CN109781260B - 超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置及探测方法，包含沿入射光向依次设置的透镜阵列和探测器；偏振干涉仪设置于透镜阵列与探测器之间，或透镜阵列前方；偏振干涉仪包含线起偏器、楔角为β的单楔形双折射棱镜和线分析器，线起偏器和线分析器的透振方向相同并与单楔形双折射棱镜的快轴方向成45度夹角；线起偏器设置于单楔形双折射棱镜前方；探测器的感光面位于透镜阵列的后焦面上。探测装置的探测器一次曝光周期内，即可获得不同对应光程差的干涉图像阵列，不需要采样关于零光程差对称的干涉图，干涉图的数目远少于满足内奎斯特采样定理所需的采样数目，空间分辨率得以提高，利用压缩感知算法可重建出高光谱分辨率的偏振光谱图像。
Description
技术领域
本发明属于光学遥感探测技术领域，特别涉及一种用于光谱辐射探测的光谱成像装置及探测方法。
背景技术
物体辐射的电磁波中含有随空间位置变化的光谱信息，可用于反演目标的形态及物理化学等特性。光谱成像技术是一种同时获取二维空间目标光谱信息的前沿遥感技术，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。
光谱成像技术按获取二维光谱信息的时间分辨率来分，可分为时序式和快照式两大类。当前，大多数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。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，也难搭载于抖动比较大或机动性比较大的平台，需要空间定位系统。
相比之下，快照式光谱成像技术可以在单次曝光时间内获取二维空间目标的光谱图像，具有快速实时探测优势，不仅能提高工作效率，还可有效避免序列测量时因环境变化而带来的影响，因此快照式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。
快照式光谱成像技术按照成像模式可分为：直接光谱成像和计算光谱成像两种。直接光谱成像主要是指光学系统获取的数据是所见即所得的，可以直接提供光谱图像，或者仅需要简单的数据重组过程。该类技术主要是积分视场光谱成像技术【1,2】，滤光片阵列分孔径成像技术【3,4】，或滤光片阵列分焦平面成像技术等【5,6】。积分视场光谱成像技术往往需要色散光学，系统体积大，难以实现紧凑微型化。相比而言，基于滤光片阵列的快照式光谱成像技术，结构简单，可实现紧凑微型。但是，滤光片阵列分孔径光谱成像技术的光谱通道数受限于小口径窄带滤光片的加工和集成技术；若要获取高光谱分辨率，需要上百个滤光片集成一起，实现起来非常困难【7】。而滤光片阵列分焦平面成像技术通常采用贝叶斯排列方法，将几个不同波段的窄带滤光片在焦平面上进行周期性排列，同样需要精密的加工和集成技术，而且仅能同时获取几个波段的光谱图像。线性渐变滤光片可以连续调制光谱，其制造具有技术成熟、工艺完备，物美价廉的优势。但是，它常被用于基于狭缝的推扫型高光谱成像系统中，通过系统与场景的相对移动，获取二维目标的高光谱信息。最近，线性渐变滤光片与特殊排布的透镜阵列组合，实现了高光谱成像能力【8】。但是光谱通道与空间分辨率之间是互相制约的；增加光谱通道数，空间分辨率就要降低，反之亦然。
计算光谱成像主要是指光学系统获取的数据不是所见即所得的，需要经由后期复杂繁重的重建算法处理，方可得到最终的光谱图像。该类技术主要涉及计算层析光谱成像技术【9】、压缩感知光谱成像技术【10】、干涉光谱成像技术【11】等。计算层析光谱成像技术主要基于Radon变换算法，有锥失现象，空间分辨率较低。压缩感知技术可以在保持大空间分辨率的前提下，增加光谱通道数，但是需要的压缩感知光谱系统结构复杂，需要精密的编码元件。干涉光谱成像技术主要基于傅里叶变换光谱学重建算法，具有多通道高通量高信噪比的优点；但是，由于需要生成关于零光程差对称的干涉图，且光程差的采样需要满足内奎斯特采样定理，采样数目较大，复原光谱分辨率取决于光程差采样数目和最大光程差，这就导致所需的干涉仪装置复杂。而偏振干涉仪具有比较紧凑的结构特性，越来越多地被用于干涉成像光谱系统中；但是当前偏振干涉仪中的双折射元件至少需要两片以上的组合，导致了结构复杂、加工困难、不经济实惠。
可见，现有单一途径难以实现同时具有结构简单紧凑、经济实惠、分辨率高等优点的光谱成像技术。
参考文献：
【1】美国发明专利，“Hyperspectral imaging systems”，美国专利公告号：US8174694 B2.
【2】中国发明专利，“快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置”，授权公告号：CN 103592030 B.
