CN106872037A - 快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法，装置包括物镜、光场调制单元、微光学阵列、面阵探测器和数据采集处理显示系统；物镜、光场调制单元、微光学阵列和面阵探测器沿入射光向依次设置；光场调制单元置于物镜的孔径光阑位置，微光学阵列置于物镜的像面位置，面阵探测器置于微光学阵列的后焦面上，并与数据采集处理显示系统相连；光场调制单元包含偏振调制模块和光谱滤光片阵列；偏振调制模块包含沿入射光方向依次放置的第一双楔形延迟板、第二双楔形延迟板和线偏振器。本发明的装置适用于探测动态或快变目标的全光信息、能有效地避免由目标变化、抖动噪声、或环境变化等因素所带来的负面影响，在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。

Description

快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法

技术领域

本发明属于光学遥感探测领域，特别涉及一种偏振光谱成像装置。

背景技术

物体辐射的电磁波中含有目标的空间、光谱和偏振等重要遥感信息，不仅能用于反演目标的形态及物理化学等特性，还能去除背景噪声提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息。为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，应运而生了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术：偏振光谱成像技术。其数据产品既可视为每个波长对应的多维偏振图像，也视为每个偏振态对应的光谱图像，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、机器视觉仿生、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。

偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。若按获取二维空间目标的偏振和光谱信息的方式来分，偏振调制模块和光谱分光模块均可分为时序式和快照式两大类。当前，大多数偏振光谱成像技术都采用时序扫描方式(如画幅式、推扫式、或窗扫式)获取二维场景的偏振光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。涉及的技术主要是将时序式偏振调制模块与快照式光谱分光模块结合，或者将时序式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合，或者将快照式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合。时序获取技术不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性也会影响成像质量，还需要精确的空间定位系统。

相比之下，将快照式偏振调制模块与快照式光谱分光模块有机融合，可以快速实时探测二维空间目标的偏振光谱图像，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响，因此快照式偏振光谱成像技术是当前和未来发展的主要方向，具有重要的应用潜力。当前的快照式全偏振光谱成像装置主要是基于积分视场成像、压缩传感成像、或者计算层析成像技术，不仅系统复杂，还需要繁重的数据重建反演算法。

1996年，文献【1】报道了一种全色的光场相机，系统的光学部分包含了一个主镜，一个微光学阵列和一套二次成像光学透镜。其中，微光学阵列可以是微透镜阵列或者是维孔径阵列；若在主镜的孔径光阑位置处进行光学调制便可以形成不同性能的快照式偏振和光谱成像装置，因此光场调制元件和技术是实现偏振光谱成像关键所在。2005年，文献【2】提出将文献【1】中的二次成像光学透镜去除，仅利用主镜和微透镜实现手持式的全色光场成像相机，具有简单紧凑的优越特点。2009年，文献【3】提出在文献【2】装置中的主镜孔径光阑处放置并列的光谱滤光片阵列和线偏振滤光阵列，利用微孔径阵列获得线偏振图像和多光谱图像；该装置不能获取圆偏振光的信息，而且偏振图像与光谱图像是分离的，不能获取与波长有关的偏振信息。随后，文献【4】提出将文献【3】装置中的滤光片阵列换成线性渐变光谱滤光片用以提高光谱分辨率。2010年，文献【5】提出将文献【4】装置的微孔径阵换成微透镜阵列用以提高光通量，这与文献【2】使用的方法一致。2013年，文献【6】提出在文献【2】装置中的主镜孔径光阑处放置并列的线偏振滤光阵列与线性渐变光谱滤光片，获取分离的偏振图像和高光谱图像。2012年，文献【7】设计了几组不同的光谱滤光片阵列用以提高光谱分辨率，并将文献【3】和【4】中的微孔径阵列替换为微透镜阵列，用以提高光通量。

