CN107144351A - 一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法，目标发出的光经过准直系统入射到偏振调制模块，光束经过偏振分束器分成反射光和透射光，两束光分别经过22.5°放置的半波片，振动方向旋转45°，之后经过衍射光栅，发生色散，经过平面反射镜，改变传播方向，入射到偏振分束器中，发生二次分光，按照传播方向分成了两组，一组光经过检偏器，振动方向相同，在成像透镜的作用下，在CCD阵列上获得稳定的干涉条纹，另一组光经过0°放置的1/4波片，圆偏振和线偏振互换数值，之后经过偏振镜，在成像透镜的作用下，CCD探测阵列获得干涉条纹。最后对两组干涉条纹进行解调，可获得目标的线全偏振信息。
Description
【技术领域】
本发明属于光学遥感探测领域，涉及一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法。
【背景技术】
偏振成像是一种可以同时获取目标的强度信息和偏振信息的先进探测技术，在提高目标的探测、识别、分类效率和精准度方面具有一定的潜力，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具有重大的应用价值和发展前景。通道调制型偏振成像技术作为一项新型的遥感探测技术，以其独特的遥感探测优势已经引起国内外机构的重视，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，已报道的偏振成像探测技术各具特色。
通道调制型偏振成像仪的核心器件一般采用双折射晶体或者干涉仪。按照成像方式，可以分为主动成像与被动成像，主动成像以穆勒矩阵偏振成像为代表，其光源已知或是可控，从而探测出目标的偏振态；被动成像一般以自然光为主，由于不受光源限制，实际应用范围更广。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。按照时间顺序，又可以分为时序性偏振成像，与非时序偏振成像。时序性主要包括旋转偏振片型和液晶调控型：旋转偏振片型是在成像相机前放置旋转台，旋转偏振片以获得目标偏振态；液晶调控型是电控液晶的排序，实现偏振片功能，也可以获得目标的偏振态，二者的缺点是不能对动态目标成像；非时序又可以分为分振幅型、分孔径型、分焦平面型和通道调制型。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，鲁棒性较低；分孔径型是在将光学系统的孔径分为多个，每个孔径分别探测目标的偏振信息，探测器的利用率较低，制作困难；分焦平面型在探测器前加入偏振板，每四个像素可以探测一个目标像素点的偏振信息，空间分辨率低，工艺制作难度大；通道调制型是在将目标的偏振信息调制到不同的空间频率上，从而在一副图像上获得的目标偏振信息，该偏振成像方法可以同时获得目标的偏振信息，具有制作简单、光路简单、成本低廉、空间分辨率高等优点。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法，该装置可以同时获得目标在宽波段条件下的全偏振成像方法，融合了分振幅型偏振成像和通道调制型偏振成像两种技术，即减少了单纯分振幅型的探测器数量，又可以扩展通道调制型偏振成像方法的成像波段宽度，并且该方法可以实现自校准，解决了分振幅型偏振成像匹配问题。该方案利用闪耀光栅的色散及干涉仪分光得到与波长成正比的光束剪切量，通过两束光干涉，分别获得将偏振信息的stokes参量(S0、S1、S2)或(S0、S2、S3)调制到干涉条纹振幅的两幅图像，其干涉条纹频率与波长成反比，与剪切量成正比，消除了波长的影响。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法，包括以下步骤：