【3】R.Shogenji,Y.Kitamura,K.Yamada,S.Miyatake,J.Tanida,“Multispectralimaging using compact compound optics,”Opt.Express 12(8),1643(2004).
【4】B.Geelen,N.Tack,A.Lambrechts,“A Snapshot Multispectral Imager withIntegrated,Tiled Filters and Optical Duplication,”SPIE Vol.8613,861314(2013).
【5】美国发明专利，“Snapshot spectral imaging systems and methods”，美国专利公告号：US 8081244 B2.
【6】美国发明专利，“Snapshot spectral imaging of the eye”，美国专利公告号：US 8109634 B2.
【7】P.Lapray,X.Wang,J.Thomas,and P.Gouton,“Multispectral FilterArrays:Recent Advances and Practical Implementation,”Sensors 14,21626-21659(2014).
【8】中国发明专利，“超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置及探测方法”，申请号201710571025.0.
【9】美国发明专利，“Computed tomography imaging spectrometer(CTIS)with2D reflective grating for ultraviolet to long-wave infrared detectionespecially useful for surveying transient events”，美国专利公告号：US 6522403B2.
【10】美国发明专利，“Coded aperture snapshot spectral imager and methodtherefor”，美国专利公告号：US 8553222 B2.
【11】M.W.Kudenov and E.L.Dereniak,"Compact real-time birefringentimaging spectrometer"Opt.Express 20,17973(2012).
发明内容
本发明的目的在于提供一种超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置及探测方法，以实现同时具有结构简单超紧凑、经济实惠、分辨率高等特点的偏振光谱成像，以解决上述技术问题。本发明融合透镜阵列的图像复制优势和单楔形偏振干涉仪的光谱调制特色，简化系统结构，压缩系统尺寸，仅在光谱域中进行偏振光谱编码压缩技术，对偏振干涉图进行稀疏采样，增加子图像的空间分辨率，实现二维空间目标高空间分辨率和高光谱分辨的实时偏振光谱成像，不受目标移动或环境变化因素影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，包含沿入射光向依次设置的透镜阵列和探测器；
还包括偏振干涉仪和数据采集处理显示系统；
所述偏振干涉仪设置于透镜阵列与探测器之间，或者设置于透镜阵列前方；
偏振干涉仪包含沿入射光向依次设置的线起偏器、楔角为β的单楔形双折射棱镜和线分析器，线起偏器和线分析器的透振方向相同并与单楔形双折射棱镜的快轴方向成45度夹角；
线起偏器设置于单楔形双折射棱镜前方；
探测器的感光面位于透镜阵列的后焦面上；探测器与数据采集处理显示系统相连。
进一步的，透镜阵列中各子透镜的中心在单楔形双折射棱镜的劈形截面内的投影高度不同，自劈形顶部到底部依次排布。
进一步的，透镜阵列和偏振干涉仪的组合排列成四象限并行光路，其前方设置四象限偏振调制器；
四象限偏振调制器包括并行排列的四个偏振调制态不同的偏振调制器。
进一步的，透镜阵列和偏振干涉仪之间设有与透镜阵列子透镜数目相同的挡光孔阵列。
进一步的，还包括准直光学系统；准直光学系统包含沿入射光向依次设置的物镜、视场光阑和准直镜，并且视场光阑置于物镜的像面上，物镜的像面与准直镜的前焦面重合；准直光学系统位于透镜阵列和偏振干涉仪前方。
超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置的探测方法，包括以下步骤：平行光入射到透镜阵列中各个子透镜上分别进行会聚，聚焦于面阵探测器的感光面上成像，数据采集处理显示系统控制面阵探测器快照一帧携带空间和偏振干涉信息的图像阵列。
进一步的，透镜阵列形成的各子图像经历偏振干涉仪的采样光程差不等。
进一步的，二维空间目标的光束经过准直后入射到透镜阵列中。
进一步的，数据采集处理显示系统提取子图像中各空间位置的干涉强度g分布，并利用已知偏振光谱分布的标准光源标定出子图像中各空间位置的偏振光谱调制矩阵H，将二维空间的入射偏振光谱分布f与干涉强度g和光偏振谱调制矩阵H建立如下线性关系：
g＝Hf，
利用压缩感知算法直接估计入射偏振光谱分布f。
进一步的，利用压缩感知算法直接估计入射光谱分布f：
或者
其中γ是正则化参数，||·||1表示l1范数，ΦTV是总变差正则化函数。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、由于结合了压缩感知算法进行光谱重建，使得基于单楔形双折射棱镜的偏振干涉仪首次可被用于构建偏振光谱成像装置，让它与透镜阵列结合使用，结构上具有简单、超紧凑、微型化的优越性。
