CN115597710B - 微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法 - Google Patents

微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法 Download PDF

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Abstract

微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法，属于偏振光谱仪系统技术领域，解决了系统获取目标物体的七维光学信息时间长的同时，获取物体信息缺乏准确性与实时性，且系统结构复杂问题。前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到后端成像模块；后端成像模块将视场分割后获得的不同视场单元像进行汇聚成像后发送到微偏振片阵列模块；微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像进行光谱偏振重构算法处理。

Description

微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法
技术领域
本发明涉及偏振光谱仪系统技术领域，具体涉及微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法。
背景技术
偏振光谱成像将信息量从三维(光谱、光强和空间)扩展到了七维(光谱、光强、空间、偏振度、偏振角、偏振椭率和旋转方向)，具有强度信息所无法比拟的优势，为全面、深入地研究目标的偏振光谱特性提供了有效的途径。通过对目标偏振光谱特性的分析，可以准确、有效地获取目标的化学成分和性状等信息，如今也广泛应用于现代医疗、环境监测、天文观测和军事侦察等领域。
现有的偏振成像光谱仪系统对于光谱信息的获取，需要对目标在各个维度上进行多次曝光及多次扫描才能获得目标的完整的光谱信息，即一次曝光或者扫描只能获取某一平面或者二维图像信息导致观测时间延长，目标的空间信息、光谱信息并不是同时观测得到，而且由于周围环境会随时间变化，观测时间越久，得到的信息越不准确；而对于偏振信息的获取，需要采用分时、分振幅、分孔径、分焦面以及快照式的偏振成像方法，存在实时性差、对动态目标的测量精度低，且存在机械部件结构复杂、机械安装及调节困难、通道间定标精度要求高，体积较大等缺点。
因此，现有的偏振成像光谱仪系统存在的缺陷为：
1)系统获取目标物体的七维光学信息时间长；
2)系统获取物体信息缺乏准确性与实时性；
3)系统结构复杂。
发明内容
本发明解决了现有的偏振成像光谱仪系统获取目标物体的七维光学信息时间长的同时，获取物体信息缺乏准确性与实时性，且系统结构复杂问题。
本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，所述系统包括前端成像模块、微透镜阵列模块、后端成像模块、微偏振片阵列模块、探测模块和数据处理模块；
所述前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；
所述微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到后端成像模块；
所述后端成像模块将视场分割后获得的不同视场单元像进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
所述微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
所述探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
所述数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像进行光谱偏振重构算法处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述后端成像模块包括准直模块、分光模块和聚焦模块；
所述准直模块将视场分割后获得的不同视场单元像转换为平行光束后发送到分光模块；
所述分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
所述聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述前端成像模块为光学望远镜、开普勒望远镜或伽利略望远镜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜时，需要在前端成像模块与微透镜阵列模块之间设置有中继模块；
所述中继模块将目标物图像进行耦合后发送到微透镜阵列模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中继模块为单独透镜或透镜组合。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列模块的阵列排布模式为100×100，其旋转角为26.565°。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列模块是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微透镜阵列模块位于前端成像模块的焦面处。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分光模块为棱镜-光栅-棱镜型色散元件。
本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，所述方法是采用上述方法所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱系统实现的，包括以下步骤：
步骤S1，前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；
步骤S2，微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到准直模块；
步骤S3，准直模块将视场分割后获得的不同视场单元像转换为平行光束后发送到分光模块；