携带有空间目标偏振信息的光经过准直系统入射到偏振探测成像系统中，光束在偏振分束器的作用下分为反射光和透射光，两束光分别经过衍射光栅，实现色散，经过平面反射镜，改变传播方向，接着入射到分束器中，其中一半的光反射一半的光透射，其中透射的两束光汇聚之后经过偏振片之后，振动方向相同，在成像透镜的作用下，在面阵探测器上获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像；反射的两束光经过快轴方向0°放置的1/4波片，将目标的线偏振信息S1与圆偏振信息数值进行了互换，在经过偏振片之后振动方向相同，在成像透镜的作用下，在面阵探测器上获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像，综合两个探测器获得的信息，能够同时得到目标的全偏振信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明融合了分振幅和通道调制型偏振成像方法，弥补了通道调制型偏振成像无法实现宽波段全偏振的不足，也减少了单使用分振幅型偏振成像方法时需要的探测器的数量，光路简单易调，成本低廉，该方法兼具了两种方法的优点。本发明成像波段宽，在弱光条件下可以同时获得目标的强度信息和偏振信息；只需空间目标的一帧图像，即可以获得其全偏振成像信息，可对动态目标进行探测，工作效率高。最后，数据处理简单快速，可实时对目标进行检测。
【附图说明】
图1为实现本发明的色散型马赫泽德干涉仪型全偏振成像装置；
图2为闪耀光栅进行色散补偿原理；
图3为经过偏振调制模块的光束分布图。
其中：100-前置光学镜组；200-偏振调制模块；211-第一偏振分束器；212第二偏振分束器；221-第一宽带半波片；222-第二宽带半波片；231-第一衍射光栅；232-第二衍射光栅；233-第三衍射光栅；234-第四衍射光栅；241-第一平面反射镜；242-第二平面反射镜；250-宽带1/4波片；301-第一偏振镜；302-第二偏振镜；401-第一成像透镜；402-第二成像透镜；501-第一面阵探测器；502-第二面阵探测器；110-物镜；120-视场光阑；130-准直透镜。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-图3，本发明基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像装置，由入射光向依次设置的前置光学镜组100、偏振调制模块200、第一偏振镜301、第二偏振镜302、第一成像透镜401、第二成像透镜402、第一面阵探测器501、第二面阵探测器502和数据采集处理系统组成；
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，马赫泽德干涉仪产生与波长正相关的横向剪切量的关键技术是由两个完全相同的衍射光栅组成的：光束垂直入射到衍射光栅中，发生衍射现象，其中衍射角与波长存在dsinθλ＝mλ的关系(d衍射光栅周期，θλ为衍射角，m为衍射级次，λ为波长)，另剪切量Δ/2＝Ltanθλ，当角度足够小时，上述关系近似为即得到了与波长正相关的剪切量。
如图3，两束光经过偏振调制模块之后，各个波段的剪切量与波长正相关，并调制上了不同相位因子。
偏振调制模块200由第一偏振分束器211、22.5°放置的第一宽带半波片221、第一衍射光栅231、第二衍射光栅232、平面反射镜241以及0°放置的宽带1/4波片250组成；其中闪耀光栅位于马赫泽德光路分支上，两组光栅之间的距离相同，且两支路长度相等；在第一偏振分束器211的作用下，s光反射，p光透射，分为两路；光束经过22.5°放置的宽带半波片之后，振动方向旋转45°，经过第一衍射光栅231之后发生色散现象，不同的波长有不同的衍射角，满足衍射公式，经过第二衍射光栅232之后，光线的传播方向又发生变化，光束变为平行光；经过45°放置的平面反射镜之后，改变传播路线；同理，另一路光经历相同的改变。两束光在第二偏振分束器212处相遇，经过第二偏振分束器212之后，两束光分别进行了第二次分光。光束经过第一偏振片301之后，振动方向相同，在第一成像透镜401的作用下于焦平面汇聚，发生干涉现象，第一面阵探测器501可以捕获到一组干涉条纹图。另，光束首先经过快轴方向0°放置的宽带1/4波片250，其携带的线偏振信息S1与圆偏振信息S3互换位置，偏振态由S＝[S0,S1,S2,S3]T转变为S＝[S0,S3,S2,S1]T，再经过第二偏振片302，振动方向相同，在第二成像透镜402的作用下第二面阵探测器502可以探测到一组干涉条纹。理论上发生干涉时两束光存在一个波长的相位差(此处机械加工精度及其高，马赫泽德干涉仪四条边，臂长完全相等)，发生干涉时，中心条纹有所偏移，但是不影响测量结果；最后通过数据采集系统采集、提取和处理即可得到线偏振信息对应的二维空间分布图。
