CN110296941B - 一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法，该装置通过将面阵探测器安装在焦平面探测器上，在焦平面探测器前安装双折射位相延迟器阵列和双折射干涉元件，使得待测量光被分为四个子波束，相对于以往光谱全偏振探测装置，没有任何机械运动、电控调制部件，在保证探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取目标光谱全偏振信息的同时，所用双折射元件全部安装在焦平面上、结构简单紧凑，易于集成，体积小，重量轻，对振动及环境不敏感，具有良好的航空航天及野外环境适应性。

Description

一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法

【技术领域】

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法。

【背景技术】

光谱偏振测量技术能够获取目标光的光谱及波长相关偏振信息，在材料科学、环境监测、生物医学、天文观测、深空探索及航空航天遥感等领域有着非常广泛的应用。

目前商用光谱全偏振测量仪(椭圆偏振光谱仪)多采用液晶可调位相延迟器和后续光谱分光结构获得不同波长的全偏振信息，无机械运动部件，具有较高的稳定性。但其工作时，需要电控液晶分子旋转获得不同的位相延迟，不能满足快速变化目标的测量，且对环境较为敏感，光路中有电控调制部件也增加了系统复杂程度，应用条件和环境受到极大限制。为了解决上述问题，发展出了静态快照式光谱全偏振测量技术，探测器单次曝光便可同时获取目标不同波长全偏振信息，对于快速变化目标的测量具有极大优势。

经过多年发展，出现了基于光栅分振幅，偏振光栅，双折射楔形片和偏振片，干涉偏振调制器，通道调制等结构和原理的静态快照式光谱全偏振测量仪器。然而上述光谱全偏振测量仪器普遍存在光路复杂、体积较大、结构不紧凑等问题。虽然通道调制型光谱偏振测量技术可以实现较为紧凑的结构和较小的体积，但存在通道混叠和较大的光谱分辨率损失。近年来，张淳民、高鹏等人又分别提出基于偏振阵列和四分区位相延迟器阵列的光谱全偏振探测方案，能提高通道调制方案的光谱分辨率，但其装置均采用二次成像系统，依然存在体积大、结构复杂的缺点。同时，偏振阵列和位相延迟器阵列中的波片或位相延迟器位相延迟量与温度相关，装置测量精度易受环境温度影响。此外，其偏振阵列采用的消色差波片工作波长范围也受到极大限制。

总的来说，一方面由于全偏振信息是高维信息，而探测器空间维度最大只有两维(面阵探测器)，目前常见的方法是采用多个探测器或者较为复杂的光路将探测器分为若干区域获取数据，多个探测器响应不一致会降低偏振测量精度，复杂的光路易受到环境温度、振动影响；另一方面，要获得波长相关信息必须有分光器件进行分光，从而使测量仪器有较高的复杂程度和较大的体积、重量。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法；本发明提出的装置采用焦平面光路系统，结构简单、紧凑，装调方便，易于集成，对振动及环境不敏感。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，沿入射光线的主光轴方向，成像镜的后方设置有双折射位相延迟器阵列，双折射位相延迟器阵列后依次设置有起偏器、Wollaston棱镜WP、检偏器和面阵探测器；所述双折射位相延迟器阵列、起偏器、Wollaston棱镜WP、检偏器和面阵探测器依次固定连接；

所述双折射位相延迟器阵列包括四组依次固定连接双折射位相延迟器，双折射位相延迟器阵列的阵列方向垂直于主光轴方向，相邻的两组双折射位相延迟器的侧边固定连接，主光轴方向的两侧分别设置有两组双折射位相延迟器；

入射光线的主光轴方向为坐标系中的z向，坐标系满足右手定则。

本发明的进一步改进在于：

优选的，每组双折射位相延迟器包括一个或两个双折射位相延迟器。

优选的，设定每组双折射位相延迟器的快轴和坐标系中x轴的夹角为α，双折射位相延迟器阵列包括四组不同的夹角α的双折位相延迟器。

优选的，起偏器的透振方向为坐标轴的x方向或y方向。

优选的，Wollaston棱镜WP的主截面和起偏器透振方向的夹角为45°。

优选的，检偏器的透振方向和起偏器的透振方向平行或垂直。

一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测方法，待测量光经过成像镜成为会聚光后，通过双折射位相延迟器阵列形成四个子波束，四个子波束均经过起偏器调制后形成四束线偏振光，四束线偏振光经过Wollaston棱镜WP和检偏器处理后，在面阵探测器上形成四组子干涉图；四组子干涉图分别进行傅里叶变换并求解后得到待测量光的光谱全偏振信息，所述光谱全偏振信息为待测量光的所有Stokes参量。

