CN109612585B - 一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置及方法，包括：前置望远系统、四分区相位延迟器组件、偏振片、四面角锥棱镜、Savart偏光镜、检偏器、成像镜和CCD探测器；沿入射光线的主光轴方向，依次设置前置望远系统、四分区相位延迟器组件、偏振片、四面角锥棱镜、Savart偏光镜、检偏器、成像镜和CCD探测器；构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；第一组延迟器处于第二组延迟器与前置望远系统之间，第一组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为0°，第二组延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°。本发明可实现全Stokes矢量偏振信息探测，不会造成分辨率的降低，且对入射光谱无特殊要求。

Description

一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置及方法

技术领域

本发明属于成像光谱偏振领域，特别涉及一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置及方法。

背景技术

成像光谱偏振技术(Imaging Spectropolarimetry，ISP)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。尤其是干涉成像光谱偏振技术(Interference I maging Spectropolarimetry,IISP)，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。

偏振干涉成像光谱技术是20世纪90年代后期国际上出现的一种在偏振干涉技术和空间调制干涉成像光谱技术基础上发展起来的，以双折射晶体为分光元件的新型光学遥感探测技术，是对空间调制干涉成像光谱技术的深入和发展。由于其在军事、民用等方面具有广阔的应用前景，其刚一问世，就引起了美国、英国和日本等国学者和研究人员的高度重视。国际上对PII S的研究始于20世纪90年代初期，其中代表性的有：日本大阪大学于1992年研制了基于Sa vart偏光镜的多通道干涉光谱仪实验装置；美国华盛顿大学于1993年在NASA等的支持下研制了基于Wollaston棱镜的数字阵列扫描干涉成像光谱仪(DigitalArray Scanned Interferometer,DASI)；英国圣安德鲁斯大学于1996年研制的基于Wollaston单镜、双镜的具有补偿功能的偏振干涉仪。为了克服DASI中狭缝导致的光通量低的缺点，张淳民、相里斌和赵葆常等学者于2000年提出了时空混合调制的新型偏振干涉成像光谱技术，并研制了基于Savart偏光镜的稳态偏振干涉成像光谱仪(StaticPolarization Interference Imaging Spectrometer，SPIIS)和稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(Static Large Field of View Polarization Interference Imaging Spectrometer，SLPIIS)。相比DASI等空间调制型干涉图成像光谱仪，SPIIS和SLPIIS具有以下的特点：用视场光阑取代了空间干涉成像光谱仪的入射狭缝，这样就在DASI所拥有的所有优点之外，拥有了高通量的显著特点，可以应用于远距离和微弱信号的探测；具有较大的视场角，其干涉条纹不再是双曲线，而是直条纹，有利于光谱复原。

强度调制光谱偏振仪最初是由日本著名学者Kazuhiko Oka于1999年提出的，该装置中，利用相位延迟组件把目标全Stokes分量调制到不同的波数上，从而通过单次测量便可以获取探测目标的全偏振态信息。随后该技术被逐渐应用于基于CTIS、GIS、DTSP、FTIS的ISP上，推动了全偏振ISP技术的发展。如，2006年美国亚利桑那大学在层析成像光谱技术基础上引入Oka相位延迟器组件，单次测量便可得到全部偏振信息和光谱信息，具有实时探测能力。然而数据处理过程较为复杂，且光谱分辨较低。2004年美国重飞行器公司通过在散射型成像光谱装置准直光路前引入Oka相位延迟组件，对色散图像进行傅里叶变换，提取各个Stokes分量所对应的频谱，然后在进行逆傅里叶变换，即可得到全偏振光谱信息；安徽光机所的宋志平等人研究的基于GIS的ISP技术和其有异曲同工之妙。该两种方法均可获得目标的全Stoke s偏振信息，但是要经过两次傅里叶变换，处理过程复杂。2001年，日本的J.Scott Tyo等人提出在空间调制成像光谱装置前面添加Oka相位延迟组件，引入偏振信息探测，将各个Stoke s分量调制到不同光程差上，在干涉图上分开，提取各个Stokes分量所对应的干涉信息，进行傅里叶变换后便可以得到全Stokes偏振信息。2010年美国亚利桑那大学光学中心的Julia等人提出基于双Wollaston棱镜偏振干涉成像光谱装置的FTIS成像光谱偏振技术，采用时间调制型干涉成像光谱装置，可以获得较大光程差的干涉信息，进而提高探测光谱的分辨率。2010年，西安交通大学朱京平教授等人提出了基于单Wollaston棱镜偏振干涉成像光谱仪的成像光谱偏振技术。2011年，西安光机所相里斌研究员等人提出了基于Sagnac干涉成像光谱仪的成像光谱偏振技术，在Sagnac干涉成像光谱仪基础上加入Oka相位延迟组件，引入偏振信息。2011年，西安交通大学张淳民教授等人提出了基于Savart偏光镜的偏振干涉成像光谱仪的IISP技术，在PIIS中引入了Oka位相延迟组件，实现目标图像、光谱及偏振信息的同时测量。

