CN109489579A - 一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，包含第一光栅、第二光栅、Sagnac环；Sagnac环包含反射镜、偏振分束器、偏振片、成像透镜、CCD探测器；第一光栅位于偏振分束器透射光路上；第二光栅位于偏振分束器反射光路上；反射镜位于第一光栅的水平方向与第二光栅垂直方向的交叉处；偏振片位于第一光栅的下方；成像透镜位于偏振片的下方；CCD探测器位于成像透镜的下方；本发明采用的光栅为相同器件，保证了光束相互平行；不仅起到了消除衍射角，同时也起到了分光的作用；结构紧凑，效率极高，可以产生高分辨率、波段更宽的光谱，使该装置适用于高分辨率偏振光谱成像。
Description
技术领域
本发明涉及偏振成像的研究领域，特别涉及一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置及方法。
背景技术
成像光谱技术是集成像与光谱探测为一体的光学遥感技术，能够在连续光谱段上对同一地物进行分光谱同时成像，即在探测物体空间特征的同时将各个空间像元分光形成纳米级光谱分辨率的光谱信息，从而能从图谱合一的影像立方体上的任一像元得到目标的光谱曲线，因此，成像光谱数据可以对观测目标在几何形状和光谱特征两个方面进行分析和识别。近几年来，随着探测技术不断发展，探测器灵敏度和计算机处理数据能力的提高，干涉光谱技术也迅速发展，实现了大量图像数据的快速处理，使得干涉型光谱成像技术在遥感应用技术中成为先进技术。
中国专利“一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪”(CN201410076785)提出了一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪，其中，基于Wollaston棱镜分光的成像方法包括：光经过第一个偏振片改变光线偏振方向再通过第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过第n个偏振片改变光线偏振方向再通过第n个Wollaston棱镜分光得到2n束光，n取值为2或3；所述2n束光通过成像镜再经过镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。这种方法虽然稳定性高，但是使用Wollaston棱镜分光会导致色散，从而了限制带宽，条纹可见度也会随着光程差的增加而降低。
中国专利“一种偏振干涉成像光谱系统”(CN201620024948)提出了一种偏振干涉成像光谱系统。成像光谱系统包括微透镜阵列、准直镜、第一偏振阵列、Savart偏光镜组、第二偏振阵列、成像透镜、CCD探测器、信号处理系统，其中目标光源入射微透镜阵列，经过准直镜形成平行光，再经过第一偏振阵列形成线偏振光，Savart偏光镜组将线偏振光束分成两束线偏振平行光，再经过第二偏振阵列形成偏振方向相同的线偏振光，最后通过成像透镜聚合在CCD探测器上，形成干涉图，CCD探测器上形成的干涉图输入信号处理系统进行处理得到带有偏振信息的光谱图。这种方法虽然结构简单稳定，没有任何机械运动部件和电调谐器件，但是同样的使用Savart偏光镜分光会导致色散，从而了限制带宽，条纹可见度也会随着光程差的增加而降低。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，能改善了偏振Sagnac干涉仪产生的光谱，产生高分辨率、波段更宽的光谱。
本发明的另一目的在于提供一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，包含第一光栅、第二光栅、Sagnac环；
所述Sagnac环包含反射镜、偏振分束器、偏振片、成像透镜、CCD探测器；
所述第一光栅位于线栅偏振分束器透射光路上；所述第二光栅位于线栅偏振分束器反射光路上；
所述反射镜位于第一光栅的水平方向与第二光栅垂直方向的交叉处；
所述偏振片位于第一光栅的下方；所述成像透镜位于偏振片的下方；所述CCD探测器位于成像透镜的下方；
目标光源入射线栅分束器，然后分成两束偏振方向垂直的偏振光，两束偏振光分别依次经过第一光栅、反射镜然后再次经过高密度宽带光栅，最后两束偏振光分别再次经过线栅分束器，经过入射和反射形成两束偏振方向相互平行的偏振光。两束出射的平行偏振光经过线偏振片，最后通过成像透镜聚合在CCD探测器上。在这个系统中，使用光栅以及Sagnac环来获得光谱，并且由分束器发射的光束在CCD探测器上形成干涉图案。
