CN115508281B

CN115508281B - 基于pbs的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统及测量方法

Info

Publication number: CN115508281B
Application number: CN202211268980.4A
Authority: CN
Inventors: 姚丽双; 陈立新; 郑文彬; 孙敬伟
Original assignee: Shantou University
Current assignee: Shantou University
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2042-10-17
Also published as: CN115508281A

Abstract

本发明公开了一种基于偏振分光棱镜（Polarized Beam Splitter，PBS）的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统及测量方法，首先利用PBS将携带目标物体信息的入射光束分为偏振S光与偏振P光，再对S光和P波同步使用液晶可调谐滤波器（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）进行窄带光谱滤波，最后再通过PBS将偏振S光和P光耦合成自然出射光束，实现双通道的高透液晶滤波器设计，同时还可额外引入偏振S光和P光的信息；结合双液晶可变相位延迟器（Liquid crystal variable phase retarder，LCVR）的液晶柔性偏振调制技术，该系统还可实现单通道的单波长下的全偏振信息提取功能，最终搭建应用于自然光场景下的纯液晶框架下的双通道高透实时全偏振光谱成像系统，用于同步获取被测目标反射或透射的连续光谱信息以及全偏振特性。

Description

基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统及测量方法

技术领域

本发明涉及液晶光谱偏振成像测量技术领域，尤其涉及一种全液晶框架下的基于PBS的高透液晶全偏振光谱成像系统及测量方法。

背景技术

物质的光谱信息能够反映出物质的材质，而光谱分析可以反映目标的物理和化学性质信息，从而实现目标和背景的有效探测和识别。光谱分析具有分析速度快，测量精度高，无损检测的优点。物质的偏振信息能够表征目标的粗糙度，折射率，纹理结构；特别是当目标所在的环境背景杂乱，强度差别不明显时，利用光的偏振特性，对目标的有效探测与准确识别起着至关重要的作用。光谱偏振成像技术是一种新型的光学测量技术，它可以同时获取被测目标的光谱信息、偏振信息、图像信息，能够获取被测目标的超数据立方体并具有综合分析能力，为目标全方位准确识别提供了强有力的保障。因此被广泛研究，并应用于环境监测测，军事通信，生物医学等领域。

目前，根据光谱分光方式的不同，偏振高光谱成像方式主要分为滤光型、色散型、以及干涉型等光谱偏振技术方案。常见的滤光型主要基于声光可调谐滤波器（AcoustoOptic Tunable Filter，AOTF）和液晶可调谐滤波器LCTF，通过旋转、电控、声控等方式控制滤光片结合偏振器件来获取光谱偏振信息，原理简单但是主要存在光谱通道少和光通量低的缺陷；色散型主要包括棱镜和光栅，棱镜光能利用率高但是出现非线性分散不易区别，光栅由于狭缝导致的光通量低，以及衍射带来的光谱级次混叠现象；新型的干涉型虽获取高分辨率的光谱偏振数据，但是存在系统与被测目标的相对运动及后续干涉条纹图案获取及复原的困难。此外，光谱仪需要结合偏振调制方式，大致可分为通道相位调制、时分调制、孔径分割等。通道相位调制虽可一次测量获取光谱全Stokes参量，但是当窄带光谱时，会出现通道混叠；一些相位延迟器应用于时分调制，如LCVR等，通过调制四种不同的偏振态获取原偏振信息，但是需要在光谱维度上多次扫描，数据采集时间长，但是这个时间随着液晶技术发展可不断改善；而孔径分割主要需要研制完美的微偏振阵列器件等来获取光谱偏振信息，存在系统光路对准要求较为苛刻的问题。

发明内容

一种基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统及方法。可实现自然光场景下的宽谱段Stokes偏振光谱同步测量。

为了解决上述技术问题，本发明主要采取简单的滤光型结合液晶柔性调制技术，提出了一种基于PBS的双通道高透全液晶光谱偏振成像系统，利用PBS的对于光束的分离与重新组合的功能完美地弥补了传统LCTF滤波的偏振依赖性，提出以PBS构建马赫曾德型液晶可调谐滤波器（Mach-Zehnder-LCTF，MZ-LCTF）用来提升滤光器系统的光通量，结合同步LCVR时分偏振调制，实现在400nm-700nm可见光范围内的全Stokes光谱偏振信息的获取。

本发明实施例提供了一种基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，包括：

光学镜头、后置光学镜头，所述前置光学镜头位于光路通道最前端，用于准直平行携带目标场景信息的入射光束；所述后置光学镜头位于末端CCD前面，用于将滤波、偏振后的像聚焦成像于CCD上；

