CN111272282A - 旋转式光谱成像-偏振测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转式光谱成像‑偏振测量系统，包括偏振模组、成像光谱模组、感光芯片三个部分；偏振模组通过旋转偏振片及波片改变待测物体反射光偏振态；成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组旋转角度，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和一维光谱信息。本发明通过将成像光谱与偏振成像相结合，可以得到在连续波长通道下的待测物体片偏振信息，克服了传统型穆勒矩阵偏振成像技术仅能在单波段下成像的明显局限性。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转式光谱成像-偏振测量系统。
背景技术
目前，成像光谱仪以多通道光谱技术为基础，集光学成像和光谱测量为一体，可以同时获取目标的图像信息和对应的光谱信息。成像光谱仪能够对物质的结构和成分进行分析、测量和处理，具有分析精度高、测量范围广等优点，广泛应用于石油、材料、农学、地质勘探、生物化学、医药卫生、环境保护、安全检测等领域。目前，成像光谱仪根据其扫描方式分为摆扫式成像光谱仪、推帚式成像光谱仪、凝视型成像光谱仪。摆扫式也称为揺扫式、光机扫描式，利用线探测器接收目标各波段信息。其机械装置比较复杂笨重。推帚式利用面探测器接收目标个波段的信息，其推扫所需空间较大，且对推扫平台精度要求较高，机械装置复杂。凝视型高光谱成像利用面阵探测器的像元与系统观察范围内的目标元一一对应，利用声光可调谐滤波器、渐变滤光片等分光等方式分光。目标的图像信息与光谱信息不能同时提取，后期数据处理比较困难，并且空间分辨率有限，光谱通道数也有限制。相对于以上几种高光谱成像方式，旋转成像光谱仪集成了推扫式的高空间及光谱分辨率，并且同轴旋转的方式避免了推扫式高光谱成像方式的不足。
随着成像技术的发展，除上述高光谱成像方式外，偏振成像在成像技术中的应用逐渐受到广泛的重视，其利用偏振成像探测的方法测量目标反射的偏振度和偏振角信息，可以有效弥补传统成像的不足，解决传统光度学在目标识别中难以解决的问题，并取得高精度的结果。光在照射到物体表面前后，偏振态会发生一定规律的变化。使用斯托克斯参量(S0，S1，S2，S3)T来表示单色平面光波的各种偏振态，光的电矢量S分量(即y方向上)振幅ES和P分量(即x方向上)振幅EP以及相位差δ与4个斯托克斯参量的关系如下式(1)：
式中：S0为光波的总强度；S1为光波在x方向上线偏振光分量与y方向上线偏振光分量之间的光强差；S2为光波在π/4方向上线偏振光分量与-π/4方向上线偏振光分量的光强差；S3为光波右旋偏振光分量与左旋偏振光分量的光强差。
可采用旋转偏振片测量法测量斯托克斯矢量：入射光经过一相位延迟器即波片，随后经过检偏器，通过4个不同偏振方向的强度图即可求得斯托克斯矩阵。
由斯托克斯矢量可计算得到偏振特征参量：偏振度、偏振角及偏振椭率，公式分别如下式(2)、(3)、(4)：
偏振度:
偏振角：
偏振椭率：
光在照射到物体表面后反射光偏振态的斯托克斯矢量等于穆勒系数矩阵与光在照射到物体表面前的斯托克斯矢量的乘积。用斯托克斯矢量表示
S′＝M*S (5)
式中：S为入射光的斯托克斯矢量；S′为反射光的斯托克斯矢量；M为穆勒矩阵可以看出，穆勒矩阵M为中间变量，通过测量入射光和反射光的斯托克斯矢量就可以很容易求出穆勒矩阵。但是，根据前文，S和S′都是一组1×4的向量。因此穆勒矩阵M是一组4×4的系数矩阵，即：
因此采用4组不同偏振态的偏振光来照射待测物体表面，即可以得到4组不同的S和S′，从而能够解出穆勒矩阵M的16个元素。故加入波片W2和波片W3，建立方程，与之前偏振光入射所得到的S联立可以求得穆勒矩阵M。偏振的传输特性有：双向衰减，与偏振有关的强度衰减特性；相位延迟，与偏振相关的位相改变特性；退偏度，表示偏振光转化为非偏振光的特性。其中退偏振特性在偏振的讨论中有着较为重要的意义，能够很好的表示出目标物体和背景对入射光偏振态的影响。由于穆勒矩阵可以简单分解为4个部分：(1)穆勒矩阵的16个元素中，M00体现出目标物体对入射光的传输散射、反射光强的能力，即强度特性；(2)M01、M02、M03分别体现出目标对入射光的水平、垂直和圆偏双向衰减能力，即双向衰减特性；(3)M10、M20、M30体现出目标对入射光非偏振光的起偏能力；(4)其余的九个元素体现出目标对于入射光的退偏振和相位验出能力，即退偏振和相位延迟特性。