优选的，四组子干涉图为：

其中，i＝1、2、3、4表示四组子干涉图的序号，Δ表示干涉光程差，σ＝1/λ为波数，S₀(σ)～S₃(σ)为4个波长相关Stokes参量，A_i、B_i、C_i分别为三个系数；4个波长相关Stokes参量计算公式为：

S₀(σ)＝4I₁(σ)-A₁S₁(σ)-B₁S₂(σ)-C₁S₃(σ). (11)

其中，

K₁＝(A₁-A₂)(C₃-C₄)-(A₃-A₄)(C₁-C₂), (12)

K₂＝(B₁-B₂)(C₃-C₄)-(B₃-B₄)(C₁-C₂), (13)

K₃＝(A₁-A₃)(C₂-C₄)-(A₂-A₄)(C₁-C₃), (14)

K₄＝(B₁-B₃)(C₂-C₄)-(B₂-B₄)(C₁-C₃). (15)。

优选的，当每组位相延迟器包括两个位相延迟器时，A_i、B_i、C_i三个系数的计算公式分别为：

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，8个位相延迟器的延迟量相同；α_i1，α_i2为每组位相延迟器中的两个位相延迟器的快轴分别与x轴所成的角度。

优选的，当每组位相延迟器为一个位相延迟器时，A_i、B_i、C_i三个系数的计算公式分别为：

A_i＝1-(1-cosδ)sin²2α_i, (5)

C_i＝-sinδsin2α_i, (7)

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，4个位相延迟器的延迟量相同；α_i为每个位相延迟器快轴与x轴所成的角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，该装置通过直接在焦平面探测器前安装双折射位相延迟器阵列和双折射干涉元件，使得待测量光被分为四束子光束，并在焦平面探测器上形成四组子干涉图，相对于以往光谱全偏振探测装置，没有任何机械运动、电控调制部件，探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取目标光谱全偏振信息。相对于通道调制型光谱全偏振装置，无需在光程差域(或傅里叶变换域)上划分占用通道，避免了通道混叠和光谱分辨率损失。同时，所用双折射元件全部安装在焦平面上，只需一次成像光路，结构简单紧凑，易于集成，体积小，重量轻，对振动不敏感。另一方面，由于双折射位相延迟器阵列等对温度敏感元件与焦平面探测器集成在一起，可以共用探测器的制冷部件，使得系统不易受到环境温度的影响，具有良好的航空航天及野外环境适应性。

进一步的，四组位相延迟器中的每组双折射位相延迟器能够为一个或两个双折射位相延迟器，设计灵活，能够根据实际情况进行设定。

进一步的，四组位相延迟器各自的快轴和坐标系中x轴的夹角不同，保证待测光能够被分为四束不同的子光束，获得不同的位相延迟。

进一步的，起偏器的透振方向为坐标轴x或y方向，与位相延迟器一起实现对入射光Stokes参量位相的调制。

进一步的，Wollaston棱镜WP的主截面和起偏器透振方向的夹角为45°，保证分束光振幅相等，获得最大的干涉调制度。

进一步的，检偏器和起偏器的透振方向为平行或垂直的关系，保证WP分束光偏振方向相同，能够发生干涉。

本发明还公开了一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测方法，该方法将测量光会聚后，通过双折射位相延迟器阵列形成四个子波束，并调制不同的位相因子，再通过Wollaston棱镜将每个子波束分为两束具有一定角剪切量，偏振方向互相垂直的等振幅线偏振光。通过检偏器后，在焦平面上发生干涉，产生四组子干涉图，被面阵探测器所接收，最终通过傅里叶变换并求解得到待测量光的光谱全偏振信息，本发明所提出的光谱全偏振探测方法无需位相延迟器具有消色差特性，因此不受消色差波片工作波段范围的限制。

【附图说明】

图1为本发明的静态快照式焦平面光谱全偏振探测装置左视图；

图2为本发明的静态快照式焦平面光谱全偏振探测装置俯视图；

其中：1-成像镜；2-双折射位相延迟器阵列；3-起偏器；4-Wollaston棱镜WP；5-检偏器；6-面阵探测器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明公开了一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置及方法；该装置包括成像镜1、双折射位相延迟器阵列2、起偏器3、Wollaston棱镜WP4、检偏器5和面阵探测器6。