双通道的LCTF滤波模块，包括依次设置于透射偏振S光路的第一偏振分光棱镜、第一液晶可调谐滤波器、第一反射镜、第二偏振分光棱镜，以及依次设置于反射偏振P光路的第二反射镜、第二液晶可调谐滤波器，所述第一偏振分光棱镜PBS1用于将所述平行光束的偏振S光和P光分离，所述第二偏振分光棱镜用于将各自滤波后的偏振S光和P光耦合汇聚成自然光；

单通道的双LCVR偏振调制模块，包括依次设置于所述前置光学镜头后的第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器；

液晶可变相位延迟器驱动电路、液晶可调谐滤波器驱动电路；所述液晶可变相位延迟器驱动电路用于改变所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器的电压值实现该单波长不同液晶相位延迟量的组合，从而实现调制入射光束的偏振态；

计算机，用于控制所述液晶可调谐滤波器驱动电路以及采集目标场景的图像信号，对其进行处理同时得到被测目标的光谱、偏振信息。

其中，所述单通道的双LCVR偏振调制模块施加压高实现光全通时，实现双通道高透滤波，所述单通道的双LCVR偏振调制模块通过调制实现全偏振信息获取功能。

其中，所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器用于实现在被测目标的自然反射或者透射光的全偏振光谱图像信息的同步探测。

其中，所述第一液晶可变相位延迟器的快轴方向水平设置，所述第二液晶可变相位延迟器的快轴方向与水平面成45度设置。

其中，所述液晶可变相位延迟器驱动电路施加于所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器不同相位延迟量的组合，由所述CCD采集到的光强图像反演出目标物体的偏振信息。

相应地，本发明实施例还提供了一种基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统进行成像的方法，包括以下步骤：

S1：调节第一偏振分光棱镜、第一液晶可调谐滤波器、第一反射镜、第二偏振分光棱镜处于S偏振光的透射光路上，调节第二反射镜、第二液晶可调谐滤波器处于P偏振光的反射光路上，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜入射面与出射面均垂直于双光路，调节所述第一反射镜、第二反射镜使其各自与双光路成45度；

S2：使所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器对于目标物体滤波后的光进行偏振调制，由液晶驱动电路进行双LCVR的特定相位延迟量组合的电压施加，其相位延迟量组合为；

S3：利用计算机处理CCD采集的单波段下不同液晶相位延迟量组合下的6组光强图像，将其输入计算机得到单波长下目标物体的偏振图像信息集：

，进而实现偏振定标；

S4：通过液晶可调谐滤波器驱动电路调谐第一液晶可调谐滤波器、第二液晶可调谐滤波器对S偏振光和P偏振光同步滤波，重复进行针对不同滤波波长的相位延迟量的电压施加以及相机采集对应的光强图像直至每个波段都扫描采集完毕，进而实现波长定标，最后得到目标物体的光谱全偏振图像数据集。

其中，所述CCD采集到出射光的光强图像与双LCVR相位延迟之间的关系表示为：

式中表示被测目标的Stokes四个分量，代表对应观测下的波长值。

其中，所述使用所述液晶相位延迟量组合可以得到单波长下被测目标归一化的四个Stokes分量计算表达式：

使用所述Stokes分量可以得到被观测物体的偏振度和偏振角信息：

。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

（1）该系统采用基于PBS的双通道同步采集图像的技术，实现了对在自然光场景下对被测目标的光谱、偏振信息的同步探测。

（2）该系统中的滤波模块利用PBS显著提升了传统LCTF的透过率，光通量实现翻倍效果，突破了LCTF的理论上限。同时，本发明采用了液晶开光效应，可以实现光谱、偏振测量的快速切换。

（3）基于PBS、LCTF、以及LCVR搭建的纯液晶全偏振光谱成像系统，均采用电压调控，无需运动部件，稳定性好而且响应速度快，能够实现在可见光波段的光谱偏振进行快速同步测试，可以精确、快速探测单波长下的被测目标的全Stokes偏振分量，获取完整的光谱偏振信息数据集，具备高光通量、高稳定性、高分辨率和高偏振精度等众多优势，大幅度改善偏振光谱成像测量性能。

附图说明

图1是本发明系统的构成示意图；

图2是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，包括了宽带光源、前置光学镜头、基于PBS（Polarized Beam Splitter，PBS）的双通道LCTF（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）滤波模块，双LCVR（Liquid crystalvariable phase retarder，LCVR）偏振调制模块，后置光学镜头和CCD相机。