目前，国际上常规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，上述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等提出了强度调制测量Stokes矢量谱的新方法，该方法可以同时测量4个Stokes参数，有着良好的实时性，避免了时间及空间失配问题；但通道调制法会造成光谱分辨率的严重降低，同时由于通道间存在不可解的频谱混叠问题，复原出的Stokes矢量存在误差，而为了尽量减小混叠误差，只能对宽波段的光谱进行测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明可实现全Stokes矢量偏振信息探测，不会造成分辨率的降低，且对入射光谱无特殊要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置，包括：前置望远系统、四分区相位延迟器组件、偏振片、四面角锥棱镜、Savart偏光镜、检偏器、成像镜和CCD探测器；沿入射光线的主光轴方向，依次设置前置望远系统、四分区相位延迟器组件、偏振片、四面角锥棱镜、Savart偏光镜、检偏器、成像镜和CCD探测器；构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；所述四分区相位延迟器组件由两组延迟器构成，第一组延迟器处于第二组延迟器与前置望远系统之间，第一组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为0°，第二组延迟器的快轴方向与x轴正向的夹角为45°。

进一步地，所述前置望远系统包括孔径光阑。

进一步地，检偏器的透振方向与x轴的夹角为0°。

进一步地，成像镜物面设置于Savart偏光镜的后表面。

进一步地，CCD探测器的感光面设置于成像镜的物面。

一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取方法，包括以下步骤：入射光准直处理后，通过分光装置分光后得到干涉图，然后通过光谱复原得到一维光谱信息；入射光准直处理后，通过四分区相位延迟组件对入射Stokes谱进行不同模式的调制，再经过偏振片和四面角锥棱镜将调制后的光线调整成四束偏振光，四束偏振光分别穿过分光干涉仪，最后由成像镜汇聚在CCD探测器上，形成四幅干涉图像，经反演得到不同调制模式下的S₀′谱，最终求解获得入射光的所有Stokes参量。

进一步地，分光装置采用Savart偏光镜。

进一步地，构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；所述四分区相位延迟器组件由两组延迟器构成，第一组延迟器处于第二组延迟器与前置望远系统之间，第一组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为0°，第二组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为45°。

进一步地，只考虑入射光S₀分量的调制情况，入射光经过四个不同角度的延迟器及线偏振器组合后S₀变为S₀′，表达式为：

四分区延迟组件两板R₁和R₂的相位满足下式时：

分别得到四个S₀′值：

其中：α＝2πB(σ)d_ασ和β＝2πB(σ)d_βσ，且B(σ)＝|n_e-n_o|为相位延迟器的折射率，d_α和d_β分别为相位延迟器R₁和R₂的厚度；

由调制后的S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)和S₀′(4)四种光谱复原出目标光源的全部Stokes参量：

进一步地，在CCD的不同区域上分别得到调制谱S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)的干涉图为：

