CN201622116U - 基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光偏振仪，包括前置光学系统、准直镜以及与前置光学系统和准直镜同处于同一光轴上的液晶可调谐滤光片，还包括相位调制模块；相位调制模块置于准直镜和液晶可调谐滤光片之间并与准直镜和液晶可调谐滤光片共处于同一光轴上。本实用新型提供了一种具有无运动部件、静态测量、全斯托克斯偏振态测量、高空间分辨率、结构简单且稳定性好的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪。

Description

基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪

技术领域

本实用新型属光学领域，涉及一种成像光谱偏振仪器，尤其涉及一种基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光偏振仪。

背景技术

成像光谱偏振测量(Imaging Spectropolarimetry)技术是一种能够获得目标图像，并且获得图像中每一个像元的光谱偏振信息的一种光学信息获取技术，成像光谱偏振仪能够同时获得目标的图像、光谱和偏振信息，在工农业、遥感和军事上具有重要的应用价值，是国际上前沿研究课题之一。

一般情况下，二维焦平面探测器一次曝光只能获取二维信息，要获得目标的图像、光谱和偏振信息，必须经历某种形式的机械扫描或电调谐扫描过程。Eustace L.Dereniak等设计的计算层析成像光谱偏振仪【Eustace L.Dereniak，Nathan A.Hagen，William R.Johnson，et.al.“Imaging Spectropolarimetry”.Proceedings of SPIE Vol.5074，272～285(2003)】能够在一次曝光中获取目标的空间、光谱和全斯托克斯偏振信息，但受到计算全息光栅衍射角、焦面阵列探测器大小的影响，光谱分辨率和空间分辨率都受到限制，且存在原理性的“失锥”现象。日本学者Kevin W.Peters提出的在空间调制成像光谱仪的准直光路中加入液晶可调谐相位延迟器的成像光谱偏振仪【Kevin W.Peters，Theodore S.Turner，Jr.et.al.“Portable visible imaging spectropolarimeter for remote sensingapplications”.SPIE Vol.3498，223～230(1998)】能够获得目标的全斯托克斯光谱偏振信息，但是需要对同一目标进行多次扫描成像才能完成，对图像配准带来很大困难。日本国家宇航实验室提出的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱偏振仪，在获取目标的偏振信息时需要有步进电机驱动液晶可调谐光片旋转，由于有运动部件，稳定性有所降低，同时它只能进行线偏振态的测量，不能够完成全斯托克斯偏振态的测量。美国重飞行器研究公司研制的快拍式成像光谱偏振仪【Stephen H.Jones，Frank J.Iannarilli，and Paul L.Kebabian.“Relazation ofquantitative-grade fiedable snapshot imaging spectropolarimeter”.Optics Express，Vol.12，6559～6573(2004)】需要经过平台移动或景物移动来获得目标的二维图像。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种具有无运动部件、静态测量、全斯托克斯偏振态测量、高空间分辨率、结构简单且稳定性好的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，包括前置光学系统、准直镜以及与前置光学系统和准直镜同处于同一光轴上的液晶可调谐滤光片，其特殊之处在于：所述基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪还包括相位调制模块；所述相位调制模块置于准直镜和液晶可调谐滤光片之间并与准直镜和液晶可调谐滤光片共处于同一光轴上。

上述相位调制模块包括第一相位延迟器和第二相位延迟器，所述第一相位延迟器和第二相位延迟器是粘接在一起的。

上述相位调制模块包括第一相位延迟器和第二相位延迟器，所述第一相位延迟器和第二相位延迟器是依次设置在准直镜和液晶可调谐滤光之间的。

上述第一相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面和第二相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面分别与系统光轴垂直。