2012年，中国发明专利“一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪”(授权公告号：CN 102944305B)【8】也提出将文献【3】和【4】中的微孔径阵列替换为微透镜阵列，用以提高光通量，这与文献【5】的方法一致。2013年，中国发明专利“多光谱光场相机的成像方法”(授权公告号：CN 103234527B)【9】提出在中国发明专利“一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪”(授权公告号：CN 102944305B)【8】的装置后面引入组合接力透镜，将微光学阵列的后焦平面二次转移到探测器光敏面上，以利于布置探测器；但是这种方法会增加系统的体积，不利于小型化；而且这种二次成像方法与文献【1】在1996年报道的方法一样，文献【2】的创新之处就在于去除文献【1】的后置二次成像光学以实现系统小型化。2013年中国发明专利“一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪”(授权公告号：CN103472592B)【10】提出在主镜处放置四分区的线偏振滤光片阵列(0°，45°，90°，135°，)，这种方法类似于将文献【3】和【6】中的光谱滤光片去掉，仅实现线偏振成像；2015年中国发明专利申请“一种光场偏振成像系统的偏振定标方法”(申请公开号：CN 105300523 A)【11】和中国发明专利申请“一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法”(申请公开号：CN105890761 A)【12】，报道了一种用于定标中国发明专利“一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪”(授权公告号：CN 103472592B)【10】所报道偏振成像系统的方法。

可以看出，现有的基于光场成像的紧凑型快照式偏振与光谱成像装置或方法，只能获得线偏振光的信息，而且线偏振光图像与光谱图像是分离不相关的。2012年，中国发明专利，“干涉光场成像高光谱全偏振探测装置”(授权公告号：CN102680101 B)【13】和中国发明专利，“同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置及方法”(申请公开号：CN102680101A)【14】，均提出利用成像式的横向剪切干涉仪接收文献【2】装置中微透镜后焦面的分离像点，并在主镜的孔径光阑处放置四分区的全偏振调制元件，用以获取全Stokes偏振参数的光谱图像；但是由于横向剪切干涉仪需要扫描目标才能获得全部光程差对应的干涉图，因此两个发明专利报道的装置都需要采用时序获取方式，不能实现快照式获取，而且系统复杂，体积较大。

参考文献

【1】E.H.Adelson and J.Y.A.Wang,“Single lens stereo with a plenopticcamera,”IEEE Trans.Pattern Anal.Machine Intell.14,99-106(1992).

【2】R.Ng,M.Levoy,M.Bredif,G.Duval,M.Horowitz,and P Hanrahan,“Lightfield photography with a handheld plenoptic camera,”Stanford Tech Report CTSR2005-02(2005).

【3】R.Horstmeyer,G.Euliss,R.Athale,and M.Levoy,“Flexible multimodalcamera using a light field architecture,”International Conference onComputational Photography(2009).

【4】R.Horstmeyer,R.Athale,G.Euliss,“Modified light field architecturefor reconfigurable multimode imaging,”SPIE Vol.7468,746804(2009).

【5】Z.L.Zhou,Y Yuan,B Xiangli,“Light field imaging spectrometer:conceptual design and simulated performance,Front.Opt.,FThM3(2010).

【6】B.D.Bartlett,M.D.Rodriguez,“Snapshot Spectral and PolarimetricImaging；Target Identification with Multispectral Video,”SPIE Vol.8743,87430R-1(2013).

【7】K.Berkner,S.A.Shroff,“Design framework for a spectral mask for aplenoptic camera,”SPIE Vol.8743,87430R-1(2013).

【8】中国发明专利，“一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪”，授权公告号：CN 102944305B.

【9】中国发明专利，“多光谱光场相机的成像方法”，授权公告号：CN 103234527B.

【10】中国发明专利，“一种快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像仪”，授权公告号：CN 103472592B.

【11】中国发明专利申请，“一种光场偏振成像系统的偏振定标方法”，申请公开号：CN 105300523 A.

【12】中国发明专利申请，“一种偏振多光谱成像系统的偏振通道定标方法”，申请公开号：CN 105890761A.

【13】中国发明专利，“干涉光场成像高光谱全偏振探测装置”，授权公告号：CN102680101B.

【14】中国发明专利，“同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置及方法”申请公开号：CN102680101A.