但是现有的传统穆勒矩阵测量技术，只能在单一波长光源的照射下对待测物进行偏振成像分析，对样品的偏振检测需要多波段辅助成像分析，因此传统型穆勒矩阵偏振成像技术具有单波段成像局限性。
发明内容
为了克服现上述现有技术的不足，本发明提供一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，该测量系统不仅能旋转扫描同时得到待测物体的图像信息和光谱信息，而且同时通过其偏振元件的旋转可测得待测物体在连续波长下的斯托克斯矢量及穆勒矩阵偏振信息，即可获得待测物体二维图像信息、一维光谱信息及一维偏振信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种旋转式光谱成像-偏振测量系统主要包括偏振模组、成像光谱模组、感光芯片三个部分。其中偏振模组在无主动光源情况下，通过旋转改变偏振片方位角度状态，以获得相应四幅偏振态不同的强度图像，即二维光强值，基于斯托克斯矢量计算原理，可得待测目标的斯托克斯矢量，进而可计算得到待测目标偏振度、偏振角及偏振椭率；偏振模组在有主动光源时，通过旋转改变偏振片以及波片的角度状态即可获得相应偏振态的不同强度图像，基于Muller矩阵计算原理，可计算得到待测目标的穆勒矩阵偏振信息。成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线。通过电动旋转台旋转控制成像光谱模组方位角度以实现对待测物体的旋转扫描成像，即可获得待测物体的二维图像和一维光谱信息，并且在偏振模组的旋转配合下，本系统可得到连续波长通道下待测目标的斯托克斯矢量和穆勒矩阵偏振信息。
所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统对待测物进行探测时，在无主动光源探测(即无旋转起偏模块)时，可通过偏振模组中偏振片和波片的角度旋转配合，获取目标物反射光不同状态下的偏振图像，进入求得目标物的斯托克斯矢量，获得待测目标偏振信息。
所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统对待测物进行探测时，在有主动光源探测(即有旋转起偏模块)时，偏振模组包括沿光路依次设置的光源、旋转起偏模块，旋转检偏模块。
所述的光源可为白光、紫外、红外等光源。
所述的旋转起偏模块包括沿光路依次设置的偏振片、波片，白光经过偏振片后起偏为线偏振光；其中偏振片和波片均安装于电动旋转台中，计算机控制其旋转角度以拍摄到16组不同的偏振图像。
所述的波片为消色差波片。
所述的电动旋转台可使得安装在该旋转台上的系统(起偏模块、检偏模块和成像光谱系统)绕轴转动。
所述的旋转检偏模块包括沿光路依次设置的波片和偏振片，均受电动旋转台控制其旋转角度以控制偏振片消光轴和波片快慢轴方向。光经过旋转起偏模块后进入成像光谱模组。
所述的成像光谱模组由成像镜头、狭缝、透镜组、光楔、光栅五种元件所组成。
采用上述一种旋转式光谱成像-偏振测量系统对待测物进行测量时，每旋转改变偏振片以及波片的角度状态一次，成像光谱模组需旋转一周完成扫描成像。
本发明的有益效果是，可以在成像光谱模组旋转扫描得到待测物体二维图像信息和一维光谱信息的同时，通过电动旋转台控制起偏模块和检偏模块的旋转，可测得待测物体的斯托克斯矢量和穆勒矩阵，进一步分析可计算得到偏振特征参量：偏振度、偏振角及偏振椭率，可以获得传统光学测量方法所无法提供的结构信息。并且通过将成像光谱与偏振成像相结合，我们可以得到在连续波长通道下的待测物体片偏振信息，克服了传统型穆勒矩阵偏振成像技术仅能在单波段下成像的明显局限性。
附图说明
图1为一种旋转式光谱成像-偏振测量系统的实施例1(主动光源)的示意图；
图2为一种旋转式光谱成像-偏振测量系统的实施例2(无主动光源)的示意图；
