透射光方向与水平光轴夹角为α时，θ满足θ＝α/2+π/4。
5.根据权利要求1所述的同步偏振成像分束器，其特征在于：所述λ/4波片(3)和λ/2波片(4)所用材料、尺寸和形状均相同。
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