CN109856058B - 一种高分辨率实时偏振光谱分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分辨率实时偏振光谱分析装置及方法。所述高分辨率实时偏振光谱分析装置包括组合狭缝阵列、准直镜、光栅、聚焦镜和光电探测器。组合狭缝阵列中的阵列化偏振片由四种不同偏振态的偏振片组成，四种不同偏振态的偏振片构成四条偏振通道，阵列狭缝的每列都具有不同的编码形式，这样后端狭缝的成像光谱就对各列狭缝空间位置信息进行了编码；后期进行解码，从叠加的光谱信息中还原每列狭缝所对应的光谱信息。每条偏振通道对应于一列或多列狭缝的光谱，通过偏振通道与各列狭缝的对应关系，可获得被测量光的高谱分辨率光谱分布、偏振信息（偏振态、偏振度），实现光场的光谱与偏振信息的实时测量分析。

Description

一种高分辨率实时偏振光谱分析装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱分析、光学检测技术领域，具体地说是一种高分辨率实时偏振光谱分析装置及方法。

背景技术

光谱测量技术用于探测目标光谱，获取目标的物质组成等化学特性；偏振测量技术用于探测目标的偏振信息，获取目标的折射率、介电常数和表面粗糙度等物理特性。地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射、透射以及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的特征偏振信息、吸收或反射光谱信息。不同的物体或同一物体的不同状态（例如粗糙度、空隙度、含水量、构成材料的理化特性等）产生不同的偏振状态，且与波长有密切关系，形成偏振光谱。偏振光谱分析技术可实现偏振、光谱两个维度信息提取，在天文观测、云与大气气溶胶探测、农作物估产、军事目标探测以及生物医疗等领域具有很高的利用价值。

偏振光谱分析系统要完整表征一束光的光谱、偏振状态，须得到四个与波长相关的Stokes参量，通常的探测方案是改变不同的条件连续进行四次测量，测量仪器在时间尺度（如旋转偏光元件、电控液晶位相调制器等）或空间尺度上（分振幅、分波前、分焦平面等）完成四次测量。目前实现偏振测量的技术手段从调制原理上大致可分为时间调制、光谱强度调制、空间调制等三个大类。时间调制型一般采用机械旋转器件或者电控元件去调制输入光场的偏振态，其只适用于静态目标场景的测量。空间调制方法以双折射光楔结构作为主要的偏振信息空间调制器，实现方案包括楔形棱镜、萨瓦偏光镜(CSP) 、改进型萨瓦偏光镜(MSP)和偏振光栅型方案，该类型的缺点主要是：楔型棱镜不易加工，很难工程化。

授权公告号为CN 101793558 B的发明专利公开了一种无源静态共轴干涉成像光谱全偏振探测装置，该装置包括共轴设置的前置光学望远系统，静态全光调制模块，基于萨瓦板的静态干涉成像光谱仪，成像镜组，探测器，在探测器后连接有信号获取与处理系统；目标源发出的光通过前置光学望远系统准直后经静态全光调制模块调制，再经过基于萨瓦板的静态干涉成像光谱仪后，变成两束偏振光，这两束光经成像镜组后汇聚于探测器上成像并发生干涉，最后送入信号获取与处理系统。该装置通过特定的位相延迟器将不同的位相因子分别调制到入射光的四个Stokes参数上，再利用双光束干涉数学上的傅里叶变换性质将不同的Stokes参数在光程差域上分开，最后对不同光程差位置上的Stokes 参数进行解调，实现光谱及全部偏振信息的探测。本装置虽然无需运动、无需电控调制部件，就能实现目标图像、光谱及全偏振信息的一体化探测，但其基于双光束干涉实现光谱分析，光谱分辨率为几纳米，难以获得较高的光谱分辨率。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高分辨率实时偏振光谱分析装置及方法，以实现光场的高光谱分辨率、偏振信息的实时快速测量分析，解决偏振光谱分析仪光谱分辨率与光通量、灵敏度信噪比之间的矛盾。