进一步地，所述偏振分束器与水平方向成45°；
进一步地，所述第一光栅位于偏振分束器垂直方向的正上方；所述第二光栅位于偏振分束器水平方向；
进一步地，所述第一光栅到偏振分束器的中心距离与第二光栅到偏振分束器的中心距离相等；
进一步地，所述第一光栅为高密度宽带光栅；所述第二光栅为高密度宽带光栅；
进一步地，所述偏振分束器为线栅偏振分束器；
进一步地，所述偏振片为线性偏振片。
本发明的另一目的通过以下技术方案实现：
一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、设成像透镜的焦距为fobj，把偏振分束器放置在坐标原点；偏振分束器与X轴和Z轴负半轴分别成45°；第一光栅在X轴正半轴且与X轴正半轴成θ，第二光栅在Z轴负半轴且与Z轴负半轴成θ，θ为0；设第一光栅中心与偏振分束器中心距离为d1，第二光栅中心与偏振分束器中心距离为d2，偏振片、成像透镜和CCD探测器都在Z轴正半轴，偏振片与Y轴成45°；
S2、目标光源经过准直器以平行光形式由X负半轴向X正半轴入射，光束在偏振分束器处被分割成两束完全偏振光：第一偏振光和第二偏振光，振动方向相互垂直；第一偏振光相对于Z轴平行，第一偏振光在第二光栅到第一光栅的光程中先经过第二光栅透射，通过反射镜反射再经过第一光栅透射到达偏振分束器，被偏振分束器反射后由Z轴正方向射出；第二偏振光透过第一光栅经反射镜反射到达第二光栅，从第二光栅处被透射回到偏振分束器的另一面，并透过偏振分束器向Z轴正方向射出；
S3、第一偏振光和第二偏振光的振动方向存在相同和相反两种情况，取决于偏振片的偏振效果，经过成像透镜后成像在CCD探测器上；
S4、光束经过偏振分束器在第一光栅处产生-1级衍射级，光束被散射到第二光栅时，由第一光栅产生的衍射角被消除，出射光线产生偏移量，偏移距离为基于第一光栅的色散补偿偏振Sagnac干涉仪参数包含X0常量的-λx0；而被偏振分束器反射的光束结果第二光栅后发生色散，经过第一光栅产生平行于光轴的出射光束，且光束偏移距离为+λx0。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明采用的第一光栅和第二光栅为具有相同刻度线，相同衍射角和相同一级衍射效率的相同器件，保证了经光栅衍射再经WGBS出射的光束相互平行；不仅起到了消除衍射角，使出射光线平行z轴出射，同时也起到了分光的作用，在线性偏振片后能清晰地观察到入射光的光谱；由于不同元素(或化合物)各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可以从谱线的强度定量分析出元素的含量；该偏振成像技术只需要一个反射镜，结构紧凑，效率极高，可以产生高分辨率、波段更宽的光谱，使该装置适用于高分辨率偏振光谱成像。
附图说明
图1是本发明所述一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置的结构图；
图2是本发明所述一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置的展开结构图。
图中，1-第一光栅，2-反射镜，3-第二光栅，4-偏振分束器，5-偏振片，6-成像透镜，7-CCD探测器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，如图1所示，包含第一光栅1、第二光栅3、Sagnac环；
所述Sagnac环包含反射镜2、偏振分束器4、偏振片5、成像透镜6、CCD探测器7；
所述第一光栅1位于线栅偏振分束器4透射光路上；所述第二光栅3位于线栅偏振分束器4反射光路上；第一光栅1位于偏振分束器4垂直方向的正上方；所述第二光栅3位于偏振分束器4水平方向；第一光栅1到偏振分束器4的中心距离与第二光栅3到偏振分束器4的中心距离相等；
偏振分束器4为线栅偏振分束器；偏振分束器4与水平方向成45°；
第一光栅1和第二光栅3都为高密度宽带光栅；
所述反射镜2位于第一光栅1的水平方向与第二光栅3垂直方向的交叉处；
所述偏振片5位于第一光栅1的下方；所述成像透镜6位于偏振片5的下方；所述CCD探测器7位于成像透镜6的下方；
偏振片5为线性偏振片；