发明内容

本发明的目的在于提供一种快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法，利用光场调制成像的优势，压缩系统尺寸，后期数据处理简单快捷，避免繁重的数据重建算法，减少反演计算时间，实现二维空间目标的偏振光谱辐射的实时获取和视频监视。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，包括物镜、光场调制单元、微光学阵列、面阵探测器和数据采集处理显示系统；物镜、光场调制单元、微光学阵列和面阵探测器沿入射光向依次设置；光场调制单元置于物镜的孔径光阑位置，微光学阵列置于物镜的像面位置，面阵探测器置于微光学阵列的后焦面上，并与数据采集处理显示系统相连；光场调制单元包含偏振调制模块和光谱滤光片阵列；偏振调制模块包含沿入射光方向依次放置的第一双楔形延迟板、第二双楔形延迟板和线偏振器。

进一步的，第一双楔形延迟板与第二双楔形延迟板的材料相同，厚度不同，它们的楔角所在平面相互平行。

进一步的，第一双楔形延迟板包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器的偏振方向成45度和135度角；第二双楔形延迟板包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器的偏振方向成0度和90度角。

进一步的，光谱滤光片阵列包含多个不同中心波长的窄带滤光片或者线性渐变滤光片，光谱调制方向与第一双楔形延迟板的楔角所在平面正交。

进一步的，微光学阵列是微透镜阵列或者微孔径阵列或者微光纤阵列或者微二元光学阵列。

进一步的，第一双楔形延迟板、第二双楔形延迟板、线偏振器和光谱滤光片阵列均紧贴着先后放置。

快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置的探测方法，包括：二维空间目标中的任意一点发出一束光进入物镜，经过光场调制单元进行偏振与光谱调制后，形成各方向携带不同偏振和光谱信息的光束，然后该光束聚于物镜像面处的微光学阵列上，接着透过微光学阵列继续传输，在其后焦面上形成携带不同光学信息的分离像点阵列，数据采集处理显示系统控制面阵探测器快照一帧携带不同偏振和光谱信息的像点阵列图像，经过提取和处理该帧图像数据得到被测二维目标的空间形貌、一维光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。

进一步的，经过光场调制单元的光束分成沿水平方向分布光线和沿竖直方向分布光线；沿水平方向分布光线首先被偏振调制模块进行空间渐变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列进行空间不变的光谱调制，出射光线具有相同的波长；沿竖直方向分布光线首先被偏振调制模块进行空间不变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列进行空间渐变的光谱调制，出射光线具有不同的波长。

进一步的，对面阵探测器获取的相同波长下不同δ值的分离像点阵列进行傅里叶分析或者最小二乘求解，得到目标点在该波长下的全Stokes偏振参数图像；对每一波长都做相同处理，得到目标点的全Stokes偏振参数光谱图像；对所有目标点对应的分离像点阵列都做相同的处理，得到二维空间目标的全Stokes偏振参数光谱图像。

进一步的，第二双楔形延迟板的厚度和第一双楔形延迟板的厚度之比决定着出射光线的光强表达式；当第二双楔形延迟板的厚度是第一双楔形延迟板的两倍时，出射光线的光强表达式为：

式中，(u,v)是光线入射到光场调制单元上的空间坐标位置，λ是波长，S₀，S₁，S₂，S₃是目标光的四个Stokes偏振参数，θ是线偏振器与水平方向的夹角，它取使式中每个Stokes偏振参数所乘系数不为零的任意一个值，δ是第一双楔形延迟板中单个楔形引起的相位延迟。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、快照二维空间目标的一帧图像，即可得到各目标元的偏振光谱信息，同时保留各目标元的空间信息，时间分辨率高，避免了多次测量时因环境变化而带来的影响，二维空间数据关联有效，工作效率高。

2、只在主镜孔径位置处设置光场调制单元，没有后置的二次成像装置，具有简单紧凑小型化的优越性。

3、数据重组处理简单明快，可在监视器上对目标进行实时监视。

本发明相对于采用时序获取模式的画幅型、推扫型、或窗扫型偏振光谱成像装置来说，无需旋转、调谐或步进扫描装置及相关精密定位装置，具有实时快速获取的优越特征。相对于采用大量繁重复杂重建算法的压缩传感或计算层析型快照式偏振光谱成像装置来说，具有实时快速重建的优越特点。相当于积分视场光谱成像装置，具有简单紧凑小型化，空间取样密度高的特点。本发明的装置适用于探测动态或快变目标的全光信息、能有效地避免由目标变化、抖动噪声、或环境变化等因素所带来的负面影响，在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置的结构示意图。