本发明是这样实现的：一种高分辨率实时偏振光谱分析装置，包括组合狭缝阵列、准直镜、光栅、聚焦镜和光电探测器；

所述组合狭缝阵列由沿入射光方向前后排布的阵列化偏振片和阵列狭缝组成；所述组合狭缝阵列以光轴为中心分为上下两部分，所述阵列狭缝具有以光轴为中心的上下对称关系；

所述阵列化偏振片包含四种不同偏振态的偏振片，四种不同偏振态的偏振片沿光谱维方向依次排列，构成四条偏振通道；

所述阵列狭缝由N条不同编码形式的编码狭缝组成，N条编码狭缝在沿光谱维方向上依次排列，构成N条光谱分析通道；N≥4；

所述阵列化偏振片中的每一条偏振通道对应于所述阵列狭缝中的一条或多条光谱分析通道。

优选的，所述阵列狭缝采用阿达玛编码的方式对各列编码狭缝进行编码。

在阵列化偏振片中，偏振片的四种偏振态可以灵活选择，例如可选0°、45°、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振，也可选0°、45°、90°、135°线偏振。

所述光电探测器为电荷耦合器件面阵CCD、光电二极管面阵探测器或CMOS面阵探测器。

所述组合狭缝阵列采用液晶材料、半导体硅材料或玻璃材料通过微机械、微电子工艺制作而成。

采用上述高分辨率实时偏振光谱分析装置对光束进行偏振光谱分析时，具体步骤如下：

a、设置上述高分辨率实时偏振光谱分析装置；

b、使入射光入射组合狭缝阵列，经组合狭缝阵列滤波后的光入射准直镜，准直镜使光线准直后入射至光栅，光栅对光线进行分光，分光后的光束再通过聚焦镜成像在光电探测器上，不同波长的光沿光谱维方向在光电探测器上依次分开；

c、对成像光谱进行解码，从叠加的光谱信息中还原每列狭缝所对应的光谱信息；再根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，获得入射光的偏振信息，实现光场的光谱与偏振信息的实时测量分析。

步骤c中，根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，实现四种偏振态光谱信息的测量，对全光谱积分就可获得各偏振方向的光强信息，根据各偏振方向的光强信息即可得到入射光的偏振态和偏振度。

步骤c中，四种偏振态分别为0°、45°、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振；用四个斯托克斯参数I、Q、U、V来描述入射光的偏振态，I表示总光强度，Q表示主轴方向直线偏振光分量，U表示45°方向直线偏振光分量，V表示右旋圆偏振光分量；

其中，偏振片透光轴在0°时透射光强度为I_0°，偏振片透光轴在90°时透射光强度为I_90°，偏振片透光轴在 45°方向时透射光强度为I _45°，偏振片透光轴在45°方向的右旋圆偏振，其透射光强度为I_λ/4，45°；

则四个斯托克斯参数I、Q、U、V及偏振光的偏振度P，由下面关系式得到：

。

本发明的创新点在于组合狭缝阵列的设计，组合狭缝阵列中的阵列化偏振片由四种不同偏振态的偏振片组成，四种不同偏振态的偏振片构成四条偏振通道，阵列狭缝的行方向对应于偏振光谱分析装置的光谱维方向，列方向垂直于光谱维方向，狭缝的每列都具有不同的编码形式，这样后端狭缝的成像光谱就对各列狭缝空间位置信息进行了编码；后期进行解码，从叠加的光谱信息中还原每列狭缝所对应的光谱信息。每条偏振通道对应于一列或多列狭缝的光谱，也就是通过偏振通道与各列狭缝的对应关系，同时获得被测量光的高谱分辨率光谱分布、偏振信息（偏振态、偏振度），实现光场的光谱与偏振信息的实时测量分析。

