CN113267789A - 一种红外全波段二维四向偏振调制光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外全波段二维四向偏振调制光栅，包括包括光电成像探测组件和虚拟偏振像元光栅；所述虚拟偏振像元光栅具有四个偏振方向；探测器接收的入射波面每一时刻光强度信号经过虚拟偏振像元光栅实时调制成四向偏振信号，将四向偏振信号进行融合，解析出所述入射波面信息。本发明能够实现对目标的全红外波段偏振信息进行四向调制，进而复原出目标全波面信息，并具有很高的透射率和消光比。

Description

一种红外全波段二维四向偏振调制光栅

技术领域

本发明涉及偏振光栅技术领域，具体涉及一种红外全波段二维四向偏振调制光栅。

背景技术

目前，对于片上集成的亚波长偏振光栅主要有两种分布方式，一种是由一个0°偏振方向、一个45°偏振方向以及两个无偏振像元组成，另一种是由四个偏振方向组成，即0°、45°、90°和135°，并按照超像元的方式进行排布。这两种方式均能够通过计算完全得出Stokes向量中的S0、S1和S2三个参数。但由于此类分布方式会引入不同偏振角度光栅之间的串音问题，并且偏振光栅难以完全覆盖整个感光区域，因此实际制作出的偏振光栅，其消光比远低于理论数值，严重影响了探测器对目标偏振信息的探测能力。同时，随着红外焦平面探测器朝着大规模、小型化、集成化方向发展，以及对更大视场和更高分辨率的需求，现有微加工工艺难以在此类焦平面探测器上进行超像元排布方式的亚波长金属偏振光栅的生长，其工艺难度较大且成本很高。

因此，如何提供一种具有良好的近红外偏振信息探测性能以及较大视场探测能力的虚拟偏振光栅以实现高效率全波段探测是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种红外全波段二维四向偏振调制光栅，基于虚拟偏振像元光栅技术，通过实时调制四相偏振信号，并在频域中实时地解调出目标波面的偏振态等多维度信息，进而复原出目标的全波面信息。本发明由于采用的虚拟计算光栅，即可实现目标的全波段偏振信息调制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种红外全波段二维四向偏振调制光栅，包括光电成像探测组件和虚拟偏振像元光栅；所述虚拟偏振像元光栅具有四个偏振方向；探测器接收的入射波面每一时刻光强度信号经过虚拟偏振像元光栅实时调制成四向偏振信号，将四向偏振信号进行融合，解析出所述入射波面信息。

优选的，所述虚拟偏振像元光栅结构为正交棋盘单元格样式。每个单元格调制成一种振动方向的光波，分别为0°、45°、90°、135°光交替。

优选的，将探测器接收的所述入射波面每一个时间点的光的强度信息，并与所述虚拟偏振像元光栅形成的光栅透过率函数融合，形成正交偏振图样。

优选的，所述光栅透过率函数t₁(x,y)的公式为：

其中，光栅表面坐标系设为直角XY坐标轴，x、y分别为X、Y方向的坐标值，光栅每个单元格的大小尺寸为a×b，即X方向尺寸为a，Y方向尺寸为b，j表示光波的矢量方向，k表示光波的传播波数。

优选的，所述虚拟偏振像元光栅光波波长透过率函数t_λ(λ_x,λ_y)＝1，则透过虚拟光栅总的透过率函数的公式为：

t_总(x,y)＝t_λ(λ_x,λ_y)·t₁(x,y)＝1·t₁(x,y)＝t₁(x,y)。

优选的，入射波面经过像元偏振光栅调制后每个像元调制一个方向角度，即0°、45°、90°、135°光交替。0°透过率设为I_0°，45°透过率设为I_45°，90°透过率设为I_90°，135°透过率设为I_135°，则根据斯托克斯原理，可得：

解析得到入射波面的偏振度

解析得到入射波面的偏振角

优选的，所述将四向偏振信号进行融合包括如下步骤：

对调制后得到的四向偏振信号进行傅里叶变换，形成各个像素元的频谱特性；

沿着各个像素元频谱的频率方向，进行不同频谱的切分，复原出水平P偏振特征和垂直S偏振特征；

将光强度信号、时间、水平P偏振特性、垂直S偏振特性、偏振度和偏振角信息进行融合，即复原出入射波面的相位信息，获得全波面信息。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明提出了一种新的成像原理技术，其核心是基于虚拟偏振像元光栅技术，通过实时调制波面相位、S和P偏振态以及光强等多维度信息，并在频域中实时地解调出目标的波面相位、S和P偏振态以及波前等多维度信息，进而复原出目标全波面信息。

