CN107192455A - 图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置及方法，该装置沿入射光线的主光轴从左到右依次设有望远系统、消色差四分之一波片、延迟器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、延迟器、检偏器、成像镜及CCD探测器。所述望远系统由第一透镜、视场光阑和第二透镜组成；所述视场光阑设置于第一透镜和第二透镜之间的主光轴上。本发明可以通过单次测量获取与仪器光谱分辨率一致的强度光谱与全部的线偏振光谱信息，较传统通道光谱偏振技术使复原的强度光谱与线偏振光谱均不受串扰的影响，复原结果更加精确并且光谱分辨率了提高3‑7倍。

Description

图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置和方法

技术领域

本发明属于偏振态测量技术领域，涉及获取图像、线偏振与光谱的装置及方法，尤其是一种图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置和方法。

背景技术

Stokes矢量谱可以完整的描述目标的光谱及偏振信息，而光谱及偏振信息对于地球遥感探测有着重要的意义，光谱及偏振信息对地物识别、大气监测及物质性质检测方面均有重要作用。成像光谱偏振技术作为一种新型的光学探测方法，目前国际上只有少数科研机构开展相关研究工作。尤其是干涉型成像光谱偏振仪(InterferenceSpectropolarimeter,ISP)，目前仍处于原理探索与实验验证阶段，其技术手段尚未成熟。

目前国际上常规偏振态(Stokes矢量谱)的测量方法有按时间顺序测量及按空间顺序测量等方法，这些方法均需要对目标进行多次测量，存在时间或空间失配问题，限制了其分辨率和偏振测量精度，同时难以做到实时测量，限制了其在偏振探测领域的应用。1999年Kazuhiko Oka等提出的通道光谱偏振技术，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。然而该方法在复原强度光谱与偏振光谱时需要进行通道滤波，该过程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，复原强度光谱与偏振光谱的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，由于强度光谱通道与偏振光谱通道间存在较为严重的频谱混叠，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。

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、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置和方法，其能够解决常规序列测量方法时间及空间失配的问题，可以实时测量快速变化的目标。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置：该装置沿入射光线的主光轴从左到右依次设有用于准直的望远系统、消色差四分之一波片、第一延迟器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、第二延迟器、检偏器、成像镜及CCD探测器。入射光经望远系统准直后变为平行光，平行光依次通过消色差四分之一波片、第一延迟器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、第二延迟器、检偏器和成像镜，最终在CCD探测器上获取到两幅双通道干涉图。

所述望远系统由第一透镜、视场光阑和第二透镜组成；所述视场光阑设置于第一透镜和第二透镜之间的主光轴上。

进一步，构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为z轴，所述消色差四分之一波的快轴方向与x轴正向的夹角为0°；所述延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；Wollaston棱镜的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直。Savart偏光镜左板的光轴与z轴正向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°；Savart偏光镜右板的光轴与z轴负向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°。延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；检偏器的透振方向与y轴平行。CCD探测器的感光面位于成像镜的后焦面处。

本发明还提出一种基于以上装置的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测方法：

入射光经望远系统准直后变为平行光，平行光依次通过消色差四分之一波片、延迟器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、延迟器、检偏器和成像镜，最终到CCD探测器，在CCD探测器上获取的两幅双通道干涉图的强度I₁和I₂分别为：

其中分别为延迟器、延迟器产生的延迟量；Δ_SP为Savart偏光镜产生的光程差；

由以上两式可得：

根据傅里叶变换光谱学原理，对式进行傅里叶变换可以复原出S₀；对式通道滤波及傅里叶变换，可以得到光束总能量S₀、S₁、S₂及S₃：

其中FT{}代表傅里叶变换，real()代表取实部，imag()代表取虚部；

S₀代表光强，S₁代表0°和90°线偏振光的强度差，S₂代表45°和135°线偏振光的强度差，S₃代表右旋和左旋圆偏振光的强度差。

本发明具有以下有益效果：

本发明图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置和方法，通过不同光谱调制模块的光进行角剪切，使他们按不同的光路传播，最终在CCD上获取两幅强度光谱道相位互补的干涉强度，通过这两幅干涉强度相减，可获取强度光谱对应的占据了全部光程差的干涉强度，复原的强度光谱保持了仪器原有的光谱分辨率，并不受其他通道串扰的影响；这两幅干涉强度相加即可抵消强度光谱通道并获取占据了全部光程差的线偏振光谱对应通道，复原的线偏振光谱保留了仪器原有的光谱分辨率并且强度光谱通道的串扰得以消除；从而可以使目标强度光谱与线偏振光谱在保持干涉型光谱仪原有分辨率的同时，通过单次测量来复原出不含通道串扰的强度光谱与线偏振光谱，较传统通道光谱技术使复原的强度光谱与线偏振光谱不受串扰的影响，结果更加精确同时光谱分辨率提高3-7倍。

进一步，本发明整个系统中没有运动部件，探测所有的Stokes矢量谱仅需要一次测量，解决了常规序列测量方法时间及空间失配的问题，可以实时测量快速变化的目标，同时克服了传统通道光谱技术中，复原强度光谱存在误差及光谱分辨率严重降低的缺点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1为望远系统；101为透镜；102为视场光阑；103为透镜；2为消色差四分之一波片；3为第一延迟器；4为Wollaston棱镜；5为Savart偏光镜；6为第二延迟器；7为分析器；8为成像镜；9为CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置为：沿入射光线依次设有望远系统1、消色差四分之一波片2、第一延迟器3、Wollaston棱镜4、Savart偏光镜5、第二延迟器6、检偏器7、成像镜8及CCD探测器9。其中望远系统1包括第一透镜101、视场光阑102及第二透镜103。视场光阑102位于第一透镜101的后焦面上，并与第二透镜103的前焦面重合。