步骤S4，分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
步骤S5，聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
步骤S6，微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
步骤S7，探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
步骤S8，数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像利用光谱偏振重构算法进行处理。
本发明解决了现有的偏振成像光谱仪系统获取目标物体的七维光学信息时间长的同时，获取物体信息缺乏准确性与实时性，且系统结构复杂问题。具体有益效果包括：
1、本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，将被观测目标物体在前端成像模块的焦面上成像，将微透镜阵列模块作为积分视场单元，通过微透镜阵列模块将目标物体图像连续切割成不同视场的若干个视场单元像后，再经过准直模块转换为平行光束，再经分光模块色散，再经过微偏振片阵列模块分割为四个不同偏振方向的偏振信息，最后经过探测模块获取发送到数据处理模块处理，得到二维视场内的七维光学信息。相对现有技术中的多次扫描才能得到七维光学信息的狭缝偏振成像光谱仪系统来说，微透镜阵列模块代替现有成像光谱仪系统的狭缝或孔径，一次性获得七维光学信息，不仅缩短了目标物体的偏振光谱信息获取时间，且提高了高光效率，减少光的损失的同时，简化了偏振成像光谱仪系统；
2、本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，所述分光模块采用体全息光栅与棱镜组合的色散元件，可以优化结构尺寸，提高色散效率，并且体全息光栅具有极高的衍射效率，其峰值效率可以达到95％以上，这对于分割视场成像光谱仪系统探测灵敏度具有重要意义；
3、本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，所述微透镜阵列模块是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且还具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统；
4、本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，当前端成像模块的类型不同，例如前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜时，不同类型的前端成像模块并不能直接成像于微透镜阵列模块，需要在前端成像模块与微透镜阵列模块之间设置中继模块，其能够将不同类型的前端成像模块的成像耦合至微透镜阵列模块上，提高了系统对前端成像模块的兼容性。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是具体实施方式所述的成像模式的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统图；
图2是具体实施方式所述的非成像模式的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统图；
图3是具体实施方式所述的棱镜-光栅-棱镜型色散元件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明的多种实施方式进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施方式所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，所述系统包括前端成像模块、微透镜阵列模块、后端成像模块、微偏振片阵列模块、探测模块和数据处理模块；
所述前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；
所述微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到后端成像模块；
所述后端成像模块将视场分割后获得的不同视场单元像进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
所述微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
所述探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
所述数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像进行光谱偏振重构算法处理。
本实施方式中，所述后端成像模块包括准直模块、分光模块和聚焦模块；
所述准直模块将视场分割后获得的不同视场单元像转换为平行光束后发送到分光模块；
所述分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
所述聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
本实施方式中，所述前端成像模块为光学望远镜、开普勒望远镜或伽利略望远镜。
本实施方式中，所述前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜时，需要在前端成像模块与微透镜阵列模块之间设置有中继模块；
所述中继模块将目标物光束进行耦合后发送到微透镜阵列模块。
本实施方式中，所述中继模块为单独透镜或透镜组合。
本实施方式中，所述微透镜阵列模块的阵列排布模式为100×100，其旋转角为26.565°。
本实施方式中，所述微透镜阵列模块是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。
本实施方式中，所述微透镜阵列模块位于前端成像模块的焦面处。
本实施方式中，所述分光模块为棱镜-光栅-棱镜型色散元件。
本实施方式所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，所述方法是采用上述实施方式所述的微透镜阵列模块的积分视场偏振成像光谱系统实现的，包括以下步骤：