图中，偏振模组1、成像光谱模组2、感光芯片3、光源4、旋转起偏模块5、旋转检偏模块6、第一偏振片7-1、第二偏振片7-2、第一波片8-1、第二波片8-2、第一电动旋转台9-1、第二电动旋转台9-2、第三电动旋转台9-3、第四电动旋转台9-4、第五电动旋转台9-5、成像镜头10、狭缝11、第一透镜组12-1、第二透镜组12-2、第一光楔13-1、第二光楔13-2、光栅14。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
一种旋转式光谱成像-偏振测量系统(主动光源)主要包括偏振模组、成像光谱模组、感光芯片三个部分。偏振模组，通过旋转改变偏振片以及波片的方位角度状态，即可获得相应偏振态不同的强度图像，即二维光强值，基于斯托克斯矢量及Muller矩阵计算原理，计算得到待测目标的斯托克斯矢量和穆勒矩阵。成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线。通过电动旋转台控制成像光谱模组旋转角度以实现对待测物体的旋转扫描成像，即可获得待测物体的三维图谱。
如图1所示，偏振模组1由光源4、旋转起偏模块5，旋转检偏模块6所组成。
所述的旋转起偏模块5包括沿光路依次设置的第一偏振片7-1、第一波片8-1，白光经过第一偏振片7-1后起偏为线偏振光；其中第一偏振片7-1和第一波片8-1分别安装于第一电动旋转台9-1和第二电动旋转台9-2中，可通过计算机控制电动旋转台的旋转角度以拍摄到不同偏振状态的图像。
所述的旋转检偏模块6包括沿光路依次设置的第二波片8-2、第二偏振片7-2，分别受第四电动旋转台9-4和第三电动旋转台9-3控制其旋转角度以控制偏振片消光轴和波片快慢轴方向以拍摄到不同偏振状态的图像。光经过旋转起偏模块4后进入成像光谱模组2。
所述的第一波片8-1和第二波片8-2为消色差四分之一波片。
控制第一偏振片7-1、第二偏振片7-2及第一波片8-1、第二波片8-2的方位角度组合以拍摄到16组不同的偏振图像,其中的16种角度组合状态为下表一所示：
表一
测得16幅不同偏振状态后，所述Mueller矩阵的具体计算原理可采用文献《穆勒矩阵图像的获取及处理》中所示计算方案，可得公式：(为方便记第一偏振片7-1为β，第一波片8-1为γ2，第二偏振片7-2为θ，第二波片8-2为γ1。
由以上9个等式即可测量出左上角9个Mueller矩阵元：
上述I(1)至I(16)为不同偏振状态下该系统分别对物体旋转扫描16次所成像的二维光强值，φ1φ2分别为所选波长通过第一波片8-1和第二波片8-2的相位差。由上述公式解方程组计算可得待测物体穆勒矩阵为：
通过分析待测物体穆勒矩阵，可求得待测物体探测表面的二向色性、相位延迟及退偏度等一系列偏振信息。
所述的成像光谱模组2一次包括成像镜头10、狭缝11、第一透镜组12-1、第一光楔13-1、光栅14、第二光楔13-2和第二透镜组12-2。待测物体线性区域所对应图像经过成像镜头10后，成像于狭缝11位置。像面光经过狭缝11后，由第一透镜组12-1准直，依次经过第一光楔13-1、光栅14、第二光楔13-2模块，再由第二透镜组12-2聚焦于感光芯片3处。通过第五电动旋转台9-5控制成像光谱模组旋转角度以实现对待测物体的旋转扫描成像。
电动旋转台，中间开孔可使得安装在该旋转台上的系统(起偏模块、检偏模块和成像光谱系统)绕轴转动。在扫描过程中，第五电动旋转台9-5成像光谱模组2沿系统法线方向旋转，感光芯片3同时绕轴转动，从而实现绕轴转动扫描成像，在此过程中穆勒矩阵偏振模组并不受第五电动旋转台9-5所控制旋转。
实施例2
下面结合附图2和实施例2对本发明作进一步说明。
如图2所示，一种旋转式光谱成像-偏振测量系统(无主动光源)主要包括偏振模组1、成像光谱模组2、感光芯片3三个部分。偏振模组1，通过旋转改变偏振片方位角度状态，以获得相应四幅偏振态不同的强度图像，即二维光强值，基于斯托克斯矢量计算原理，通过计算机数据处理即可得到待测目标的斯托克斯矢量。成像光谱模组2对待测物体的狭缝对应线型区域所反射光线进行衍射分光，由感光芯片3拍摄分光衍射光线。通过电动旋转台控制成像光谱模组旋转角度以实现对待测物体的旋转扫描成像，即可获得待测物体的三维图谱。