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，消色差四分之一波片2的快轴方向与x轴正向的夹角为0°，第一延迟器3的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；Wollaston棱镜4的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直；Savart偏光镜5左板的光轴与z轴正向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°；Savart偏光镜5右板的光轴与z轴负向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°；第二延迟器6的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；检偏器7的透振方向与y轴平行；CCD探测器9的感光面位于成像镜8的后焦面处。

本发明所述的基于偏振阵列的光谱偏振探测方法包括以下步骤：

由偏振光学原理可知，延迟器的穆勒Muller矩阵为：

其中，θ为延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角，为延迟器的相位延迟量，d为延迟器厚度。

消色差四分之一波片的Mueller矩阵为：

其中θ为波片快轴方向与x轴正向的夹角。

分析器的Muller矩阵为：

其中θ为偏振器的透振方向与x轴正向夹角。

由于最终干涉的两束光是Savart偏光镜分光所得，因此系统中的Wollaston棱镜可等效为两个偏振方向分别沿x轴与y轴的起偏器，这两个起偏器与消色差四分之一波片2、第一延迟器3共同组成了光谱调制模块，WP使通过不同光谱调制模块的两束光沿不同的方向传播。

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：

将各元件对应的穆勒矩阵带入上式可得在CCD上获取的两幅干涉图为：

其中分别为第一延迟器3、第二延迟器6产生的延迟量；Δ_SP为Savart偏光镜5产生的光程差。

通过Stokes矢量描述入射光的光谱及偏振信息时，由于CCD探测器9只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此只考虑入射光的S₀分量调制情况，平行光依次通过消色差四分之一波片2、第一延迟器3、Wollaston棱镜4、Savart偏光镜5、第二延迟器6、检偏器7和成像镜8，最终到CCD探测器9，在CCD探测器9上获取的两幅双通道干涉图的强度I₁和I₂分别为：

根据傅里叶变换光谱学原理，对(3)式进行傅里叶变换可以复原出S₀；对(4)式通道滤波及傅里叶变换，可以得到S₀、S₁、S₂及S₃：

其中FT{}代表傅里叶变换，real()代表取实部，imag()代表取虚部；

S₀代表光强，S₁代表0°和90°线偏振光的强度差，S₂代表45°和135°线偏振光的强度差，S₃代表右旋和左旋圆偏振光的强度差。

Claims (8)

1.一种图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，沿入射光线的主光轴从左到右依次设有用于准直的望远系统(1)、消色差四分之一波片(2)、第一延迟器(3)、Wollaston棱镜(4)、Savart偏光镜(5)、第二延迟器(6)、检偏器(7)、成像镜(8)及CCD探测器(9)；入射光经望远系统(1)准直后变为平行光，平行光依次通过消色差四分之一波片(2)、第一延迟器(3)、Wollaston棱镜(4)、Savart偏光镜(5)、第二延迟器(6)、检偏器(7)和成像镜(8)，最终在CCD探测器(9)上获取到两幅双通道干涉图。

2.根据权利要求1所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，所述望远系统(1)由第一透镜(101)、视场光阑(102)和第二透镜(103)组成；所述视场光阑(102)设置于第一透镜(101)和第二透镜(103)之间的主光轴上。

3.根据权利要求2所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，视场光阑(102)位于第一透镜(101)的后焦面上，并与第二透镜(103)的前焦面重合。

4.根据权利要求1所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为z轴，所述消色差四分之一波(2)的快轴方向与x轴正向的夹角为0°；所述延迟器(3)的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；Wollaston棱镜(4)的光轴分别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直。

5.根据权利要求4所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，Savart偏光镜(5)左板的光轴与z轴正向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°；Savart偏光镜(5)右板的光轴与z轴负向成45°夹角，在xy平面内的投影与x轴正向夹角为45°。

6.根据权利要求4所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，延迟器(6)的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；检偏器(7)的透振方向与y轴平行。

7.根据权利要求4所述的图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测装置，其特征在于，CCD探测器(9)的感光面位于成像镜(8)的后焦面处。

8.一种图像、高分辨率强度光谱与线偏振光谱探测方法，其特征在于：

入射光经望远系统(1)准直后变为平行光，平行光依次通过消色差四分之一波片(2)、第一延迟器(3)、Wollaston棱镜(4)、Savart偏光镜(5)、第二延迟器(6)、检偏器(7)和成像镜(8)，最终到CCD探测器(9)，在CCD探测器(9)上获取的两幅双通道干涉图的强度I₁和I₂分别为：

其中分别为延迟器(3)、延迟器(4)产生的延迟量；Δ_SP为Savart偏光镜(5)产生的光程差；

由以上两式可得：

根据傅里叶变换光谱学原理，对(3)式进行傅里叶变换可以复原出S₀；对(4)式通道滤波及傅里叶变换，可以得到光束总能量S₀、S₁、S₂及S₃：

<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>{</mo> <msub> <mi>I</mi> <msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>}</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中FT{}代表傅里叶变换，real()代表取实部，imag()代表取虚部；

S₀代表光强，S₁代表0°和90°线偏振光的强度差，S₂代表45°和135°线偏振光的强度差，S₃代表右旋和左旋圆偏振光的强度差。