本发明所提供的高分辨率实时偏振光谱分析装置与其它现有装置相比，其优势在于：

1）本装置具有高分辨率光谱分析（很容易实现优于1nm的光谱分辨率）、全偏振信息的特点。

2）偏振信息和光谱信息获取的过程中无任何电光、声光或者磁光调制机构，可实现偏振光谱信息的完全实时探测。

3）整个装置为多通道实时测量，无任何运动的部件，具有较好的抗振能力。

附图说明

图1是本发明中高分辨率实时偏振光谱分析装置的结构示意图。

图2中，图2（a）是组合狭缝阵列的结构示意图，图2（b）是阵列化偏振片的结构示意图，图2（c）是阵列狭缝的结构示意图。

图中：1-1、组合狭缝阵列；1-2、准直镜；1-3、光栅；1-4、聚焦镜；1-5、光电探测器；2-1、阵列化偏振片；2-2、阵列狭缝。

具体实施方式

实施例1，一种高分辨率实时偏振光谱分析装置。

如图1所示，本发明所提供的高分辨率实时偏振光谱分析装置包括组合狭缝阵列1-1、准直镜1-2、光栅1-3、聚焦镜1-4和光电探测器1-5。

组合狭缝阵列1-1作为整个偏振光谱分析装置的光阑，对光线进行空间滤波，使光束宽度按照要求的宽度入射到准直镜1-2（本发明中准直镜1-2为准直反射镜）上，同时组合狭缝阵列1-1中含有偏振片，对入射光波具有偏振滤波的作用；准直镜1-2把光线准直后入射到光栅1-3，光栅1-3对光线进行分光，分光后的光束再通过聚焦镜1-4成像在光电探测器1-5上，不同波长的光沿光谱维方向在光电探测器1-5上依次分开。

结合图2，图2（a）中示出了组合狭缝阵列由沿入射光方向前后排布的阵列化偏振片2-1和阵列狭缝2-2组成，图2（b）和图2（c）分别是阵列化偏振片和阵列狭缝的结构示意图。阵列化偏振片2-1与阵列狭缝2-2在沿光谱维方向上的列数量与单元大小具有相互对应关系，组合狭缝阵列以整个光学系统的光轴（即图中虚线所示）为中心分为上下两部分，阵列狭缝2-2的空间排布具有以光轴为中心的上下对称关系。

阵列化偏振片2-1包含四种不同偏振态的偏振片，四种不同偏振态的偏振片沿光谱维方向依次排列，构成四条偏振通道。阵列化偏振片2-1在垂直于光谱维方向上以光轴为中心分为上下两部分，且该上下两部分并不对称，即：上部分四种不同偏振态的偏振片与下部分四种不同偏振态的偏振片在垂直于光谱维方向上并不以光轴为中心呈对称结构，但是，上下两部分偏振片的四种偏振态相同，举例来说，若上部分偏振片的四种偏振态依次分别为0°线偏振、45°线偏振、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振，则下部分偏振片的四种偏振态可以依次分别为45°方向的右旋圆偏振、90°线偏振、45°线偏振和0°线偏振。

阵列狭缝2-2由N（N≥4）条不同编码形式的编码狭缝组成，N条编码狭缝在沿光谱维方向上依次排列，构成N条光谱分析通道。阵列狭缝2-2在垂直于光谱维方向上具有以光轴为中心的上下对称结构。

阵列化偏振片2-1与阵列狭缝2-2两者在沿光谱维方向上具有相互对应关系，阵列化偏振片2-1中的每一个偏振片对应于阵列狭缝2-2中的一列或多列编码狭缝，即：每一条偏振通道对应于一列或多列光谱分析通道。

