CN106289527A - 一种基于偏振干涉的高光谱成像装置及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振干涉的高光谱成像装置及其成像方法，共光轴依次设置前置成像物镜、光阑、准直物镜、偏振分束器、λ/2波片、Savart板、λ/4波片，上述元件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置偏振分光棱镜、后置成像物镜和探测器，上述元件所在光轴为第二光轴；第一光轴和第二光轴垂直。目标透射或反射的光束经过该装置在探测器上产生包含干涉信息的二维图像，利用傅里叶变换光谱复原方法处理便能获得目标的对应的光谱图像。本发明首次将Savart板和λ/4波片组成横向剪切分束器，可为结构稳定、低复杂度的高光谱成像仪器提供一种有效的技术途径。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种基于偏振干涉的高光谱成像装置及其成像方法。
背景技术
干涉型高光谱成像技术利用干涉信号与光谱信号之间的物理关系，通过对干涉信号进行傅立叶变换，复原获得目标的光谱图像信息，在药品检测、农业生产、环境检测、化学分析、刑事侦查等领域具有重要的应用价值。
剪切分束器是高光谱成像系统的核心组件，决定这仪器的使用特性和诸多参数指标，根据其原理的不同，目前的干涉型高光谱成像技术典型代表有：基于变型Sagnac的干涉成像光谱技术和基于双折射晶体的干涉成像光谱技术。其中以双折射晶体为分光元件的偏振干涉成像仪主要分为基于Wollaston棱镜的角剪切干涉仪和基于Savart棱镜的横向剪切干涉仪。Wollaston型的剪切分束器通常由两个完全相同的Wollaston棱镜组合而成，Savart型一般由两块并排放置的Savart板组成。在实际加工和装调中，难以保证两个Wollaston棱镜或Savart板的结构参数完全相同同时完全平行放置，一方面会影响结构支撑精度和稳定性，另一方面这会导致干涉条纹信号的混叠和调制度降低，影响复原光谱的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于偏振干涉的高光谱成像装置及其成像方法，解决了常规Wollaston型和Savart型干涉成像光谱技术方案中复杂度高、制造成本高等的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于偏振干涉的高光谱成像装置，包括前置成像物镜、光阑、准直物镜、偏振分束器、λ/2波片、Savart板、λ/4波片、后置成像物镜和探测器；共光轴依次设置前置成像物镜、光阑、准直物镜、偏振分束器、λ/2波片、Savart板、λ/4波片，上述元件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置偏振分光棱镜、后置成像物镜和探测器，上述元件所在光轴为第二光轴；第一光轴和第二光轴垂直。
一种基于权利要求1所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法，方法步骤如下：
第一步，目标透射或反射的光束经前置成像物镜成像至其像面位置的光阑上，经过准直物镜后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜；
第二步，偏振分束器把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光；反射线偏振光自装置的光路中被反射出去；透射线偏振光经过λ/2波片改变偏振方向并进入Savart板；
第三步，上述线偏振光经过Savart板，被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为寻常光和非寻常光；其中线偏振寻常光沿原方向传播；线偏振非寻常光相对于原方向有偏移量；
第四步，两束线偏振光射向λ/4波片后成为两束圆偏振光，经λ/4波片后表面反射再次通过λ/4波片成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板，获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光；
第五步，上述平行的线偏振光经过λ/2波片后，偏振方向均旋转并再次进入偏振分束器；
第六步，两束线偏振光经过偏振分束器后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜后会聚于探测器靶面上产生干涉图像；
第七步，通过对探测目标进行窗扫型扫描，即对基于偏振干涉的高光谱成像装置整体平移或旋转，由探测器获得目标的干涉图像序列；对干涉图像序列进行高精度图像配准，再对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据组成完整的干涉信号数据，通过傅里叶变换处理便可复原出目标的光谱图像信息。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
（1）横向剪切分束器由Savart板和λ/4波片组合而成，其中λ/4波片的后表面镀制高反膜，降低横向剪切分束器的加工和装调难度，增加系统稳定性。
（2）目标光束经偏振分束器反射的线偏振光可以被用来进行直接成像，为仪器装置提供了一种同时进行高分辨率成像的可行性。
附图说明
图1为本发明的基于偏振干涉的高光谱成像装置的结构示意图。
图2为本发明的横向剪切分束器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种基于偏振干涉的高光谱成像装置，可用于物质的成像式光谱分析，包括前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、偏振分束器4、λ/2波片5、Savart板6、λ/4波片7、后置成像物镜8和探测器9；共光轴依次设置前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、偏振分束器4、λ/2波片5、Savart板6、λ/4波片7，上述元件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置偏振分光棱镜4、后置成像物镜8和探测器9，上述元件所在光轴为第二光轴；第一光轴和第二光轴垂直。
光路如下：