2、相对于基于傅里叶变换光谱学的快照式干涉光谱成像装置及方法来说，干涉仪装置得以简化，无需采样零光程差的干涉图，无需采样关于零光程差对称的干涉图，光程差的采样数目无需满足傅里叶变换光谱学内奎斯特采样定理所需的数目，光程差采样数目可远少于待测光谱通道数目，使得空间分辨率得以提升，并且能重建较高的光谱分辨率，且光谱分辨率不再取决于最大光程差。
3、相对于基于滤光片或色散元件的快照式光谱成像装置及方法来说，干涉光谱调制使得系统具有多通道、多复元、高通量、高信噪比的优越性。
4、相对时序式扫描光谱成像装置及方法来说，单次曝光即可获取二维空间目标的偏振光谱信息，适用于探测动态或快变目标、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是本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置的结构示意图。
图2(a)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中透镜阵列的倾斜排布示意图。
图2(b)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中偏振干涉仪旋转后的结构示意图。
图2(c)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中透镜阵列的楼梯格点排布示意图。
图2(d)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中单楔形双折射棱镜的劈形截面中子透镜中心的投影分布示意图。
图3是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中透镜阵列和偏振干涉仪重复排列成四象限的并行光路图。
图4是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中插入挡光阵列的侧视光路图。
图5(a)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中偏振干涉仪移动后的侧视光路图。
图5(b)是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中偏振干涉仪移动后的侧视光路图。
图6是图1中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中透镜阵列前方加入望远系统的结构示意图。
图7是图6中本发明超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置中透镜阵列前方加入望远系统的侧视光路图。
图中，11为准直光学系统、111为物镜、112为视场光阑、113为准直镜、12为透镜阵列、121为透镜阵列的倾斜排布、122为透镜阵列的楼梯格点排布、13为偏振探测器、131为线起偏器、132为单楔形双折射棱镜、133为线分析器、14为探测器、15为数据采集处理显示系统、16为挡光孔阵列、17为四象限偏振调制器、171为偏振调制器、172为偏振调制器、173为偏振调制器、174为偏振调制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1所示，本发明一种超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，包含沿入射光向依次设置的透镜阵列12、偏振干涉仪13、探测器14，还包括与探测器14连接的数据采集处理显示系统15。
偏振干涉仪13包含沿入射光向依次设置的线起偏器131、楔角为β的单楔形双折射棱镜132和线分析器133，它们紧贴放置，且线起偏器131和线分析器133的透振方向相同并与单楔形双折射棱镜132的快轴方向成45°夹角；偏振干涉仪13紧贴探测器14的感光面放置。
线起偏器131可设置于单楔形双折射棱镜132前方的任意位置。
探测器14的感光面位于透镜阵列12的后焦面上；探测器14与数据采集处理显示系统15相连。
透镜阵列12中各子透镜的中心在单楔形双折射棱镜132的劈形截面内的投影高度不同，自劈形顶部到底部依次排布。
如图2(a)所示，为实现上述投影高度，透镜阵列12中子透镜可按正方形或长方形格点进行排布，以系统光轴为旋转轴，透镜阵列12相对于偏振干涉仪13旋转一定角度α，且0°<α<90°。
如图2(b)所示，为实现上述投影高度，透镜阵列12中子透镜可按正方形或长方形格点进行排布，以系统光轴为旋转轴，偏振干涉仪13相对于透镜阵列12旋转一定角度α，且0°<α<90°。
如图2(c)所示，为实现上述投影高度，透镜阵列12中子透镜可按楼梯格点进行排布，使各行子透镜中心的连线相对于水平面成一定角度α，且0°<α<90°。
如图2(d)所示，为实现上述投影高度，透镜阵列12中子透镜可按杂乱排布，使得各子透镜的中心在单楔形双折射棱镜132的劈形截面内的投影高度不同，自劈形顶部到底部依次排布。
如图3所示，为获取全偏振光谱图像，透镜阵列12和偏振干涉仪13的组合可重复排列成四象限并行光路，并在其前方设置四象限偏振调制器17；
四象限偏振调制器17包括并行排列的四个偏振调制态不同的偏振调制器171，偏振调制器172，偏振调制器173和偏振调制器174。
如图4所示，透镜阵列12和偏振干涉仪13直接插入与子透镜数目相同的挡光孔阵列16。
如图5(a)所示，偏振干涉仪13可置于透镜阵列12和探测器14之间的任意位置；探测器14的感光面位于透镜阵列12的后焦面上。
如图5(b)所示，偏振干涉仪13可置于透镜阵列12的前方。