组合狭缝阵列采用液晶、半导体材料硅、玻璃等，通过微机械（MEMS）、微电子工艺制作而成，这种组合狭缝的形状和位置可以精确的进行控制，满足仪器精度的要求。

光栅1-3可以是平面光栅或者凹面衍射光栅，凹面衍射光栅可以充当光学聚焦镜，同时实现分光和聚焦两种功能。光栅1-3也可以由棱镜替代。光电探测器1-5选用电荷耦合器件面阵CCD、光电二极管（如InGaAs光电二极管）面阵探测器或者CMOS面阵探测器，光电探测器1-5必须采用面阵探测器，以同时获得阵列化偏振片与阵列狭缝的被测光的信息，从而实现并行多通道同时探测。组合狭缝阵列中的阵列化偏振片2-1与后面的阵列狭缝2-2在光谱维方向上的大小、数量及位置具有相互对应关系，同时阵列狭缝2-2在垂直于光谱维方向上的阵列数与光电探测器1-5的像元个数具有相互对应关系。

本实施例中阵列狭缝2-2采用七阶循环S矩阵阿达玛编码的方式，编码狭缝的行方向对应于偏振光谱分析装置的光谱维方向，列方向垂直于光谱维方向，编码狭缝的每列都具有不同的编码形式，这样后端编码狭缝的成像光谱就保留了其相对独立的空间位置信息，通过阿达玛逆运算，从叠加的光谱信息中还原每列编码狭缝所对应的光谱信息，通过单波长标定获得各列编码狭缝的空间信息，最终剔除其空间分布影响，将各列编码狭缝的多条光谱信息进行综合数据处理，最终可得到被测光的高信噪比、高光谱分辨率的光谱信息。

阵列化偏振片2-1由四种不同偏振态的偏振片组成，每个偏振片对应阵列狭缝2-2一列或多列编码狭缝，四种偏振态可以灵活选择，本实施例中选取0°线偏振、45°线偏振、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振。其他实施例中也可以选取0°线偏振、45°线偏振、90°线偏振和135°线偏振。

在获得上述各列编码狭缝的光谱信息的基础上，根据阵列化偏振片2-1各通道与阵列狭缝2-2各列之间的对应关系，实现四种偏振态光谱信息的测量，全光谱积分就可获得各偏振方向在测试波段范围内的总光强信息。

根据解码获得的各偏振方向的被测光在某一波长下以及某一波段范围内的光强信息，通过对四个不同偏振态下信号强度的线性叠加获取Stokes矢量，由此得到被测光的偏振态（SOP）和偏振度（DOP）。用4个Stokes参数I、Q、U、V来描述一束光的偏振态，I—表示总光强度，Q—表示主轴方向直线偏振光分量，U—表示45°方向直线偏振光分量，V—表示右旋圆偏振光分量，这四个参数都是光强度的时间平均。其中：

偏振片透光轴在0°时透射光强度为I_0°；

偏振片透光轴在90°时透射光强度为I_90°；

偏振片透光轴在 45°方向时透射光强度为I_45°；

偏振片透光轴在45°方向的右旋圆偏振，其透射光强度为I_λ/4，45°；

斯托克斯参量及偏振光的偏振度(P)，可利用下列关系式得到：

。

实施例2，一种高分辨率实时偏振光谱分析方法。

采用实施例1中偏振光谱分析装置对一束光进行偏振光谱分析，具体步骤如下：

a、设置实施例1中所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置。

b、使入射光入射组合狭缝阵列，经组合狭缝阵列滤波后的光入射准直镜，准直镜使光线准直后入射至光栅，光栅对光线进行分光，分光后的光束再通过聚焦镜成像在光电探测器上，不同波长的光沿光谱维方向在光电探测器上依次分开。

c、对成像光谱进行解码，从叠加的光谱信息中还原每列狭缝所对应的光谱信息；再根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，获得入射光的偏振信息，实现光场的光谱与偏振信息的实时测量分析。步骤c中的数据处理过程可由计算机来完成。

步骤c中，根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，实现四种偏振态光谱信息的测量，对全光谱积分就可获得各偏振方向的光强信息，根据各偏振方向的光强信息即可得到入射光的偏振态和偏振度。