目标透射或反射的光束经前置成像物镜1成像至其像面位置的光阑2上，经过准直物镜3后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜4，偏振分束器4把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光，反射线偏振光自装置的光路中被反射出去；透射线偏振光经过λ/2波片5改变偏振方向并进入线偏振光经过Savart板6，被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为寻常光和非寻常光，其中线偏振寻常光沿原方向传播；线偏振非寻常光相对于原方向有偏移量；两束线偏振光射向λ/4波片7后成为两束圆偏振光，经λ/4波片7后表面反射再次通过λ/4波片7成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板6，获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光，上述平行的线偏振光经过λ/2波片5后，偏振方向均旋转45并再次进入偏振分束器4，两束线偏振光经过偏振分束器4后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜8后会聚于探测器9靶面上产生干涉图像。
所述偏振分束器4为偏振分光棱镜或偏振分光平片，其透振方向垂直于第一光轴，并且平行于第二光轴；λ/2波片5的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为22.5º或67.5º；Savart板6的光轴与第一光轴夹角为45º；λ/4波片7的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为45º；λ/4波片7的后表面镀制金属高反膜。
Savart板6和λ/4波片7组成横向剪切分束器，实现入射光束的横向剪切作用。
一种基于偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法，方法步骤如下：
第一步，目标透射或反射的光束经前置成像物镜1成像至其像面位置的光阑2上，经过准直物镜3后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜4；
第二步，偏振分束器4把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光；反射线偏振光自装置的光路中被反射出去；透射线偏振光经过λ/2波片5改变偏振方向并进入Savart板6；
第三步，上述线偏振光经过Savart板6，被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为寻常光和非寻常光；其中线偏振寻常光沿原方向传播；线偏振非寻常光相对于原方向有偏移量；
第四步，两束线偏振光射向λ/4波片7后成为两束圆偏振光，经λ/4波片7后表面反射再次通过λ/4波片7成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板6，获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光；
第五步，上述平行的线偏振光经过λ/2波片5后，偏振方向均旋转并再次进入偏振分束器4；
第六步，两束线偏振光经过偏振分束器4后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜8后会聚于探测器9靶面上产生干涉图像；
第七步，通过对探测目标进行窗扫型扫描，即对基于偏振干涉的高光谱成像装置整体平移或旋转，由探测器9获得目标的干涉图像序列；对干涉图像序列进行高精度图像配准，再对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据组成完整的干涉信号数据，通过傅里叶变换处理便可复原出目标的光谱图像信息。
实施例1
结合图1，一种基于偏振干涉的高光谱成像装置，包括前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、偏振分束器4、λ/2波片5、Savart板6、λ/4波片7、后置成像物镜8和探测器9；共光轴依次设置前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、偏振分束器4、λ/2波片5、Savart板6、λ/4波片7，上述元件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置偏振分光棱镜4、后置成像物镜8和探测器9，上述元件所在光轴为第二光轴；第一光轴和第二光轴垂直。
结合图2，横向剪切分束器由Savart板6和λ/4波片7组成，λ/4波片的后表面镀制高反膜，Savart板6的光轴与Z轴夹角45°，λ/4波片快轴方向与X轴夹角45°。入射的与X轴夹角45°的线偏振光经过Savart板6被分成振幅相等的寻常光（o光）和非寻常光（e光），其中o光沿原方向传播，e光相对于原方向有一偏移；经过λ/4波片两次相位延迟作用后，分别变为e光和o光，再次经过Savart板6时，e光相对于原方向有一偏移，o光沿原方向继续传播，因此从横向剪切分束器中出射两束方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光。
一种基于偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法，方法步骤如下：
第一步，目标透射或反射的光束经前置成像物镜1成像至其像面位置的光阑2上，经过准直物镜3后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜4。
第二步，偏振分束器4把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光；透射线偏振光经过λ/2波片5后偏振方向旋转45º。
第三步，上述线偏振光经过Savart板6，被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为o光和e光；其中线偏振o光沿原方向传播；线偏振e光相对于原方向有偏移；
第四步，两束线偏振光射向λ/4波片7后成为两束圆偏振光，经λ/4波片7后表面反射再次通过λ/4波片7成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板6，获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光。
第五步，上述平行的线偏振光经过λ/2波片5后，偏振方向均旋转45º或135º，并再次进入偏振分束器4。
第六步，两束线偏振光经过偏振分束器4后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜8后会聚于探测器9靶面上产生干涉图像。