图2是图1中的光场调制单元示意图。

图中，1为物镜、2为光场调制单元、3为微光学阵列、4为面阵探测器、5为数据采集处理显示系统，21为偏振调制模块，22为光谱滤光片阵列，211为第一双楔形延迟板，212为第二双楔形延迟板，213为线偏振器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明一种快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，由沿入射光向依次设置的物镜1、光场调制单元2、微光学阵列3、面阵探测器4、数据采集处理显示系统5组成；其中，光场调制单元2置于物镜1的孔径光阑位置，微光学阵列3置于物镜1的像面位置，面阵探测器4置于微光学阵列3的后焦面上，并与数据采集处理显示系统5相连。

如图2，光场调制单元2包含偏振调制模块21和光谱滤光片阵列22；偏振调制模块21包含沿入射光方向依次放置的第一双楔形延迟板211、第二双楔形延迟板212和线偏振器213；第一双楔形延迟板211与第二双楔形延迟板212的材料相同，厚度不同，它们的楔角所在平面相互平行；第一双楔形延迟板211包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器213的偏振方向成45度和135度角；第二双楔形延迟板212包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器213的偏振方向成0度和90度角；光谱滤光片阵列22包含多个不同中心波长的窄带滤光片或者线性渐变滤光片，光谱调制方向与第一双楔形延迟板211的楔角所在平面正交；微光学阵列3是微透镜阵列或者微孔径阵列或者微光纤阵列或者微二元光学阵列；第一双楔形延迟板211、第二双楔形延迟板212、线偏振器213和光谱滤光片阵列22均紧贴着先后放置。

如图1，物镜1是望远物镜、显微物镜或者普通物镜。

如图1，微光学阵列3是微透镜阵列、微孔径阵列、微光纤阵列、微二元光学阵列，并置于物镜1的像面上；

如图1，面阵探测器4置于微光学阵列3的后焦面上，并与数据采集处理显示系统5相连接；

如图2，光场调制单元2的接收端为第一双楔形延迟板211，出射端是光谱滤光片阵列22，并置于物镜1的孔径光阑上。

如图2，偏振调制模块21包含第一双楔形延迟板211、第二双楔形延迟板212和线偏振器213；

如图2，第一双楔形延迟板211中两个楔形的快轴方向正交，分别与线偏振器213的偏振方向成45度角和135度角，第二双楔形延迟板212中两个楔形的快轴方向正交，分别与线偏振器213的偏振方向成0度和90度角。

本发明一种快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置的探测方法为：二维空间目标中的任意一点发出一束光进入物镜，经过光场调制单元进行偏振与光谱调制后，形成各方向携带不同偏振和光谱信息的光束，然后该光束会聚于物镜像面处的微光学阵列上，接着透过微光学阵列继续传输，在其后焦面上形成携带不同光学信息的分离像点阵列，数据采集处理显示系统控制面阵探测器快照一帧携带不同偏振和光谱信息的像点阵列图像，经过提取和处理该帧图像数据即可得到被测二维目标的空间形貌、一维光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息；其中经过光场调制单元的光束可分成沿水平方向分布光线和沿竖直方向分布光线；沿水平方向分布光线首先被偏振调制模块进行空间渐变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列进行空间不变的光谱调制，出射光线具有相同的波长；沿竖直方向分布光线首先被偏振调制模块进行空间不变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列进行空间渐变的光谱调制，出射光线具有不同的波长；第二双楔形延迟板212的厚度和第一双楔形延迟板211的厚度之比决定着出射光线的光强表达式；当第二双楔形延迟板212的厚度是第一双楔形延迟板211的两倍时，出射光线的光强表达式为：

式中，(u,v)是光线入射到光场调制单元2上的空间坐标位置，λ是波长，S₀，S₁，S₂，S₃是目标光的四个Stokes偏振参数，θ是线偏振器与水平方向的夹角，它取使式中每个Stokes偏振参数所乘系数不为零的任意一个值，δ是第一双楔形延迟板211中单个楔形引起的相位延迟；对面阵探测器获取的相同波长下不同δ值的分离像点阵列进行傅里叶分析或者最小二乘求解，即可得到目标点在该波长下的全Stokes偏振参数图像；对每一波长都做相似处理，即可得到目标点的全Stokes偏振参数光谱图像；对所有目标点对应的分离像点阵列都做相同的处理，即可得到二维空间目标的全Stokes偏振参数光谱图像。

Claims (10)

1.快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，包括物镜(1)、光场调制单元(2)、微光学阵列(3)、面阵探测器(4)和数据采集处理显示系统(5)；