式中：

且由Savart偏光镜产生的光程差表示为：

其中：h为两板厚度，i为入射角，ω为入射面与左板主平面之间的夹角；由傅里叶变换光谱学原理，可通过获得的4幅干涉图复原出S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)，进而通过解调获得入射光的全部Stokes矢量谱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够对图像、光谱和偏振信息一体化获取，可避免时间及空间失配问题，具有良好的实时性，能够适用于对目标的实时探测；本发明的装置不存在运动部件，可提高仪器的稳定性。本发明采用四分区相位调制模型，不存在理论误差，原理上可以对Stokes矢量谱进行无误差复原，能够避免光谱混叠；本发明系统对入射光谱没有要求，可以测量窄带光谱入射；本发明偏振态解调过程无需进行通道滤波，不会造成光谱分辨率的降低。

附图说明

图1是本发明的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置的爆炸示意图；

图2是本发明的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置的光路设计示意图；

图3是现有的ISP组合原理示意框图；

图4是本发明的FRAISP获取偏振和光谱图像的流程示意框图；

图中，1、前置望远系统；2、四分区相位延迟器组件；2.1、第一组延迟器；2.2、第二组延迟器；3、偏振片；4、四面角锥棱镜；5、Savart偏光镜；6、检偏器；7、成像镜；8、CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，本发明的一种四分区相位延迟阵列获取全光信息的装置，由前置望远系统1、四分区相位延迟器组件2、偏振片3、四面角锥棱镜4、Savart偏光镜5、检偏器6、成像镜7和CCD探测器8组成。

构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；其中，前置望远系统垂直设置在入射光线的主光轴方向上，四分区相位延迟器组件沿主光轴方向位于望远系统后方，由两组高阶延迟器构成，第一组高阶延迟器R₁快轴方向与x轴正方向夹角0°，第二组高阶延迟器R₂快轴方向与x轴正方向夹角为45°，偏振片沿y轴方向位于延迟器阵列之后，四面角锥棱镜位于偏振片后，Savart偏光镜沿主光轴方向位于四面角锥棱镜后，检偏器沿主光轴方向位于Savart偏光镜后，检偏器的透振方向与x轴的夹角为0°，成像镜沿主光轴方向位于检偏器之后，其物面位于Savart偏光镜后表面，CCD沿主光轴方向位于成像镜之后，其感光面位于成像镜的物面。

本发明的装置是一种可实现高分辨率图像，高精度光谱和全部Stokes参量的成像光谱偏振装置；同时具有结构合理、性能可靠和操作方便的优点。

工作过程：

请参阅图2，入射光线经系统的前置望远系统L₁、L₂准直，S为孔径光阑，经过四组厚度均满足一定关系的四分区相位延迟器组件R₁和R₂，二者的快轴方向与x轴夹角分别为0°和45°；所述满足一定关系即相位满足公式(3)。对入射Stokes谱进行调制，再经过偏振片P₁(透振方向沿x轴方向)和四面角锥棱镜PP把光线调整成四束偏振光，四束光分别经过Savart偏光镜和偏振片P₂(透振方向沿x轴方向)组成的干涉仪，P₁和P₂的偏振化方向与x轴夹角均为0°；由透镜L₃汇聚在CCD上形成四幅干涉图像，CCD位于透镜L₃的像面；经反演得到不同调制模式下的S₀′谱，最终通过解方程得到入射光的所有Stokes参量。

原理分析：

针对FRAISP的成像、光谱和偏振态同时获取功能，采用理论研究、计算机模拟和实验探测相结合的方法；技术路线上采用孔径分割实现干涉图四强度同时、实时探测，即“四强度探测法”。从原理上讲，只要测得目标的4个干涉强度值，即可反演出光谱信息和全Stokes信息等，这些使偏振信息无误差复原和避免光谱混叠成为可能，且变得十分简捷。

请参阅图3，几何成像中加入相位延迟组件可以引入目标的偏振信息，延迟器两板的厚度可以把目标Stokes分量进行调制，从而通过单次测量便可以获取目标的Stokes全偏振态信息。几何成像中加入分束镜装置，可以使线偏光发生干涉，成为干涉成像光谱仪，可同时获取图像和干涉信息，进而得到目标的光谱信息。由此可见，把相位延迟组件和分束干涉装置同时放到几何成像中去便可以组合成成像光谱偏振仪，同时获取偏振信息和光谱信息。