第七步，通过对探测目标进行窗扫型扫描，即对基于偏振干涉的高光谱成像装置整体平移或旋转，由探测器9获得目标的干涉图像序列；对干涉图像序列进行高精度图像配准，再对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据组成完整的干涉信号数据，通过傅里叶变换处理便可复原出目标的光谱图像信息。
本发明的横向剪切分束器由Savart板和λ/4波片组合而成，其中λ/4波片的后表面镀制高反膜，降低横向剪切分束器的加工和装调难度，增加系统稳定性。目标光束经偏振分束器反射的线偏振光可以被用来进行直接成像，为仪器装置提供了一种同时进行高分辨率成像的可行性。
Claims (6)
1.一种基于偏振干涉的高光谱成像装置，其特征在于：包括前置成像物镜（1）、光阑（2）、准直物镜（3）、偏振分束器（4）、λ/2波片（5）、Savart板（6）、λ/4波片（7）、后置成像物镜（8）和探测器（9）；共光轴依次设置前置成像物镜（1）、光阑（2）、准直物镜（3）、偏振分束器（4）、λ/2波片（5）、Savart板（6）、λ/4波片（7），上述元件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置偏振分光棱镜（4）、后置成像物镜（8）和探测器（9），上述元件所在光轴为第二光轴；第一光轴和第二光轴垂直；
目标透射或反射的光束经前置成像物镜（1）成像至其像面位置的光阑（2）上，经过准直物镜（3）后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜（4），偏振分束器（4）把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光，反射线偏振光自装置的光路中被反射出去；透射线偏振光经过λ/2波片（5）后偏振方向旋转进入线偏振光经过Savart板（6），被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为寻常光和非寻常光，其中线偏振寻常光沿原方向传播；线偏振非寻常光相对于原方向有偏移量；两束线偏振光射向λ/4波片（7）后成为两束圆偏振光，经λ/4波片（7）后表面反射再次通过λ/4波片（7）成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板（6），获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光，上述平行的线偏振光经过λ/2波片（5）后，偏振方向均旋转45并再次进入偏振分束器（4），两束线偏振光经过偏振分束器（4）后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜（8）后会聚于探测器（9）靶面上产生干涉图像。
2.根据权利要求1所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述光阑（2）位于前置成像物镜（1）的像面位置。
3.根据权利要求1所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述偏振分束器（4）的透振方向垂直于第一光轴，并且平行于第二光轴；λ/2波片（5）的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为22.5º或67.5º；Savart板（6）的光轴与第一光轴夹角为45º；λ/4波片（7）的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为45º；λ/4波片（7）的后表面镀制高反膜。
4.根据权利要求1所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述Savart板（6）和λ/4波片（7）组成横向剪切分束器，实现入射光束的横向剪切作用。
5.一种基于权利要求1所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法，其特征在于，方法步骤如下：
第一步，目标透射或反射的光束经前置成像物镜（1）成像至其像面位置的光阑（2）上，经过准直物镜（3）后形成准直光束入射至到偏振分光棱镜（4）；
第二步，偏振分束器（4）把准直光束分解成平行于入射面振动的透射线偏振光和垂直于入射面振动的反射线偏振光；反射线偏振光自装置的光路中被反射出去；透射线偏振光经过λ/2波片（5）改变偏振方向后进入Savart板（6）；
第三步，上述线偏振光经过Savart板（6），被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、横向剪切分开的线偏振光，分别为寻常光和非寻常光；其中线偏振寻常光沿原方向传播；线偏振非寻常光相对于原方向有偏移量；
第四步，两束线偏振光射向λ/4波片（7）后成为两束圆偏振光，经λ/4波片（7）后表面反射再次通过λ/4波片（7）成为两束与原偏振方向相垂直的线偏振光，并且各自以平行于入射方向反射至Savart板（6），获得两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、横向剪切距离增加的线偏振光；
第五步，上述平行的线偏振光经过λ/2波片（5）后，偏振方向均旋转并再次进入偏振分束器（4）；
第六步，两束线偏振光经过偏振分束器（4）后，垂直于入射面振动的线偏振光的分量被反射，所述反射光经过成像物镜（8）后会聚于探测器（9）靶面上产生干涉图像；
第七步，通过对探测目标进行窗扫型扫描，即对基于偏振干涉的高光谱成像装置整体平移或旋转，由探测器（9）获得目标的干涉图像序列；对干涉图像序列进行高精度图像配准，再对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据组成完整的干涉信号数据，通过傅里叶变换处理便可复原出目标的光谱图像信息。
6.根据权利要求5所述的基于偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法，其特征在于：所述偏振分束器（4）的透振方向垂直于第一光轴，并且平行于第二光轴；λ/2波片（5）的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为22.5º或67.5º；Savart板（6）的光轴与第一光轴夹角为45º；λ/4波片（7）的快轴垂直于第一光轴，且与第二光轴的夹角为45º；λ/4波片（7）的后表面镀制高反膜。
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