物镜(1)、光场调制单元(2)、微光学阵列(3)和面阵探测器(4)沿入射光向依次设置；

光场调制单元(2)置于物镜(1)的孔径光阑位置，微光学阵列(3)置于物镜(1)的像面位置，面阵探测器(4)置于微光学阵列(3)的后焦面上，并与数据采集处理显示系统(5)相连；

光场调制单元(2)包含偏振调制模块(21)和光谱滤光片阵列(22)；偏振调制模块包含沿入射光方向依次放置的第一双楔形延迟板(211)、第二双楔形延迟板(212)和线偏振器(213)。

2.根据权利要求1所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，第一双楔形延迟板(211)与第二双楔形延迟板(212)的材料相同，厚度不同，它们的楔角所在平面相互平行。

3.根据权利要求1所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，第一双楔形延迟板(211)包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器(213)的偏振方向成45度和135度角；第二双楔形延迟板(212)包含两个楔角相同方向相反的楔形，两个楔形的快轴方向分别与线偏振器(213)的偏振方向成0度和90度角。

4.根据权利要求1所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，光谱滤光片阵列(22)包含多个不同中心波长的窄带滤光片或者线性渐变滤光片，光谱调制方向与第一双楔形延迟板(211)的楔角所在平面正交。

5.根据权利要求1所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，微光学阵列(3)是微透镜阵列或者微孔径阵列或者微光纤阵列或者微二元光学阵列。

6.根据权利要求1所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置，其特征在于，第一双楔形延迟板(211)、第二双楔形延迟板(212)、线偏振器(213)和光谱滤光片阵列(22)均紧贴着先后放置。

7.权利要求1至6中任一项所述的快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置的探测方法，其特征在于，包括：

二维空间目标中的任意一点发出一束光进入物镜(1)，经过光场调制单元(2)进行偏振与光谱调制后，形成各方向携带不同偏振和光谱信息的光束，然后该光束聚于物镜(1)像面处的微光学阵列(3)上，接着透过微光学阵列(3)继续传输，在其后焦面上形成携带不同光学信息的分离像点阵列，数据采集处理显示系统(5)控制面阵探测器(4)快照一帧携带不同偏振和光谱信息的像点阵列图像，经过提取和处理该帧图像数据得到被测二维目标的空间形貌、一维光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。

8.权利要求7所述的探测方法，其特征在于，经过光场调制单元(2)的光束分成沿水平方向分布光线和沿竖直方向分布光线；沿水平方向分布光线首先被偏振调制模块(21)进行空间渐变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列(22)进行空间不变的光谱调制，出射光线具有相同的波长；沿竖直方向分布光线首先被偏振调制模块(21)进行空间不变的偏振调制，然后被光谱滤光片阵列(22)进行空间渐变的光谱调制，出射光线具有不同的波长。

9.权利要求8所述的探测方法，其特征在于，对面阵探测器获取的相同波长下不同δ值的分离像点阵列进行傅里叶分析或者最小二乘求解，得到目标点在该波长下的全Stokes偏振参数图像；对每一波长都做相同处理，得到目标点的全Stokes偏振参数光谱图像；对所有目标点对应的分离像点阵列都做相同的处理，得到二维空间目标的全Stokes偏振参数光谱图像。

10.权利要求7所述的探测方法，其特征在于，第二双楔形延迟板(212)的厚度和第一双楔形延迟板(211)的厚度之比决定着出射光线的光强表达式；当第二双楔形延迟板(212)的厚度是第一双楔形延迟板(211)的两倍时，出射光线的光强表达式为：

$\begin{array}{c}I(u,v,\mathrm{\λ})=0.5\[S_0\\ +S_1(\cos 2\mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ}+\sin 2\mathrm{\δ}\sin 4\mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ})\\ +S_2\left(\cos 4\mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}\right)\\ +S_3(\cos 2\mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}+\sin 2\mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ})\]\end{array},$

式中，(u,v)是光线入射到光场调制单元(2)上的空间坐标位置，λ是波长，S₀，S₁，S₂，S₃是目标光的四个Stokes偏振参数，θ是线偏振器(213)与水平方向的夹角，它取使式中每个Stokes偏振参数所乘系数不为零的任意一个值，δ是第一双楔形延迟板(211)中单个楔形引起的相位延迟。