基于PBS的双通道LCTF滤波模块包括第一偏振分光棱镜PBS1、第一液晶可调谐滤波器LCTF1、反射镜Mirror1、第二偏振分光棱镜PBS2、第二液晶可调谐滤波器LCTF2、反射镜Mirror2，其中，LCTF1、反射镜1位于PBS1的透射光路上，即偏振S光路，LCTF2、反射镜mirror2位于PBS2的反射光路上，即偏振P光路，第二偏振分光棱镜用于将所述S光路和P光路汇聚耦合成自然光。

双LCVR偏振调制模块，包括沿光路依次设置的第一液晶相位延迟器LCVR1，第二液晶相位延迟器LCVR2，第一偏振分光棱镜PBS1，其中LCVR1快轴方向水平设置，LCVR2快轴方向与水平方向成45度。

本发明的系统将入射光进过偏振模块、滤波模块之后，通过后置光学镜头成像在CCD焦面上，双LCVR在LCVR驱动电路的电压控制下调节不同相位延迟组合进行偏振调制，LCTF液晶驱动电路控制双光路的LCTF对于宽带光源经过目标物体的反射光经准直平行后进行所感兴趣的波长选择滤波通过，直至可见波段都筛选完毕，利用计算机图像处理，得到目标物体的光谱偏振信息图像。

在上述中，基于PBS的双通道LCTF滤波模块中，PBS1用来实现入射光束分离成双光路偏振S光和P光，各自采用一套LCTF系统进行同步滤波，最后经过PBS2实现偏振S+P耦合共存光，实现滤波模块的光透过率翻倍效果。

结合图2所示，本发明实施例还提供了一种使用上述基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统进行成像的方法，通过以下步骤进行。

S1：打开宽带光源，均匀照射于待测目标物体上

S2：携带目标信息的反射光或者透射光经过前置光学镜头的准直平行进入滤波模块，调节滤波模块中的PBS1、PBS2、Mirro1、Mirror2，使其透射的偏振S光与反射的偏振P光耦合效率最佳。

S3：开启滤波工作模式，即设置双LCVR开态，双通道各自利用LCTF实现宽带光源同步滤波，经过PBS2后，液晶驱动电路控制LCTF输出单一波长的偏振S和P耦合成共存的自然光，经过后置镜头入射到CCD上。

S4：开启偏振调制模式，即双LCVR偏振调制模块实现对于目标物体滤波后的光进行单波长下的偏振调制，由液晶驱动电路进行双LCVR的特定相位延迟量组合的电压施加，其双LCVR依次调制成如下的单波长下的液晶相位延迟量组合如下所示：

；同时使CCD采集出射光的光强图像，每切换一组双LCVR相位延迟量组合，CCD便采图一次。

CCD采集单波段下的出射光光强与双LCVR相位延迟量组合、之间的表达式为：

式中表示被测目标的Stokes四个分量，代表感兴趣的单波长。

S5：利用图像处理模块处理CCD采集的单波段下不同液晶相位延迟量组合下的6组光强图像，将其输入计算机得到单波长下目标物体的偏振图像信息集，即

。

当双LCVR相位延迟量组合如步骤四所述选取，可以得到单波长下的被测目标的归一化四个Stokes分量计算表达式，分别如下所示：

a)分量表示水平与垂直的线偏分量之差，其归一化的表达式为：

b)分量表示与的线偏分量之差，其归一化的表达式为：

c)分量表示左旋与右旋的圆偏分量之差，其归一化的表达式为：

d)分量表示入射光的光强强度，其归一化的表达式为：

进一步地可以得到该单波长下的目标物体的偏振角、偏振度信息。

偏振度表征总光强中偏振光强的比重，定义为：

偏振角表征椭圆偏振光的空间取向，定义为：

。

S6：液晶驱动电路控制LCTF选取下一个中心波长的光，重复S4-S5直到可见光范围波段内所有波段都扫描完毕，最终得到被测目标的全偏振光谱图像信息数据集，其中每一个对应一个n维的列向量，n表示单波段的数目。

在上述步骤S2中，还包括以下步骤：

S21：利用光谱仪测试双光路光谱，首先校准光纤光谱仪的透过率，确保光全部通过光学元件，然后调节两个PBS的光轴方向，使其S偏振光与P偏振光各自处于透射与反射光路上。