本发明具有广泛的适应性，即在现有光学探测系统中基于新原理进行软硬件设计开发，就可实现目标光学强度信息、波面信息、偏振信息和相位信息的多维度融合，从而复原目标全信息。

本发明具有前所未有的应用效果。可应用于全波段目标探测识别系统；多维度信号的调制解调可以实时进行；通过算法处理可实现无像差成像，极大简化光学成像系统，将形成新的光学设计理念：即光学成像系统只需要将光线汇聚到探测器且不需要进行严格像差校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；

图1为本发明实施例提供的一种红外全波段二维四向偏振调制光栅的原理图；

图2为本发明实施例提供的虚拟偏振像元光栅的结构图；

图3为本发明实施例提供的场景中地雷的红外强度成像和红外偏振成像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开的一种红外全波段二维四向偏振调制光栅是关于一种新型的偏振调制器，具体涉及一种全红外波段二维四向偏振光栅的平面调制器，它能够实现对目标的全红外波段偏振信息进行四向调制，并具有较高的透射率和消光比。

偏振成像技术是将对光辐射的探测由强度、光谱拓展至偏振矢量领域。目标反射、辐射的偏振态与其表面状态和固有理化属性密切相关，不同类型的目标具有不同的偏振特性。地球表面和大气中的目标，在辐射电磁波的过程中，都会产生由目标物本身构成材料的理化特征、粗糙度、含水量等决定的偏振特征且不同材质物体的热辐射偏振特性存在较大差异。故该技术是利用目标与背景的红外辐射偏振特性实现目标探测与识别，可提高红外成像系统对目标的探测、识别与区分能力，为隐蔽和伪装目标的探测识别提供了新的技术途径，同时鉴于偏振信息具有在散射介质中特性保持能力比强度散射更强的特点，偏振成像具有在恶劣环境中穿透烟雾，增加作用距离的优势。因此，偏振成像探测是目前目标探测与识别的重要手段之一。

参见图1，一种红外全波段二维四向偏振调制光栅，包括光电成像探测组件和虚拟偏振像元光栅；虚拟偏振像元光栅具有四个偏振方向；探测器接收的入射波面每一时刻光强度信号经过虚拟偏振像元光栅实时调制成四向偏振信号，将四向偏振信号进行融合，解析出入射波面信息。

本实施例实现光电成像探测组件探测的每个像素元强度信号快捷实时地调制成四向偏振信号，由于采用的虚拟计算光栅，因此可以实现目标的全波段偏振信息调制。

在一个实施例中，入射波面为红外入射波面。

参见图2，在一个实施例中，虚拟偏振像元光栅结构为正交棋盘单元格样式。每个单元格调制成一种振动方向的光波，分别为0°、45°、90°、135°光交替。单元格数量和尺寸可根据探测器像元个数及尺寸进行设置。

参见图1，在一个实施例中，将探测器接收的入射波面每一个时间点的光的强度信息，并与虚拟偏振像元光栅形成的透过率函数融合，形成正交偏振图样。

本实施例中，光电成像探测组件接收的是在某一个时间点的入射波面光的强度信息，沿着时间维度展开，光电成像探测组件接收的光的强度信息是不同的。

在一个实施例中，透过率函数t₁(x,y)的公式为：

其中，光栅表面坐标系设为直角XY坐标轴，x、y分别为X、Y方向的坐标值，光栅每个单元格的大小尺寸为a×b，即X方向尺寸为a，Y方向尺寸为b，j表示光波的矢量方向，k表示光波的传播波数。

