CN111562001B - 一种双路四通道偏振干涉成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱成像领域，涉及一种双路四通道偏振干涉成像系统及方法，解决传统偏振成像系统可靠性低、系统复杂，调节困难以及图像分辨率低等问题，包括前置光学系统、共路型非对称Sagnac干涉仪以及偏振干涉探测系统；前置光学系统收集入射光并将其准直；共路型非对称Sagnac干涉仪输出两路干涉光；偏振干涉探测系统将两路干涉光转化为四路偏振信息不同的偏振光并成像在四个探测器上。本发明将共路型非对称的Sagnac干涉仪与偏振光学元件结合且无运动部件，不仅能够同时获得四个斯托克斯分量，而且系统中无运动元件，系统简单，提高了系统的图像分辨率、稳定性和可靠性，同时系统调节也较为方便。

Description

一种双路四通道偏振干涉成像系统及方法

技术领域

本发明属于光谱成像领域，涉及一种新型双路四通道偏振干涉成像系统。

背景技术

成像遥感作为一种获取信息的重要手段，在军、民领域都得到了广泛的应用。现有的成像遥感器件主要通过目标辐射的光谱和强度信息获取目标的理化特性。而对于地球表面和大气中的任何目标，在反射、透射、散射和吸收太阳辐射的过程中，会产生由目标本身性质所决定的偏振光谱特征。通过获取目标的偏振光谱特征得到传统方法无法获取的观测目标的新信息，可有效的提高目标检测和识别的性能。

偏振探测可以获得目标偏振信息，在诸多领域有着重要的应用。近几年来，随着光学探测技术要求的进一步发展，人们对光谱分辨率、空间分辨率以及微弱信号的探测能力等技术指标要求越来越高。干涉型成像光谱技术所具有的多通道、高通量和较大视场等显著优点，使它拥有无可比拟的发展前景。随着干涉成像光谱技术的不断发展和完善以及人们对获取光学信息的信息量要求的不断增加，因此各种信息获取的技术之间出现了融合，偏振技术与干涉成像光谱技术的结合，实现了目标多维信息的获取，能够得到其图像信息、光谱信息和图像信息。对该类技术学者们已进行了大量的研究，并研制出了多种形式的偏振干涉成像光谱仪。目前该类光谱仪已广泛应用于遥感、天文、环境监测、资源勘探和生物医学等各个领域。

鉴于偏振干涉成像光谱仪在实现目标多维信息的获取方面的巨大潜力，本发明提出了一种新型双路四通道偏振干涉成像系统。传统偏振成像系统中，为获得四个斯托克斯分量，引入了相位延迟器件并使用旋转的偏振元件，机械旋转或者电动控制都会带来振动，从而会降低系统的可靠性，而且不能同时得到四个偏振分量。近年来也有学者提出将四角锥棱镜和偏振阵列结合的偏振成像方法，以及基于微偏振阵列的光谱偏振成像方法，这两种方法都能够同时获得四个斯托克斯分量且系统中不存在运动部件，但或多或少都会存在系统复杂，调节困难以及图像分辨率降低等不足。

发明内容

针对传统偏振成像系统可靠性低、系统复杂，调节困难以及图像分辨率低等不足，本发明提出一种新型双路四通道偏振干涉成像系统，将共路型非对称的Sagnac干涉仪与偏振光学元件结合且无运动部件，不仅能够同时获得四个斯托克斯分量，而且系统中无运动元件，系统简单，提高了系统的图像分辨率、稳定性和可靠性，同时系统调节也较为方便。

本发明的技术方案是提供一种双路四通道偏振干涉成像系统，其特殊之处在于：包括前置光学系统、共路型非对称Sagnac干涉仪以及偏振干涉探测系统；

上述前置光学系统用于收集入射光并将其准直；

上述共路型非对称Sagnac干涉仪包括沿光路依次设置的一个偏振分束器、三个平面反射镜和一个非偏分束器；还包括半波片和光程差标准具；上述半波片及光程差标准具均位于偏振分束器的出射光路中；

上述偏振分束器用于将经前置光学系统准直后的目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；上述半波片用于调节S光和/或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；上述光程差标准具用于调节S光或P光的光程差，使得S光和P光之间产生固定的光程差；上述三个平面反射镜用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；上述非偏分束器用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成两路干涉光；

上述偏振干涉探测系统包括两个非偏分束器、四个成像镜、四个探测器及具有不同相位延迟的波片；上述两个非偏分束器分别用于将两路干涉光分成两束，形成四束光束；上述具有不同相位延迟的波片分别用于调节四束光束的偏振态，形成四路偏振信息不同的偏振光；上述四个成像镜分别用于将四路偏振信息不同的偏振光成像在四个探测器上。