请参阅图4，由FRAISP系统获取四幅同时含有二维图像、一维光谱信息和一维偏振信息的四维全光信息的目标图像。一维光谱信息通过分光装置分光后得到干涉图，然后光谱复原可以得到，进而识别目标的物理化学属性；本发明中分光装置采用Savart偏光镜。一维偏振信息的全Stokes矢量，可以通过四分区相位延迟组件对入射Stokes谱进行4种不同模式的调制，测量到不同调制模式下的S₀谱，最终通过解方程得到入射光的所有Stokes参量，四强度探测模式调制法不会造成光谱分辨率的下降，避免了通道调制法中频谱混叠的问题，这也是FRAISP的一个亮点。根据光谱图和偏振信息得到光谱数据立方体，数据立方体中包含了目标、光谱和偏振态全部光学信息。我们可根据需要提取目标的图像、光谱或偏振任意一部分信息，对目标进行识别与分析。

本发明的一种四分区相位延迟阵列获取全光信息的方法，包括以下步骤：入射光准直处理后，通过分光装置分光后得到干涉图，然后通过光谱复原得到一维光谱信息；入射光准直处理后，通过四分区相位延迟组件对入射Stokes谱进行不同模式的调制，再经过偏振片和四面角锥棱镜将调制后的光线调整成四束偏振光，四束偏振光分别穿过分光干涉仪，最后由成像镜汇聚在CCD探测器上，形成四幅干涉图像，经反演得到不同调制模式下的S₀′谱，最终求解获得入射光的所有Stokes参量。分光装置采用Savart偏光镜。

由偏振光学原理可知，延迟器的穆勒Muller矩阵为：

式中：

分别为相位延迟组件的Muller矩阵，且是相位延迟量

的函数。

由于CCD只对总光强有响应，而对光线的偏振态不敏感，因此我们只关心S₀分量的调制情况。入射光经过4种不同角度的延迟器及线偏振器组合后，S₀′变为：

式中：S₀为入射光束总能量，S₁为0°方向线偏振光与90°方向线偏振光强度之差，S₂为45°方向线偏振光与135°方向线偏振光强度之差，S₃为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光强度之差，σ为波数，

为相位延迟组件的相位延迟。

当四分区延迟组件两板R₁和R₂的相位满足(3)式时：

可分别得到四个S₀′值如下：

其中：α＝2πB(σ)d_ασ和β＝2πB(σ)d_βσ，且B(σ)＝|n_e-n_o|为相位延迟器的折射率，d_α和d_β分别为相位延迟器R₁和R₂的厚度。

由调制后的S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)和S₀′(4)四种光谱即可复原出目标光源的全部Stokes参量：

通过偏振调制模块以后的光束，经过Savart偏光镜以后变成振动方向相互垂直的两束光，oe光和eo光，它们再经过偏振片P₂以后变为透振方向为x方向的线偏振光，满足相干条件，由透镜L₃汇聚在后方的焦平面上，最终在CCD的不同区域上分别得到调制谱S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)的干涉图：

式中：

且由Savart偏光镜产生的光程差表示如下：

其中：h为两板厚度，i为入射角，ω为入射面与左板主平面之间的夹角。由傅里叶变换光谱学原理，可通过以上4幅干涉图复原出S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)，进而解调出入射光的全部Stokes矢量谱。