目标光源入射线栅偏振分束器，然后分成两束偏振方向垂直的偏振光，两束偏振光分别依次经过第一光栅、反射镜然后再次经过第二光栅，最后两束偏振光分别再次经过线栅偏振分束器，经过入射和反射形成两束偏振方向相互平行的偏振光。两束出射的平行偏振光，经过线偏振片，最后通过成像透镜聚合在CCD探测器上。在这个系统中，使用光栅以及Sagnac环来获得光谱，并且由分束器发射的光束在CCD探测器上形成干涉图案。
由于两个相同的宽带光栅的存在，使反射镜和线栅偏振分束器(WGBS)的中心距离相同，这样衍射角公式就可以如下式计算：
式(1)中，是光线正入射到光栅时从高密度光栅法线处测量得到的衍射角，m表示不同级别的衍射等级，d是光栅周期。
设成像透镜的焦距为fobj把WGBS放置在坐标原点；WGBS与x轴和z轴负半轴分别成45°；第一光栅在x正半轴且与x正半轴成θ；第二光栅处于z负半轴且第二光栅与z轴负半轴成θ；设第一光栅中心与WGBS中心距离为d1，第二光栅中心与WGBS中心距离为d2，线性偏振片5、成像透镜6和CCD探测器7都在z轴正半轴，线性偏振片5与y轴成45°。第一光栅1和第二光栅3分别与x轴和z轴平行。当一束被测光经过准直器以平行光的形式(设定为I)由x负半轴向x正半轴方向入射时，光束在WGBS 4处被分割成两束完全偏振光Ip1和Ip2，它们的振动方向相互垂直。设Ip1偏振方向相对于纸面平行。其中Ip1在第二光栅3到第一光栅1的光程中先经过第二光栅3透射，通过反射镜2反射后再通过第一光栅1透射到达WGBS 4，由于WGBS 4的存在使Ip1只能被反射，所以Ip1，所以Ip1被WGBS 4反射后由z轴正方向射出。Ip2的光路与Ip1相反，透过第一光栅1经反射镜2反射到达第二光栅3，从第二光栅3处被透射然后回到WGBS4的另一面，由于Ip2只能透射WGBS 4，所以Ip2透过WGBS 4后向z轴正方向射出。两束偏振光的振动方向存在相同或者相反两种情况，取决于线性偏振片5处的偏振效果，经过成像透镜6后成像在接收设备CCD探测器7上。在整个光路中，由于引入的两个宽带光栅所以存在宽带光谱，透过光束经过WGBS 4后在第一光栅1处产生-1级衍射级，光线被散射到第二光栅3时，原来由第一光栅1产生的衍射角会被消除。出射光线虽然还是平行于光轴，但是光线产生了偏移量，偏移距离为相关于基于宽带衍射光栅的色散补偿偏振Sagnac干涉仪参数包含x0常量的-λx0。反之，被WGBS 4反射的光束经过第二光栅3后发生色散，经过第一光栅1产生平行于光轴的出射光束，且光束偏移间距为+λx0。
两个高密度宽带光栅在此装置中不仅起到了消除衍射角，使出射光线平行z轴出射，同时也起到了分光的作用，在线性偏振片5后我们可以清晰地观察到入射光的光谱。由于不同元素(或化合物)各有自己特定的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物质所含的元素或化合物；还可以从谱线的强度定量分析出元素的含量。
如图2所示，图2为基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置展开结构图。对于整体光路的分析，得到基于宽带衍射光栅的色散补偿偏振Sagnac干涉仪的剪切距离。
式(2)中，p、q分别依次代表着第一光栅到反射镜、反射镜到第二光栅的距离，λ为入射光波长。
由此可知，由于负一级衍射，产生与波长成正比的剪切量，使得相位因子为：
其中，fobj为成像透镜的焦距，xi为像平面的坐标；
结合上述的相位因子，物体发出的光经(物镜焦距fobj)成像透镜重新成像在FPA上光强分布为：
式(4)中，光强是从m＝0级到m的最大级光强的总和，最大级次是(d/λ1)sin(π/2)；λ1是测到的最小波长；
S'0(m),S'2(m)和S'3(m)是被两光栅衍射效率积分之后加权的Stokes参量，如式(5)～(7)所示
λ1和λ2是经过系统的波长最小值和最大值；S0(λ)、S2(λ)、S3(λ)分别为斯托克斯参数；DE为衍射效率。
对应的干涉图的光谱强度为：
f1和f2是经过系统的波长最小值λ1和最大值λ2的相对应的频率值。通过对光强的傅里叶变换可以得到相应的光谱强度。
本实例中，第一光栅1和第二光栅3为相同器件。相同器件是指光栅之间具有相同的刻线数、相同的衍射角和相同的一级衍射效率，更优的选择是两块光栅在相同加工条件下同一批次加工完成，这样可以保证经光栅衍射再经WGBS出射的光束相互平行。熔融石英光栅可以设计成宽带、偏振无关、高效率光栅，和以前的棱镜分光技术相比，具有色散能力强，结构紧凑的优点。