进一步地，为了保证经过偏振分束器分光之后两束光的强度基本一致，上述前置光学系统与共路型非对称Sagnac干涉仪之间设置偏振片，上述偏振片的光的振动方向与S光的振动方向的夹角为45°，其中S光为偏振分束器的反射光。

进一步地，为了调节干涉条纹的周期，上述三个平面反射镜中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。

进一步地，上述光程差标准具的材料为单轴晶体或非晶体材料，光垂直入射至光程差标准具表面。

进一步地，为了保证光束是垂直通过光程差标准具，从而能够方便的计算固定的光程差，光程差标准具应位于倾斜角度可调的平面反射镜之前。

进一步地，若半波片为1个，为了使S光和P光的振动方向一致，上述半波片的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。

进一步地，也可以在经偏振分束器后的两路出射光路中放置两个半波片，两路光均通过这两个半波片，通过设计两个半波片之间光轴的夹角以及入射光束的振动方向和半波片光轴之间的夹角使得两束光之间在不引入光程差的情况下，使得S光和P光的振动方向一致。

本发明还提供一种双路四通道偏振干涉成像方法，包括以下步骤：

步骤1、目标光源经过前置光学系统之后，入射到偏振分束器；

步骤2、偏振分束器将经准直镜的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；

步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光之间在不引入光程差的情况下，具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；

步骤4、非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成两路干涉光；

步骤5、两路干涉光再次分别被两个非偏分束器(BS2和BS3)分别分成两束光，形成四束光束；四束光束通过具有不同相位延迟的波片，最终形成四路偏振信息不同的偏振光，各偏振光分别通过成像镜在探测器成像。

进一步地，当前置光学系统的出射光为部分偏振光时，步骤1中还包括利用偏振片对前置光学系统的出射光调节的过程，可保证经偏振分束器的S光和P光强度一致。

进一步地，步骤3中，通过调节三块平面反射镜中任意一个的倾角来改变干涉条纹的周期。

进一步地，步骤3中还包括通过设计位于偏振分束器的两路出射光路中的半波片之间光轴的夹角以及入射光束的振动方向和各半波片光轴之间的夹角使得S光和P光之间在不引入光程差的情况下，振动方向保持一致的步骤。

本发明的有益效果是：

1、本发明偏振干涉成像系统可以同时得到目标的四个偏振分量。从干涉仪出射的两路干涉光，利用非偏的分束器分别被分成了两路，再结合波片，在不损失能量的情况下同时得到了目标的四个偏振分量。与现有的偏振成像系统相比，系统中无运动部件提高了整个系统的稳定性和可靠性，且未使用偏振阵列，使得整个系统的能量利用率和调节相对简单。

2、本发明偏振干涉成像系统中的共路型非对称的Sagnac干涉仪和传统的Sagnac干涉仪相比，非对称的结构设计使得原本返回光源的一路光束在空间上有一个位移，因此可以通过平面镜反射到后续光路中被充分利用；干涉仪中使用了偏振分束器，入射光经过起偏器之后被分为振动方向相互垂直的两束光，在光路中使用λ/2波片，使得原本振动方向相互垂直的两束光的振动方向一致，省去了检偏器。因此光源的能量利用率得到了提高，从而也提高了系统的灵敏度。

3、本发明可根据探测所需分辨率要求，选取所需的光程差，光程差可通过直接在干涉仪中的某一光路中加入一种或几种透过率很高的材料产生，与传统偏振干涉光谱技术相比，光程差的选取可不受双折射晶体自身的限制。

4、本发明干涉仪采用共路型的设计，因此经过偏振分束器后两束光走过的光程(除加入的固定光程差外)基本一致，因此干涉基本不受外界环境因素的影响，具有高的稳定性。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中双路四通道偏振干涉成像系统示意图；

图2为利用两个半波片调节S光和P光的振动方向示意图；

图中附图标记为：1-光源，2-准直系统，3-偏振片，4-偏振分束器，5-平面反射镜，6-第一非偏分束器，7-半波片，8-光程差标准具，9-平面反射镜EF，10-第二非偏分束器，11-λ/2波片，12-λ/4波片，13-成像镜，14-探测器。

21-第一偏振光，22-第一半波片，23第二偏振光，24-第二半波片。

具体实施方式

本发明双路四通道偏振干涉成像系统，由前置光学系统、共路型非对称Sagnac干涉仪、偏振干涉探测系统三部分构成。前置光学系统是一个望远系统，收集入射光并将其准直。共路型非对称Sagnac干涉仪是在传统Sagnac干涉仪的基础上改善得到的，具有高通量和高稳定性。偏振干涉探测系统主要由分束元件、偏振元件、成像镜和CCD探测器组成，可同时得到目标四个不同的偏振态信息。