综上所述，本发明提出的四分区相位延迟阵列成像光谱偏振技术(Four-quadrantRetarder Array Imaging Spectropolarimetry,FQRAISP)，融合了成像光谱仪和成像偏振仪的优点，可实现全Stokes矢量偏振信息探测；偏振态解调过程无需进行通道滤波，不会造成分辨率的降低；采用四分区相位调制模型，对入射光谱无特殊要求，原理上可以对Stokes矢量谱进行无误差复原，可避免光谱混叠；方案不存在运动部件，同时具有通道调制法实时性的优点。FQRAISP的研究对于生物医学、大气探测、海洋遥感等领域中场景的图像、光谱和偏振信息的实时探测具有重要的研究意义和应用价值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置，其特征在于，包括：前置望远系统(1)、四分区相位延迟器组件(2)、偏振片(3)、四面角锥棱镜(4)、Savart偏光镜(5)、检偏器(6)、成像镜(7)和CCD探测器(8)；

沿入射光线的主光轴方向，依次设置前置望远系统(1)、四分区相位延迟器组件(2)、偏振片(3)、四面角锥棱镜(4)、Savart偏光镜(5)、检偏器(6)、成像镜(7)和CCD探测器(8)；

构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；

所述四分区相位延迟器组件(2)由两组延迟器构成，第一组延迟器(2.1)处于第二组延迟器(2.2)与前置望远系统(1)之间，第一组延迟器(2.1)的快轴方向与x轴的夹角为0°，第二组延迟器(2.2)的快轴方向与x轴正向的夹角为45°；

检偏器(6)的透振方向与x轴的夹角为0°；

CCD探测器(8)的感光面设置于成像镜(7)的物面。

2.根据权利要求1所述的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置，其特征在于，所述前置望远系统(1)包括孔径光阑。

3.根据权利要求1所述的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取装置，其特征在于，成像镜(7)物面设置于Savart偏光镜(5)的后表面。

4.一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取方法，其特征在于，基于权利要求1所述的全光信息获取装置，包括以下步骤：

入射光准直处理后，通过分光装置分光后得到干涉图，然后通过光谱复原得到一维光谱信息；

入射光准直处理后，通过四分区相位延迟组件对入射Stokes谱进行不同模式的调制，再经过偏振片和四面角锥棱镜将调制后的光线调整成四束偏振光，四束偏振光分别穿过分光干涉仪，最后由成像镜汇聚在CCD探测器上，形成四幅干涉图像，经反演得到不同调制模式下的S₀′谱，最终求解获得入射光的所有Stokes参量。

5.根据权利要求4所述的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取方法，其特征在于，构建满足右手定则的xyz坐标系，主光轴为Z轴；所述四分区相位延迟器组件由两组延迟器构成，第一组延迟器处于第二组延迟器与前置望远系统之间，第一组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为0°，第二组延迟器的快轴方向与x轴的夹角为45°。

6.根据权利要求5所述的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取方法，其特征在于，只考虑入射光S₀分量的调制情况，入射光经过四个不同角度的延迟器及线偏振器组合后S₀变为S₀′，表达式为：

式中：S₀为入射光束总能量，S₁为0°方向线偏振光与90°方向线偏振光强度之差，S₂为45°方向线偏振光与135°方向线偏振光强度之差，S₃为右旋圆偏振光与左旋圆偏振光强度之差，σ为波数，

分别为相位延迟组件的相位延迟；

四分区延迟组件两板R₁和R₂的相位分别满足下式情况时：

分别得到四个S₀′值：

其中：α＝2πB(σ)d_ασ和β＝2πB(σ)d_βσ，且B(σ)＝|n_e-n_o|为相位延迟器的折射率，d_α和d_β分别为相位延迟器R₁和R₂的厚度；

由调制后的S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)和S₀′(4)四种光谱复原出目标光源的全部Stokes参量：

7.根据权利要求6所述的一种基于四分区相位延迟阵列的全光信息获取方法，其特征在于，在CCD的不同区域上分别得到调制谱S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)的干涉图为：

式中：

且由Savart偏光镜产生的光程差表示为：

其中：h为两板厚度，i为入射角，ω为入射面与左板主平面之间的夹角；n_o为寻常光o光的折射率；n_e为非寻常光e光的折射率；

由傅里叶变换光谱学原理，可通过获得的4幅干涉图复原出S₀′(1)、S₀′(2)、S₀′(3)、S₀′(4)，进而通过解调获得入射光的全部Stokes矢量谱。

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