设四种偏振态分别为0°、45°、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振；用四个斯托克斯参数I、Q、U、V来描述入射光的偏振态，I表示总光强度，Q表示主轴方向直线偏振光分量，U表示45°方向直线偏振光分量，V表示右旋圆偏振光分量。

其中，偏振片透光轴在0°时透射光强度为I_0°，偏振片透光轴在90°时透射光强度为I_90°，偏振片透光轴在 45°方向时透射光强度为I _45°，偏振片透光轴在45°方向的右旋圆偏振，其透射光强度为I_λ/4，45°。

则四个斯托克斯参数I、Q、U、V及偏振光的偏振度P，由下面关系式得到：

。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术方案对以上实施例所作的任何简单的修改、结构的变化代替均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，包括组合狭缝阵列、准直镜、光栅、聚焦镜和光电探测器；

所述组合狭缝阵列由沿入射光方向前后排布的阵列化偏振片和阵列狭缝组成；所述组合狭缝阵列以光轴为中心分为上下两部分，所述阵列狭缝具有以光轴为中心的上下对称关系；

所述阵列化偏振片包含四种不同偏振态的偏振片，四种不同偏振态的偏振片沿光谱维方向依次排列，构成四条偏振通道；

所述阵列狭缝由N条不同编码形式的编码狭缝组成，N条编码狭缝在沿光谱维方向上依次排列，构成N条光谱分析通道；N≥4；

所述阵列化偏振片中的每一条偏振通道对应于所述阵列狭缝中的一条或多条光谱分析通道。

2.根据权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，所述阵列狭缝采用阿达玛编码的方式对各列编码狭缝进行编码。

3.根据权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，阵列化偏振片中，偏振片的四种偏振态分别为0°、45°、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振。

4.根据权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，阵列化偏振片中，偏振片的四种偏振态分别为0°、45°、90°、135°线偏振。

5.根据权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，所述光电探测器为电荷耦合器件面阵CCD、光电二极管面阵探测器或CMOS面阵探测器。

6.根据权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置，其特征是，所述组合狭缝阵列采用液晶材料、半导体硅材料或玻璃材料通过微机械、微电子工艺制作而成。

7.一种高分辨率实时偏振光谱分析方法，其特征是，包括如下步骤：

a、设置如权利要求1所述的高分辨率实时偏振光谱分析装置；

b、使入射光入射组合狭缝阵列，经组合狭缝阵列滤波后的光入射准直镜，准直镜使光线准直后入射至光栅，光栅对光线进行分光，分光后的光束再通过聚焦镜成像在光电探测器上，不同波长的光沿光谱维方向在光电探测器上依次分开；

c、对成像光谱进行解码，从叠加的光谱信息中还原每列狭缝所对应的光谱信息；再根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，获得入射光的偏振信息，实现光场的光谱与偏振信息的实时测量分析。

8.根据权利要求7所述的高分辨率实时偏振光谱分析方法，其特征是，步骤c中，根据偏振通道与光谱分析通道之间的对应关系，实现四种偏振态光谱信息的测量，对全光谱积分就可获得各偏振方向的光强信息，根据各偏振方向的光强信息即可得到入射光的偏振态和偏振度。

9.根据权利要求8所述的高分辨率实时偏振光谱分析方法，其特征是，步骤c中，四种偏振态分别为0°、45°、90°线偏振和45°方向的右旋圆偏振；

用四个斯托克斯参数I、Q、U、V来描述入射光的偏振态，I表示总光强度，Q表示主轴方向直线偏振光分量，U表示45°方向直线偏振光分量，V表示右旋圆偏振光分量；

其中，偏振片透光轴在0°时透射光强度为I_0°，偏振片透光轴在90°时透射光强度为I_90°，偏振片透光轴在 45°方向时透射光强度为I_45°，偏振片透光轴在45°方向的右旋圆偏振，其透射光强度为I_λ/4，45°；

则四个斯托克斯参数I、Q、U、V及偏振光的偏振度P，由下面关系式得到：

。

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