以下结合具体光路图及实施例，对本发明进行详细说明。

如图1，本实施例双路四通道偏振干涉成像系统，由前置光学系统、共路型非对称Sagnac干涉仪、偏振干涉探测系统三部分构成。其中前置光学系统包括准直系统2与偏振片3。目标光源经过前置系统之后被准直，经偏振片3后入射到共路型非对称的Sagnac干涉仪中，该干涉仪由三个平面反射镜5、一个偏振分束器4、一个第一非偏分束器6及位于偏振分束器4出射光路中的半波片7及光程差标准具8组成。首先，目标光源1被偏振分束器4分成两束振动方向相互垂直的偏振光，分别是S光和P光，其中反射光为S偏振光，振动方向和xoy面平行，透射光为P偏振光，振动方向和yoz面平行。需要说明的是，偏振片3的光的振动方向和S光的振动方向的夹角为45°，这样就可保证S光和P光经PBS之后的强度一致，保证两束光从干涉仪中输出的干涉条纹的对比度。

经偏振分束器4后，S光依次经过平面反射镜AB，反射镜BC，CD，最后再经第一非偏分束器6，将该光束再次分为反射光和透射光。与S光类似，P光先依次经过平面反射镜CD，BC和AB，再经第一非偏分束器6，将P光再次分为投射光和反射光。由于经过第一非偏分束器6的两束光满足干涉的条件，因此会产生干涉，产生干涉条纹。干涉条纹的周期可通过调节三块平面反射镜5中任意一个的倾角来改变。

通过在干涉仪的光路中加入光程差标准具8产生固定的光程差，光程差标准具8的材料可以是单轴晶体也可以是非晶体材料。但是玻璃材料或者晶体材料都有和自身特性相关的线膨胀系数和折射率温度系数，对外界的温度变化比较敏感，当温度发生变化时，材料的折射率和长度可能发生变化，因此光程差也会发生变化。该误差会影响探测的精度。因此，在选择光程差标准具8的材料时，可选取具有负折射率温度系数的两种材料，根据所需的光程差，设计两种材料的长度，使得当温度发生变化时，光程差的变化值不影响探测精度。从干涉仪中发生干涉的两束光的振动方向相同，因此在理想单色光入射的情况下，干涉条纹的对比度是1。如果是白光入射的情况，干涉条纹的对比度会在0和1之间，且对比度会随着光程差的增加而减小，而且会影响探测精度，因此在设计时应该权衡对比度和光程差，选择最优的光程差。

图1中给出的是将光程差标准具8插入到反射光中的例子，也可加入到透射光中。为了更加方便、准确的计算光程差的值，光程差标准具8需放在调节倾角的平面反射镜之前，这样才能够保证光束是垂直通过光程差标准具8，从而能够方便的计算固定的光程差。图1中将光程差标准具8插入到平面反射镜BC和CD之间，因此，干涉条纹的周期可通过改变平面反射镜CD的倾角调节。

通过在干涉仪的光路中加入半波片7调节S光与P光的振动方向，使得S光与P光具有相同的振动方向。图1中给出的是在S光中插入半波片7的例子。以下按照这一情况叙述，其它情况与该情况类似。当S光经过平面反射镜AB之后，再经过半波片7，且半波片7的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°，这样可使S光和P光的振动方一致。当然也可将半波片7加入到P光中，和加入S光中的目的相同。在其中一路光中加入半波片7，使得两路光的振动方向一致，避免了使用检偏器，提高了能量利用率。但需要注意的是，如果要让两路光同时通过光程差标准具8时，则半波片7需在两路光通过光程差标准具8之后加，这样才可以产生光程差。

由于波片具有一定厚度，因此会产生一定的光程差，为了消除半波片引入的光程差,可让S光和P光同时通过两个半波片，通过设计两个半波片之间光轴的夹角以及入射光束的振动方向和半波片光轴之间的夹角使得两束光之间在不引入光程差的情况下，振动方向保持一致。具体的角度关系如图2所示，第一偏振光21从左侧入射到第一半波片22的偏振光的振动方向与第一半波片22光轴的夹角为45°，经过该波片之后，光的振动方向与原振动方向垂直，再经过第二半波片24，该波片的光轴方向与第一半波片22光轴之间的夹角为22.5°，经过第二半波片24之后，第一偏振光21的振动方向与第一半波片22的光轴方向一致。同理，第二偏振光23从右侧入射到第二半波片24上，第二偏振光23与第一偏振光21的振动方向垂直，因此经过第二半波片24之后，其振动方向与第一半波片22光轴的方向一致，因此，当该束光再通过第一半波片22之后，振动方向不会发生变化，因此可利用两个波片的组合在不增加光程差的情况下，使两束振动方向相互垂直的光的振动方向变成一致。