建立坐标系xyz，其中z方向为入射光线的主光轴方向，xyz坐标系满足右手定则，成像镜1布置在xy平面上，成像镜1的后方设置有双折射位相延迟器阵列2、双折射位相延迟器阵列2的后表面和起偏器3固定连接，起偏器3的后表面和Wollaston棱镜WP4固定连接，Wollaston棱镜WP4的后表面和检偏器5固定连接，检偏器5的后表面和面阵探测器6固定连接。成像镜1、双折射位相延迟器阵列2、起偏器3、Wollaston棱镜WP4、检偏器5和面阵探测器6均为同轴排列布置，其轴线为成像镜1的主光轴方向；双折射位相延迟器阵列2包括四组位相延迟器，四组位相延迟器依次相邻布置，相邻组的位相延迟器侧边固定连接，四组位相延迟器相对于主光轴对称布置，即主光轴两侧各设置有两组位相延迟器，每一组位相延迟器的快轴和x轴方向均成不同的夹角α，使得会聚光能够分为四个具有不同位相的子波束；每一组位相延迟器在z向包含一个或两个具有相同位相延迟量的位相延迟器，当每组位相延迟器包括一个位相延迟器时，每一个位相延迟器的快轴和x轴方向成不同的夹角，当每组位相延迟器包括两个位相延迟器时，每一组内的两个位相延迟器相互配合使得四组位相延迟器各自的快轴和x轴方向形成的夹角α组合不同，夹角的范围为-180度到180度；起偏器3透振方向为坐标轴x方向或y方向；Wollaston棱镜WP4的主截面和起偏器3透振方向成45°，检偏器5透振方向与起偏器3透振方向平行或垂直，面阵探测器6位于焦平面上。

该装置的探测方法具体包括以下过程：待测量光经成像镜1变成会聚光，会聚光经过双折射位相延迟器阵列2后，被分割为四个子波束，经过起偏器3的子波束变为线偏振光，同时由于双折射位相延迟器阵列2和起偏器3的作用，不同的位相因子被调制到四个子波束上。这些调制后的子波束经过Wollaston棱镜WP4后，每个子波束分为两束具有一定角剪切量、振幅相等、振动方向相互垂直的线偏振光，形成8束子光束，Wollaston棱镜WP4不同，形成的角剪切量不同，每一个子光束再通过检偏器5后，在焦平面上形成干涉图，最终被面阵探测器6接收，形成的干涉图的表达式通式如下式(1)所示；面阵探测器6接收到的干涉图包含四个子干涉图，分别对应四个子光束，将四个子干涉图分别进行傅里叶变换并求解得到测量光的光谱全偏振信息，即全部的Stokes参量，具体为4个波长相关Stokes参量，具体过程为：

已知干涉图表达式，通过获取的干涉图I_i(Δ)计算Stokes参量；

起偏器3透振方向为x轴方向时，其干涉图可以表示为：

其中i＝1、2、3、4表示四组子干涉图，Δ表示干涉光程差，σ＝1/λ为波数，S₀(σ)～S₃(σ)为4个波长相关Stokes参量，A_i、B_i、C_i分别为三个系数；

针对每组位相延迟器包括位相延迟器数量不同，A_i、B_i、C_i分别为三个系数有不同的表达式：

(1)设定每组位相延迟器包括两个位相延迟器，其快轴方向与x轴的夹角分别为(α₁₁，α₁₂)、(α₂₁，α₂₂)、(α₃₁，α₃₂)和(α₄₁，α₄₂)，这些具有不同夹角α的四组位相延迟器能够任意排列布置，只需保证四组的夹角α组合不同即可；其表达式为：

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，8个位相延迟器的延迟量相同；α_i1，α_i2为每组位相延迟器中的两个位相延迟器的快轴分别与x轴所成的角度。

(2)设定每组位相延迟器包括一个位相延迟器，其快轴方向与x轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃和α₄，这四个具有不同夹角α的位相延迟器能够任意排列布置，只需保证四组的夹角α不同即可；起偏器3透振方向为x轴方向时，得到的四组干涉条纹可用式(1)表示，但系数A_i、B_i、C_i发生变化，为：

A_i＝1-(1-cosδ)sin²2α_i, (5)

C_i＝-sinδsin2α_i, (7)

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，4个位相延迟器的延迟量相同；α_i为每个位相延迟器快轴与x轴所成的角度。

对上述四个子干涉图(包括I₁(Δ)、I₂(Δ)、I₃(Δ)和I₄(Δ))进行傅里叶变换得到I₁(σ)～I₄(σ),并解调可以求出S₀(σ)～S₃(σ)：

S₀(σ)＝4I₁(σ)-A₁S₁(σ)-B₁S₂(σ)-C₁S₃(σ). (11)

其中，

K₁＝(A₁-A₂)(C₃-C₄)-(A₃-A₄)(C₁-C₂), (12)

K₂＝(B₁-B₂)(C₃-C₄)-(B₃-B₄)(C₁-C₂), (13)

K₃＝(A₁-A₃)(C₂-C₄)-(A₂-A₄)(C₁-C₃), (14)

K₄＝(B₁-B₃)(C₂-C₄)-(B₂-B₄)(C₁-C₃). (15)