将干涉成像面设置成成像透镜6的焦平面上，可以在干涉成像面上形成稳定清晰的干涉条纹，后续由CCD探测器7接收。该偏振成像技术只需要一个反射镜，结构紧凑，效率极高，可以产生高分辨率、波段更宽的光谱，使该装置适用于高分辨率偏振光谱成像。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，包含第一光栅、第二光栅、Sagnac环；
所述Sagnac环包含反射镜、偏振分束器、偏振片、成像透镜、CCD探测器；
所述第一光栅位于偏振分束器透射光路上；所述第二光栅位于偏振分束器反射光路上；第一光栅和第二光栅为相同器件；
所述反射镜位于第一光栅的水平方向与第二光栅垂直方向的交叉处；
所述偏振片位于第一光栅的下方；所述成像透镜位于偏振片的下方；所述CCD探测器位于成像透镜的下方；
目标光源入射线栅分束器，然后分成两束偏振方向垂直的偏振光，两束偏振光分别依次经过第一光栅、反射镜然后再次经过高密度宽带光栅，最后两束偏振光分别再次经过线栅分束器，经过入射和反射形成两束偏振方向相互平行的偏振光。两束出射的平行偏振光经过线偏振片，最后通过成像透镜聚合在CCD探测器上。在这个系统中，使用光栅以及Sagnac环来获得光谱，并且由分束器发射的光束在CCD探测器上形成干涉图案。
2.根据权利要求1所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述偏振分束器与水平方向成45°。
3.根据权利要求1所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述第一光栅位于偏振分束器垂直方向的正上方；所述第二光栅位于偏振分束器水平方向。
4.根据权利要求3所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述第一光栅到偏振分束器的中心距离与第二光栅到偏振分束器的中心距离相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述第一光栅为高密度宽带光栅；所述第二光栅为高密度宽带光栅。
6.根据权利要求1所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述偏振分束器为线栅偏振分束器。
7.根据权利要求1所述的一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像装置，其特征在于，所述偏振片为线性偏振片。
8.一种基于高密度光栅的Sagnac偏振成像方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、设成像透镜的焦距为fobj，把偏振分束器放置在坐标原点；偏振分束器与X轴和Z轴负半轴分别成45°；第一光栅在X轴正半轴且与X轴正半轴成θ，第二光栅在Z轴负半轴且与Z轴负半轴成θ，θ为0；设第一光栅中心与偏振分束器中心距离为d1，第二光栅中心与偏振分束器中心距离为d2，偏振片、成像透镜和CCD探测器都在Z轴正半轴，偏振片与Y轴成45°；
S2、目标光源经过准直器以平行光形式由X负半轴向X正半轴入射，光束在偏振分束器处被分割成两束完全偏振光：第一偏振光和第二偏振光，振动方向相互垂直；第一偏振光相对于Z轴平行，第一偏振光在第二光栅到第一光栅的光程中先经过第二光栅透射，通过反射镜反射再经过第一光栅透射到达偏振分束器，被偏振分束器反射后由Z轴正方向射出；第二偏振光透过第一光栅经反射镜反射到达第二光栅，从第二光栅处被透射回到偏振分束器的另一面，并透过偏振分束器向Z轴正方向射出；
S3、第一偏振光和第二偏振光的振动方向存在相同和相反两种情况，取决于偏振片的偏振效果，经过成像透镜后成像在CCD探测器上；
S4、光束经过偏振分束器在第一光栅处产生-1级衍射级，光束被散射到第二光栅时，由第一光栅产生的衍射角被消除，出射光线产生偏移量，偏移距离为基于第一光栅的色散补偿偏振Sagnac干涉仪参数包含X0常量的-λx0；而被偏振分束器反射的光束结果第二光栅后发生色散，经过第一光栅产生平行于光轴的出射光束，且光束偏移距离为+λx0。
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