从共路型非对称Sagnac干涉仪出射的两路干涉光再次分别被两个第二非偏分束器10分别分成两束光，其中被平面反射镜EF9反射的那路干涉光经第二非偏分束器10被分成两束，透射和反射光的振动方向都和yoz面平行。在透射光后加入λ/2波片，则振动方向旋转90°，和yoz面垂直。这两路光分别经过成像镜13被探测器14接收，可得到0°和90°的偏振信息。本实施例中探测器14为CCD。

经过第一非偏分束器6的另一路干涉光束被另一第二非偏分束器10再次分成两束，在透射光路中加入λ/2波片，且该波片的快轴和光的偏振方向的夹角为22.5°，经过成像镜被CCD接收，可以得45°的偏振信息。对于反射光路，先加入λ/2波片，且该波片的快轴和光的振动方向的夹角为67.5°，经过成像镜被CCD接收，可以得到135°的偏振信息。因此，该两路四通道偏振干涉成像系统，可以同时得到目标的四种偏振态的信息，从而可以得到目标的四个Stokes分量。

Claims (10)

1.一种双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：包括前置光学系统、共路型非对称Sagnac干涉仪以及偏振干涉探测系统；

所述前置光学系统用于收集入射光并将其准直；

所述共路型非对称Sagnac干涉仪包括沿光路依次设置的一个偏振分束器(4)、三个平面反射镜(5)和一个第一非偏分束器(6)；还包括半波片(7)和光程差标准具(8)；所述半波片(7)及光程差标准具(8)均位于偏振分束器(4)的出射光路中；

所述偏振分束器(4)用于将经前置光学系统准直后的目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；所述半波片(7)用于调节S光和/或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；所述光程差标准具(8)用于调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；所述三个平面反射镜(5)用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至第一非偏分束器(6)；所述第一非偏分束器(6)用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成两路干涉光；

所述偏振干涉探测系统包括两个第二非偏分束器(10)、四个成像镜(13)、四个探测器(14)及不同相位延迟的波片；所述两个第二非偏分束器(10)分别用于将两路干涉光分成两束，形成四束光束；所述不同相位延迟的波片分别用于调节四束光束的偏振态，形成四路偏振信息不同的偏振光；所述四个成像镜(13)分别用于将四路偏振信息不同的偏振光成像在四个探测器(14)。

2.根据权利要求1所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述前置光学系统与共路型非对称Sagnac干涉仪之间设置偏振片(3)，所述偏振片(3)的偏振方向与S光的振动方向的夹角为45°，其中S光为偏振分束器的反射光。

3.根据权利要求2所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述三个平面反射镜(5)中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。

4.根据权利要求3所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述光程差标准具(8)的材料为单轴晶体或非晶体材料，光垂直入射至光程差标准具表面。

5.根据权利要求4所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述光程差标准具(8)位于倾斜角度可调的平面反射镜(5)之前。

6.根据权利要求5所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述半波片(7)为1个，其快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。

7.根据权利要求5所述的双路四通道偏振干涉成像系统，其特征在于：所述半波片(7)为2个，同时位于偏振分束器(4)的两路出射光路中，两束从偏振分束器(4)出射的两路光同时通过两个半波片(7)，使得S光和P光之间在不引入光程差的情况下，具有相同的振动方向。

8.一种双路四通道偏振干涉成像方法，其特征在于，基于权利要求1所述双路四通道偏振干涉成像系统实现，包括以下步骤：

步骤1、目标光源经过前置光学系统之后，入射到偏振分束器；

步骤2、偏振分束器将经准直镜的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；

步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至第一非偏分束器；

步骤4、第一非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成两路干涉光；

步骤5、两路干涉光再次分别被两个第二非偏分束器分别分成两束光，形成四束光束；四束光束通过具有不同相位延迟的波片，最终形成四路偏振信息不同的偏振光，各偏振光分别通过成像镜在探测器成像。

9.根据权利要求8所述的双路四通道偏振干涉成像方法，其特征在于：步骤1中还包括利用偏振片对前置光学系统的出射光调节的过程；步骤3中，通过调节三块平面反射镜中任意一个的倾角来改变干涉条纹的周期。

10.根据权利要求9所述的双路四通道偏振干涉成像方法，其特征在于：步骤3中还包括通过设计位于偏振分束器的两路出射光路中的半波片之间光轴的夹角以及入射光束的振动方向和各半波片光轴之间的夹角使得S光和P光之间在不引入光程差的情况下，振动方向保持一致的步骤。

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