本发明基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法，包括以下步骤：
携带有空间目标偏振信息的光经过准直系统入射到偏振探测成像系统中，光束在偏振分束器的作用下分为反射光和透射光，两束光分别经过衍射光栅，实现了色散，经过平面反射镜，改变传播方向，接着入射到分束器中，其中一半的光反射一半的光透射，其中透射的两束光汇聚之后经过偏振片之后，振动方向相同，在成像透镜的作用下，在CCD探测阵列上可以获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像，而反射的两束光经过快轴方向0°放置的1/4波片，将目标的线偏振信息S1与圆偏振信息数值进行了互换，在经过偏振片之后振动方向相同，在成像透镜的作用下，在CCD探测阵列上可以获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像，综合两个探测器获得的信息，即可同时得到目标的全偏振信息。
闪耀光栅为衍射光栅元件的理想情况，将利用衍射效率极高的一级衍射光，分光器将均匀地把光分为两部分，不会引入偏振误差。通过基于马赫泽德干涉仪的色散型偏振调制模块的光具有横向剪切作用，且剪切量与波长近似成正比例关系。
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 (1)
1.一种基于马赫泽德干涉仪的宽波段全偏振成像方法，其特征在于，该方法基于一种宽波段全偏振成像装置，所述宽波段全偏振成像装置包括依次设置于光路上的用于准直入射光的前置光学镜组(100)、偏振调制模块(200)、第一成像透镜(401)、第二成像透镜(402)、第一面阵探测器(501)以及第二面阵探测器(502)；入射光进入前置光学镜组(100)后进入偏振调制模块(200)，经过偏振调制模块(200)后形成两组四束振动方向相同的光线，其中一组在第一成像透镜(401)的作用下，在第一面阵探测器(501)上形成干涉条纹，另一组经过一个快轴方向0°放置的宽带1/4波片(250)，并在第二成像透镜(402)的作用下，在第二面阵探测器(502)上形成干涉条纹；第一面阵探测器(501)和第二面阵探测器(502)上均连接有用于对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶反转换的数据采集处理系统；
偏振调制模块(200)包括第一偏振分束器(211)，入射光经第一偏振分束器(211)后，分为透射光和反射光，反射光与透射光之间的夹角为90°；透射光路上依次设置有22.5°放置的第一宽带半波片(221)、第一衍射光栅(231)、第二衍射光栅(232)和第一平面反射镜(241)，透射光经过第一平面反射镜(241)后，与经过第一偏振分束器(211)后的反射光平行；反射光路上依次设置有22.5°放置的第二宽带半波片(222)、第三衍射光栅(233)、第四衍射光栅(234)和第二平面反射镜(242)，反射光经过第二平面反射镜(242)后，与经过第一偏振分束器(211)后的透射光平行；经过第一平面反射镜(241)的透射光和经过第二平面反射镜(242)的反射光在第二偏振分束器(212)处汇聚，经过透射光和反射光经过第二偏振分束器(212)后振动方向相互垂直；
所述方法包括以下步骤：
携带有空间目标偏振信息的光经过准直系统入射到偏振探测成像系统中，光束在偏振分束器的作用下分为反射光和透射光，两束光分别经过衍射光栅，实现色散，经过平面反射镜，改变传播方向，接着入射到分束器中，其中一半的光反射一半的光透射，其中透射的两束光汇聚之后经过偏振片之后，振动方向相同，在成像透镜的作用下，在面阵探测器上获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像；反射的两束光经过快轴方向0°放置的1/4波片，将目标的线偏振信息S1与圆偏振信息数值进行了互换，在经过偏振片之后振动方向相同，在成像透镜的作用下，在面阵探测器上获得稳定的干涉条纹，最后对干涉条纹进行傅里叶转换、滤波及傅里叶逆转换，从而获得线偏振分量的二维图像，综合两个探测器获得的信息，能够同时得到目标的全偏振信息。
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