S22：调节两反射镜各自与光路成45度，保证S、P偏振光均垂直于LCTF与PBS，然后调节反射镜俯仰角使得反射到PBS2的P偏振光与S偏振光可完全耦合到一起，通过光纤光谱仪透过率的实时探测来闭环调节反射镜界面的精确位置。

S23：利用液晶驱动电路调谐每一级LCTF的驱动电压，实现对宽带光源进行分光从而输出单一波长的光，然后记录每一滤波波长下的各自S偏振光、P偏振光和耦合光的光谱透过率曲线，从而确立偏振S和P光的最佳耦合效率，实现自然光场景下的应用。

本发明所应用的LCTF可以实现在可见光范围（400nm-700nm）进行连续滤波分光，也可以指定感兴趣的特殊波段进行跳跃分光。

经过上述经过所述的整体光谱偏振系统可由穆勒矩阵表示为：

式中，、分别表示系统输入光波和经过系统输出后光波的Stokes参量，分别表示LCTF、LCVR1、LCVR2、线偏振片的穆勒矩阵，表示LCVR1、LCVR2的液晶相位延迟量。如果入射光是自然光下，光强为，因此入射光可以表示为：

通常LCVR的穆勒矩阵可以表示为：

其中，分别表示LCVR快轴方向与水平方向的夹角和入射光经过LCVR产生的相位延迟量。

线偏振的穆勒矩阵也可以表示为：

其中，表示线偏振片与光传输方向的夹角。

本发明是利用LCTF进行实现光谱分光，利用LCVR进行液晶柔性偏振调制的纯液晶全偏振光谱成像技术；该发明还引入PBS核心器件用来改善LCTF滤波性能，不仅实现LCTF的光通量翻倍效果，而且增加光谱通道数量，在原有光谱信息上额外引入偏振S光和P光的信息；同时结合LCVR液晶开关效应实现纯液晶架构下的光谱成像与全偏振调制的快速切换和兼顾使用性能。本发明能够高透实时地精确获取在自然光场景下的被测目标的连续光谱信息以及偏振特性信息，实现物体的有效识别与分类。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，其特征在于，包括：

前置光学镜头、后置光学镜头，所述前置光学镜头位于光路通道最前端，用于准直平行携带目标场景信息的入射光束；所述后置光学镜头位于末端CCD前面，用于将滤波、偏振后的像聚焦成像于CCD上；

双通道的LCTF滤波模块，包括依次设置于透射偏振S光路的第一偏振分光棱镜、第一液晶可调谐滤波器、第一反射镜、第二偏振分光棱镜，以及依次设置于反射偏振P光路的第二反射镜、第二液晶可调谐滤波器，所述第一偏振分光棱镜PBS1用于将平行光束的偏振S光和P光分离，所述第二偏振分光棱镜用于将各自滤波后的偏振S光和P光耦合汇聚成自然光；

液晶可变相位延迟器驱动电路、液晶可调谐滤波器驱动电路；所述液晶可变相位延迟器驱动电路用于改变所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器的电压值实现单波长不同液晶相位延迟量的组合，从而实现调制入射光束的偏振态；

2.根据权利要求1所述的基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，其特征在于，所述单通道的双LCVR偏振调制模块施加压高实现光全通时，实现双通道高透滤波，所述单通道的双LCVR偏振调制模块通过调制实现全偏振信息获取功能。

3.根据权利要求2所述的基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，其特征在于，所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器用于实现在被测目标的自然反射或者透射光的全偏振光谱图像信息的同步探测。

4.根据权利要求3所述的基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，其特征在于，所述第一液晶可变相位延迟器的快轴方向水平设置，所述第二液晶可变相位延迟器的快轴方向与水平面成45度设置。

5.根据权利要求4所述的基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统，其特征在于，所述液晶可变相位延迟器驱动电路施加于所述第一液晶可变相位延迟器、第二液晶可变相位延迟器不同相位延迟量的组合，由所述CCD采集到的光强图像反演出目标物体的偏振信息。

6.一种根据权利要求1~5任一项所述的基于PBS的双通道高透纯液晶光谱偏振成像系统进行成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

，进而实现偏振定标；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CCD采集到出射光的光强图像与双LCVR相位延迟/>之间的关系表示为：

式中表示被测目标的Stokes四个分量，/>代表对应观测下的波长值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用所述液晶相位延迟量组合可以得到单波长下被测目标归一化的四个Stokes分量计算表达式：

使用所述Stokes分量可以得到被观测物体的偏振度和偏振角/>信息：

。