上式中，A₁、B₁和C₁分别代表子干涉图1的三个系数，A₂、B₂和C₂分别代表子干涉图2的三个系数，A₃、B₃和C₃分别代表子干涉图3的三个系数，A₄、B₄和C₄分别代表子干涉图4的三个系数。

实施例

以每组位相延迟器包含两个位相延迟器为例，其快轴方向与x轴分别成(-22.5°,-45°)，(-22.5°,45°)，(22.5°,45°)和(22.5°,-45°)，起偏器3透振方向为水平时，其干涉图可以表示为：

其中，i＝1、2、3、4表示四组子干涉图，Δ表示干涉光程差，σ＝1/λ为波数，S₀(σ)～S₃(σ)为4个波长相关Stokes参量，A_i、B_i、C_i分别为：

其中δ是每个位相延迟器的延迟量。对每组子干涉条纹进行傅里叶变换得到I₁(σ)～I₄(σ),并解调可以求出S₀(σ)～S₃(σ)：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，沿入射光线的主光轴方向，成像镜(1)的后方设置有双折射位相延迟器阵列(2)，双折射位相延迟器阵列(2)后依次设置有起偏器(3)、Wollaston棱镜WP(4)、检偏器(5)和面阵探测器(6)；所述双折射位相延迟器阵列(2)、起偏器(3)、Wollaston棱镜WP(4)、检偏器(5)和面阵探测器(6)依次固定连接；

所述双折射位相延迟器阵列(2)包括四组依次固定连接双折射位相延迟器，双折射位相延迟器阵列(2)的阵列方向垂直于主光轴方向，相邻的两组双折射位相延迟器的侧边固定连接，主光轴方向的两侧分别设置有两组双折射位相延迟器；设定每组双折射位相延迟器的快轴和坐标系中x轴的夹角为α，双折射位相延迟器阵列包括四组不同夹角α的双折射位相延迟器；

入射光线的主光轴方向为坐标系中的z向，坐标系满足右手定则；

该装置将待测量光被分为四束子光束，并在焦平面探测器上形成四组子干涉图。

2.根据权利要求1所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，每组双折射位相延迟器包括一个或两个双折射位相延迟器。

3.根据权利要求1所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，起偏器(3)的透振方向为坐标轴的x方向或y方向。

4.根据权利要求1所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，Wollaston棱镜WP(4)的主截面和起偏器(3)透振方向的夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置，其特征在于，检偏器(5)的透振方向和起偏器(3)的透振方向平行或垂直。

6.一种基于权利要求1的静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测装置的探测方法，其特征在于，待测量光经过成像镜(1)成为会聚光后，通过双折射位相延迟器阵列(2)形成四个子波束，四个子波束均经过起偏器(3)调制后形成四束线偏振光，四束线偏振光经过Wollaston 棱镜WP(4)和检偏器(5)处理后，在面阵探测器(6)上形成四组子干涉图；四组子干涉图分别进行傅里叶变换并求解后得到待测量光的光谱全偏振信息，所述光谱全偏振信息为待测量光的所有Stokes参量。

7.根据权利要求6所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测方法，其特征在于，四组子干涉图为：

其中，i＝1、2、3、4表示四组子干涉图的序号，Δ表示干涉光程差，σ＝1/λ为波数，S₀(σ)～S₃(σ)为4个波长相关Stokes参量，A_i、B_i、C_i分别为三个系数；4个波长相关Stokes参量计算公式为：

S₀(σ)＝4I₁(σ)-A₁S₁(σ)-B₁S₂(σ)-C₁S₃(σ) (11)

其中，

K₁＝(A₁-A₂)(C₃-C₄)-(A₃-A₄)(C₁-C₂), (12)

K₂＝(B₁-B₂)(C₃-C₄)-(B₃-B₄)(C₁-C₂), (13)

K₃＝(A₁-A₃)(C₂-C₄)-(A₂-A₄)(C₁-C₃), (14)

K₄＝(B₁-B₃)(C₂-C₄)-(B₂-B₄)(C₁-C₃) (15)。

8.根据权利要求7所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测方法，其特征在于，当每组位相延迟器包括两个位相延迟器时，A_i、B_i、C_i三个系数的计算公式分别为：

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，8个位相延迟器的延迟量相同；α_i1，α_i2为每组位相延迟器中的两个位相延迟器的快轴分别与x轴所成的角度。

9.根据权利要求7所述的一种静态快照式焦平面光谱全偏振信息探测方法，其特征在于，当每组位相延迟器为一个位相延迟器时，A_i、B_i、C_i三个系数的计算公式分别为：

A_i＝1-(1-cosδ)sin²2α_i, (5)

C_i＝-sinδsin2α_i, (7)

其中，δ是每个位相延迟器的延迟量，4个位相延迟器的延迟量相同；α_i为每个位相延迟器的快轴与x轴所成的角度。

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