步骤S1，前端成像模块将接收到的目标物体光束发送到微透镜阵列模块；
步骤S2，微透镜阵列模块将目标物体光束进行视场分割后发送到准直模块；
步骤S3，准直模块将视场分割后获得的不同视场单元转换为平行光后发送到分光模块；
步骤S4，分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
步骤S5，聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
步骤S6，微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
步骤S7，探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
步骤S8，数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像利用光谱偏振重构算法进行处理。
本实施方式基于本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，提供一种实际的实施方式：
如图1和2所示，提供了微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，包括：
所述前端成像模块形成目标物体图像；
所述微透镜阵列模块将所述目标物体图像进行视场分割，形成多个不同视场单元像，所述微透镜阵列模块设置于所述前端成像模块的焦面处；
所述后端成像模块将视场分割后获得的不同视场单元像进行汇聚成像后发送到微偏振片阵列模块；
所述数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像进行光谱偏振重构算法处理得到七维光谱信息，或者将所述目标物体图像进行数据处理得到七维空间信息；
所述后端成像模块包括准直模块、分光模块和聚焦模块。
本发明提供的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，将微透镜阵列模块作为积分视场单元，设置于前端成像模块的焦面处，微透镜阵列模块将观测目标物体在前端成像模块焦面上的成像进行分割，即图像经过微透镜阵列模块后会在其后形成微孔径，该微孔径作为聚焦模块的入射孔径，将在前端成像模块的焦面处的成像分割成不同视场的若干视场单元像，再一次经过聚焦模块将色散汇聚为相应的光谱，被探测模块获取得到七维偏振光谱信息。
微透镜阵列模块与探测模块结合形成偏振探测器。
相对现有技术中的多次扫描才能得到七维偏振光谱信息的狭缝型偏振成像光谱仪系统来说，一次性获得七维光谱信息，不仅缩短了目标物体的光谱信息获取时间，提高了高光效率，减少光的损失。
在上述偏振光谱成像系统的基础上，所述前端成像模块为获取远距离的目标物体图像的望远装置；
所述前端成像模块通常为现有技术中常见的望远装置，例如，光学望远镜等成像镜头；
当直接对目标物体进行观察分析时，应用前端成像模块对目标物体直接成像于微透镜阵列模块上；
其中，当前端成像模块的类型不同，例如前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜等时，不同类型的望远镜并不能直接成像于微透镜阵列模块时，需要在前端成像模块与微透镜阵列模块之间设置中继模块，能够将不同类型的前端成像模块的成像耦合至微透镜阵列模块上，提高了系统对前端成像模块的兼容性。
所述中继模块设置于所述前端成像装置模块与所述微透镜阵列模块之间，将所述目标物体图像耦合至所述微透镜阵列模块。
所述中继模块通常为单独的透镜或者透镜组合，根据实际需求进行设计，均在保护范围内。
本实施方式基于本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，提供一种实际的实施方式：
当设置有微透镜阵列模块时该系统为光谱偏振成像模式；
如图1所示，所述前端成像模块形成目标物体图像；
所述微透镜阵列模块将所述目标物体图像进行视场分割，形成多个不同视场单元像，所述微透镜阵列模块设置于所述前端成像模块的焦面处；
所述聚焦模块将所述多个不同视场单元像汇聚；
所述探测模块将汇聚后的所述多个不同视场单元像进行光谱偏振重构算法处理得到七维光谱信息；
所述准直模块设置于所述微透镜阵列模块与所述分光模块之间，将所述多个不同视场单元像转换为平行光束；
所述分光模块设置于所述准直模块与所述聚焦模块之间，对所述平行光束进行色散；
所述微偏振片阵列模块设置于所述聚焦模块和探测模块之间，将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像。
当前端成像模块获取远距离的目标物体图像时，可以直接对目标物体进行观察分析，来自目标物体的图像经前端成像模块成像于微透镜阵列模块上，微透镜阵列模块将该图像进行视场分割，分割后的不同视场单元像后经准直模块准直，再经过分光模块进行分光，最后由聚焦模块成像在微偏振片阵列模块上，微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块，探测模块上的图像经后续的光谱重构算法处理，最后得到目标的七维偏振光谱信息。
当与不同类型的前端成像模块进行对接时，应用中继模块使来自不同前端成像模块的图像与微透镜阵列模块耦合，耦合后的图像经微透镜阵列模块分割，分割后的不同视场单元像经准直模块准直，再经过分光模块进行分光，最后再由聚焦模块成像在微偏振片阵列模块上，微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块，探测模块上的图像经后续的光谱重构算法处理，最后得到目标的七维偏振光谱信息。
如图3所示，所述分光模块为棱镜-光栅-棱镜型色散元件，所述光栅为体全息光栅。
分光模块采用体全息光栅与棱镜组合的色散元件(prism-grating-prism，PGP)，不仅可以优化结构尺寸，提高色散效率，而且可实现成像模式与光谱模式共存的结构设计。当色散元件PGP工作时，该系统为成像光谱仪系统，采用PGP作为色散元件的另一突出优势是体全息光栅具有极高的衍射效率，其峰值效率可以达到95％以上，这对于分割视场成像光谱仪系统探测灵敏度具有重要意义。
本实施方式基于本发明所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，提供一种实际的实施方式：
当移去微透镜阵列模块与分光模块时，该系统为非光谱的偏振成像模式；
如图2所示，所述前端成像模块形成目标物体图像；