如图6所示，为了探测任意距离的目标，可在透镜阵列12前方可加入准直光学系统11，准直光学系统11包含沿入射光向依次设置的物镜111、视场光阑112和准直镜113，并且视场光阑112置于物镜111的像面上，物镜111的像面与准直镜113的前焦面重合。
如图7所示，本发明提供一种超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置的探测方法，包括以下步骤：二维空间目标的光束透过物镜111成中间像面于视场光阑112处，中间像面发出光束透过准直镜113后形成平行光，入射到透镜阵列12中各个子透镜上分别进行会聚，透过偏振干涉仪13聚焦于面阵探测器14的感光面上成像，数据采集处理显示系统15控制面阵探测器14快照一帧携带空间和干涉信息的图像阵列。
透镜阵列12形成的各子图像经历偏振干涉仪13的采样光程差不等，不需要采样零光程差，不需要采样关于零光程差对称的光程差，采样光程差的数目远少于满足傅里叶变换光谱学内奎斯特采样定理所需的采样光程差的数目。
数据采集处理显示系统15提取子图像中各空间位置的干涉强度g分布，并利用已知偏振光谱分布的标准光源标定出子图像中各空间位置的偏振光谱调制矩阵H，将二维空间的入射偏振光谱分布f与干涉强度g和光偏振谱调制矩阵H建立如下线性关系：
g＝Hf，
利用压缩感知算法直接估计入射偏振光谱分布f。
可以利用压缩感知算法直接估计入射光谱分布f：
或者
其中γ是正则化参数，||·||1表示l1范数，ΦTV是总变差正则化函数；
或者利用稀疏基W和信号的稀疏表示Θ来间接估计入射光谱分布f：
或者
求解计算器可以是GPSR算法或TwIST算法或其他。
Claims (10)
1.超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，其特征在于，包含沿入射光方向依次设置的透镜阵列(12)和面阵探测器(14)；
还包括偏振干涉仪(13)和数据采集处理显示系统(15)；
所述偏振干涉仪(13)设置于透镜阵列(12)与面阵探测器(14)之间，或者设置于透镜阵列(12)前方；
偏振干涉仪(13)包含沿入射光向依次设置的线起偏器(131)、楔角为β的单楔形双折射棱镜(132)和线分析器(133)，线起偏器(131)和线分析器(133)的透振方向相同并与单楔形双折射棱镜(132)的快轴方向成45度夹角；
线起偏器(131)设置于单楔形双折射棱镜(132)前方；
面阵探测器(14)的感光面位于透镜阵列(12)的后焦面上；面阵探测器(14)与数据采集处理显示系统(15)相连。
2.根据权利要求1所述的超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，其特征在于，透镜阵列(12)中各子透镜的中心在单楔形双折射棱镜(132)的劈形截面内的投影高度不同，自劈形顶部到底部依次排布。
3.根据权利要求1所述的超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，其特征在于，透镜阵列(12)和偏振干涉仪(13)的组合排列成四象限并行光路，其前方设置四象限偏振调制器(17)；
四象限偏振调制器(17)包括并行排列的四个偏振调制态不同的偏振调制器。
4.根据权利要求1所述的超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，其特征在于，透镜阵列(12)和偏振干涉仪(13)之间设有与透镜阵列(12)子透镜数目相同的挡光孔阵列(16)。
5.根据权利要求1所述的超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置，其特征在于，还包括准直光学系统(11)；准直光学系统(11)包含沿入射光方向依次设置的物镜(111)、视场光阑(112)和准直镜(113)，并且视场光阑(112)置于物镜(111)的像面上，物镜(111)的像面与准直镜(113)的前焦面重合；准直光学系统(11)位于透镜阵列(12)和偏振干涉仪(13)前方。
6.权利要求1至5中任一项所述的超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：平行光入射到透镜阵列(12)中各个子透镜上分别进行会聚，聚焦于面阵探测器(14)的感光面上成像，数据采集处理显示系统(15)控制面阵探测器(14)快照一帧携带空间和偏振干涉信息的图像阵列。
7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，透镜阵列(12)形成的各子图像经历偏振干涉仪(13)的采样光程差不等。
8.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，二维空间目标的光束经过准直后入射到透镜阵列(12)中。
9.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，数据采集处理显示系统(15)提取子图像中各空间位置的干涉强度g分布，并利用已知偏振光谱分布的标准光源标定出子图像中各空间位置的偏振光谱调制矩阵H，将二维空间的入射偏振光谱分布f与干涉强度g和偏振光谱调制矩阵H建立如下线性关系：
g＝Hf，
利用压缩感知算法直接估计入射偏振光谱分布f。
10.根据权利要求9所述的探测方法，其特征在于，利用压缩感知算法直接估计入射光谱分布f：
或者
其中γ是正则化参数，||·||1表示l1范数，ΦTV是总变差正则化函数。
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