在一个实施例中，虚拟偏振像元光栅光波波段透过率函数t_λ(λ_x,λ_y)＝1，则透过虚拟光栅总的透过率函数的公式为：

t_总(x,y)＝t_λ(λ_x,λ_y)·t₁(x,y)＝1·t₁(x,y)＝t₁(x,y)。

本实施例中，由于光栅是虚拟计算产生的，不受波长透过率限制，因此光波波段透过率函数t_λ(λ_x,λ_y)＝1。

在一个实施例中，入射波面经过像元偏振光栅调制后每个像元调制一个方向角度，即0°、45°、90°、135°光交替。0°透过率设为I_0°，45°透过率设为I_45°，90°透过率设为I_90°，135°透过率设为I_135°，则根据斯托克斯原理，可得：

解析得到入射波面的偏振度

解析得到入射波面的偏振角

在一个实施例中，将四向偏振信号进行融合包括如下步骤：

对调制后得到的四向偏振信号进行傅里叶变换，形成各个像素元的频谱特性；

沿着各个像素元频谱的频率方向，进行不同频谱的切分，复原出水平P偏振特征和垂直S偏振特征；

将光强度信号、时间、水平P偏振特性、垂直S偏振特性、偏振度和偏振角信息进行融合，即复原出入射波面的相位信息，获得全波面信息。

实施例

偏振成像探测技术不仅可以获取传统成像目标的光强等信息还可以获取偏振多维信息。当对目标进行偏振成像时，人造目标具有区别于自然背景的偏振属性。利用这种特征，能够很好地对处于复杂自然背景中的人造目标进行探测识别。比如在有反射性的地雷目标与有漫散射性背景相比，有着比较强的辐射偏振特征。

参见图3，3(a)为自然光下的可见度图像，其中有5个地雷目标，3(b)为自然光下长草后的可见度图像，3(c)为红外强度图像，3(d)为利用本发明计算获得的红外偏振图像。显而易见，利用红外强度成像仅识别3个地雷，而利用红外偏振成像可全部识别5个地雷。上述对比可知，本发明提出的偏振成像大大地提高了区分目标与背景的识别能力。

以上对本发明所提供的红外全波段二维四向偏振调制光栅进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，包括光电成像探测组件和虚拟偏振像元光栅；所述虚拟偏振像元光栅具有四个偏振方向；探测器接收的入射波面每一时刻光强度信号经过虚拟偏振像元光栅实时调制成四向偏振信号，将四向偏振信号进行融合，解析出所述入射波面的波面信息。

2.根据权利要求1所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，所述虚拟偏振像元光栅结构为正交棋盘单元格样式。每个单元格调制成一种振动方向的光波，分别为0°、45°、90°、135°光交替。

3.根据权利要求1所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，将探测器接收的所述入射波面每一个时间点的光的强度信息，并与所述虚拟偏振像元光栅形成的光栅透过率函数融合，形成正交偏振图样。

4.根据权利要求3所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，所述光栅透过率函数t₁(x,y)的公式为：

其中，光栅表面坐标系设为直角XY坐标轴，x、y分别为X、Y方向的坐标值，光栅每个单元格的大小尺寸为a×b，即X方向尺寸为a，Y方向尺寸为b，j表示光波的矢量方向，k表示光波的传播波数。

5.根据权利要求4所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，所述虚拟偏振像元光栅光波波长透过率函数t_λ(λ_x,λ_y)＝1，则透过虚拟光栅总的透过率函数的公式为：

t_总(x,y)＝t_λ(λ_x,λ_y)·t₁(x,y)＝1·t₁(x,y)＝t₁(x,y)。

6.根据权利要求1所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，入射波面经过像元偏振光栅调制后每个像元调制一个方向角度，即0°、45°、90°、135°光交替。0°透过率设为I_0°，45°透过率设为I_45°，90°透过率设为I_90°，135°透过率设为I_135°，则根据斯托克斯原理，可得：

解析得到入射波面的偏振度

解析得到入射波面的偏振角

7.根据权利要求6所述的红外全波段二维四向偏振调制光栅，其特征在于，所述将四向偏振信号进行融合包括如下步骤：

对调制后得到的四向偏振信号进行傅里叶变换，形成各个像素元的频谱特性；

沿着各个像素元频谱的频率方向，进行不同频谱的切分，解调出水平P偏振特征和垂直S偏振特征；

将光强度信号、时间、水平P偏振特性、垂直S偏振特性、偏振度和偏振角信息进行融合，即复原出入射波面的相位信息，获得全波面信息。

Images