所述聚焦模块将所述目标物体图像汇聚于微偏振片阵列模块；
所述微偏振片阵列模块将汇聚后的图像分割为四个不同偏振方向的单元像；
所述探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后进行光谱偏振重构算法处理得到七维空间信息；
所述准直模块设置于所述微透镜阵列模块与所述聚焦模块之间，将所述目标物体图像转换为平行光束。
当前端成像模块为获取远距离的目标物体图像的望远装置时，可以直接对目标物体进行观察分析，来自目标物体的图像经过前端成像模块、准直模块、聚焦模块和微偏振片阵列模块成像在探测模块上，探测模块上的图像经后续的图像处理，最后得到目标的空间信息。
当与不同类型的前端成像模块进行对接时，应用中继模块使来自不同类型的前端成像模块的图像与准直模块、聚焦模块和微偏振片阵列模块成像于探测模块上，探测模块上的图像经后续的图像处理，最后得到目标的空间信息。
在上述偏振光谱成像系统的基础上，所述微透镜阵列模块模式为100×100，旋转角为26.565°。
其中，微透镜阵列模块是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成现有光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。图像经过微透镜阵列模块后会在其后形成微孔径，该微孔径作为后端的光谱仪系统的入射孔径，将成像在前端成像模块焦面处的面源分割成若干视场单元像，这些视场单元像被光谱仪色散为相应的光谱。
微透镜阵列模块是小透镜的阵列排布，横向有100个小透镜，纵向有100个小透镜，当然，包括但不限于100×100模式，可根据实际需求进行具体设计。微透镜阵列模块的旋转转角度指的是矩形的微透镜阵列相对于色散方向的一个角度。如果不旋转，光谱相互之间会有重叠，旋转了角度，光谱相互之间不会有重叠，而所述旋转转角度是根据光谱分辨率、偏振相机的像元个数以及像元大小以及微透镜的阵列数计算而得。
本发明提供的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统，不仅能够缩短目标物体的偏振光谱信息获取时间，而且还能够根据不同的模式得到七维偏振光谱信息和空间信息。
以上对本发明所提出的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统和成像方法进行了详细介绍，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，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，所述方法是采用透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪系统实现的，其特征在于，所述系统包括前端成像模块、微透镜阵列模块、后端成像模块、微偏振片阵列模块、探测模块和数据处理模块；
所述前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；
所述微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到后端成像模块；
所述后端成像模块将视场分割后获得的不同视场单元像进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
所述微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
所述探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
所述数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像进行光谱偏振重构算法处理；
所述后端成像模块包括准直模块、分光模块和聚焦模块；
所述准直模块将视场分割后获得的不同视场单元像转换为平行光束后发送到分光模块；
所述分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
所述聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
所述成像方法包括：
步骤S1，前端成像模块将接收到的目标物体图像发送到微透镜阵列模块；
步骤S2，微透镜阵列模块将目标物体图像进行视场分割后发送到准直模块；
步骤S3，准直模块将视场分割后获得的不同视场单元像转换为平行光束后发送到分光模块；
步骤S4，分光模块对平行光束进行色散后发送到聚焦模块；
步骤S5，聚焦模块将色散进行汇聚后发送到微偏振片阵列模块；
步骤S6，微偏振片阵列模块将汇聚后的光束分割为四个不同偏振方向的单元像后发送到探测模块；
步骤S7，探测模块将四个不同偏振方向的单元像进行成像后发送到数据处理模块；
步骤S8，数据处理模块将经探测模块汇聚后的图像利用光谱偏振重构算法进行处理；
所述微透镜阵列模块的阵列排布模式为100×100，其旋转角为26.565°。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜。
3.根据权利要求2所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述前端成像模块为开普勒望远镜或伽利略望远镜时，需要在前端成像模块与微透镜阵列模块之间设置有中继模块；
所述中继模块将目标物图像进行耦合后发送到微透镜阵列模块。
4.根据权利要求3所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述中继模块为单独透镜或透镜组合。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述微透镜阵列模块是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列。
6.根据权利要求1所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述微透镜阵列模块位于前端成像模块的焦面处。
7.根据权利要求1所述的微透镜阵列模块积分视场偏振成像光谱仪成像方法，其特征在于，所述分光模块为棱镜-光栅-棱镜型色散元件。
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