偏振模组1包括沿光路依次设置的第二波片8-2和第二偏振片7-2，分别受第四电动旋转台9-4和第三电动旋转台9-3控制其旋转角度以控制偏振片消光轴方向以拍摄到不同偏振状态的图像。光经过偏振模组1后进入成像光谱模组2。
所述的第二波片8-2为消色差四分之一波片。
所述的旋转改变第二偏振片7-2方位角度以拍摄到四幅不同的偏振图像,在测量斯托克斯矢量时，第二偏振片7-2的旋转角度常常选取0°,45°,90°和135°方位角组合，第二波片8-2保持0°方位角，获取四幅偏振状态不同的偏振图像以获取其二维光强值。基于文献《基于偏振成像的目标增强技术研究》，采用以下公式即可计算得到目标物的斯托克斯矢量：
进一步由斯托克斯矢量可计算得到偏振特征参量：偏振度、偏振角及偏振椭率，公式如下：偏振度:
偏振角：
偏振椭率：
所述的成像光谱模组2依次包括成像镜头10、狭缝11、第一透镜组12-1、第一光楔13-1、光栅14、第二光楔13-2和第二透镜组12-2。待测物体线性区域所对应图像经过成像镜头10后，成像于狭缝11位置。像面光经过狭缝11后，由第二透镜组12-2准直，依次经过第一光楔13-1、光栅14、第二光楔13-2模块，再由第二透镜组12-2聚焦于感光芯片3处。通过第五电动旋转台9-5控制成像光谱模组旋转角度以实现对待测物体的旋转扫描成像。
所述的电动旋转台9，中间开孔可使得安装在该旋转台上的系统(偏振模组和成像光谱系统)绕轴转动。在扫描过程中，第五电动旋转台9-5控制成像光谱模组2沿系统法线方向旋转，感光芯片3同时绕轴转动，从而实现绕轴转动扫描成像，在此过程中偏振模组1并不受第五电动旋转台9-5所控制旋转。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (8)
1.一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，包括偏振模组、成像光谱模组、感光芯片三个部分；偏振模组通过旋转偏振片及波片改变待测物体反射光偏振态；成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组旋转角度，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和一维光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，在有主动光源探测时，偏振模组包括沿光路依次设置的光源、旋转起偏模块，旋转检偏模块，光源发出光经旋转起偏模块后入射到待测物表面，反射光进入旋转检偏模块；所述的光源包括白光、紫外、红外光源。
3.根据权利要求1所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，在无主动光源探测时，偏振模组包括旋转起偏模块, 旋转改变偏振片方位角度状态，获得相应四幅偏振态不同的强度图像，即二维光强值。
4.根据权利要求2所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，所述的旋转起偏模块包括沿光路依次设置的偏振片、波片，其中偏振片和波片分别安装于电动旋转台中。
5.根据权利要求4所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，所述的波片为消色差波片。
6.根据权利要求4所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，所述的电动旋转台控制安装在该旋转台上的系统绕轴转动。
7.根据权利要求2所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，所述的旋转检偏模块包括沿光路依次设置的波片和偏振片，分别受电动旋转台控制其旋转角度，反射光经过旋转检偏模块后进入成像光谱模组。
8.根据权利要求1所述的一种旋转式光谱成像-偏振测量系统，其特征在于，所述的成像光谱模组依次包括成像镜头、狭缝、第一透镜组、第一光楔、光栅、第二光楔、第二透镜组。
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