上述第一相位延迟器的快轴方向与液晶可调谐滤光片的检偏器偏振方向相同；所述第二相位延迟器的快轴方向与第一相位延迟器的快轴方向的夹角呈45°。

上述第一相位延迟器和第二相位延迟器均是由单轴双折射晶体材料。

上述第一相位延迟器和第二相位延迟器是由方解石或石英制成。

上述液晶可调谐滤光片的型号是VariSpec VISR型或VariSpec NIRR型。

本实用新型的优点是：

本实用新型彻底省却了机械扫描机构，能够在静态条件下通过电调谐的液晶可调谐滤光片的光谱扫瞄完成目标空间、光谱和全斯托克斯偏振信息的获取。同时还具有结构简单、体积小、重量轻和稳定性好的优点，具体说来，本实用新型具有以下优点：

1、能够获得全斯托克斯偏振信息，且不需要专门的机械式偏振态扫描。本实用新型利用静态的相位延迟器和线偏振器将偏振信息调制到光谱中去，然后再从复原光谱中解调出入射光的偏振态信息，能够获得全斯托克斯偏振信息，且不需要专门的机械式偏振态扫描。

2、稳定性强、分辨率高。本实用新型能够静态凝视成像，不需要目标或仪器平台的移动来获取目标的空间信息，稳定性大大提高，同时，空间分辨率主要由焦面阵列探测器的像元数限制，利用较大的面阵能够获得更高的空间分辨率。

3、体积小，成本低廉。本实用新型利用了液晶可调谐滤光片可作为线偏振器特点，省去了偏振-光谱调制型光谱偏振仪中的线偏振器，减小了体积。同时，本实用新型所提供成像光谱偏振仪的前置光学系统、准直镜、液晶可调谐滤光片、成像镜、焦面阵列探测器和计算机等都来自现货商品，大大降低了仪器成本。

附图说明

图1为本实用新型所提供基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪的结构示意图；

图2为本实用新型所述的偏振-光谱调制结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提出的一种基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，是在基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪的液晶可调谐滤光片6前的准直光路中放置相位延迟器的方式实现的，通过相位延迟器和线偏振器将输入光的全斯托克斯偏振信息调制到光谱中去，最后利用计算机信号处理技术将各斯托克斯分量光谱复原出来，可用于可见光和近红外谱段。

本实用新型所提供的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，前置光学系统1，将目标成像；准直镜2将光束准直，在准直光路中放入由相位延迟器3和相位延迟器4组成的相位调制模块5，以及液晶可调谐滤光片6，再由成像镜7将目标的像成像于焦面阵列探测器8上，计算机9与液晶可调谐滤光片6和焦面阵列探测器8连接。

前置光学系统1用于对感兴趣目标成像，成像位置在准直镜2的前焦面上。准直镜2将进入光学系统的光束准直，第一相位延迟器3和第二相位延迟器4依次放置于准直镜后的准直光路中，均由单轴双折射晶体材料，可以采用方解石(冰洲石)或石英材料制成，为减小体积，两个相位延迟器可粘接在一起。

前置光学系统1、准直镜2、液晶可调谐滤光片6和计算机都是有现货供应的商品(COTS)，相位延迟器根据仪器参数进行设计定制。

液晶可调谐滤光片6的透过波长由计算机9控制，同时计算机9控制焦面阵列探测器8的曝光和图像采集，最终在计算机9上利用算法完成目标每个像元的光谱和全斯托克斯偏振态的复原。液晶可调谐滤光片6具有透过光束波长的调谐能力，同时还具有线偏振器的特点，与相位调制模块5组合可以完成偏振-光谱调制功能，即将入射光的光谱偏振态调制到入射光的波数(波长的倒数)上去，然后经过解调算法从复原光谱中解调出全斯托克斯偏振信息。

液晶可调谐滤光片6紧挨相位延迟器4放置，液晶可调谐滤光片可采用美国CRI公司的VariSpec VISR型或VariSpec NIRR型两种产品。其中VariSpec VISR的光谱范围是480～720nm，分辨率为0.25nm，VariSpec NIRR的光谱范围是650～1100nm，分辨率是0.75nm。液晶可调谐滤光片由计算机软件控制，根据需要可实现透过波长的连续改变；

成像镜7将透过液晶可调谐滤光片6的的平行光再次成像于焦面阵列探测器8上，焦面阵列探测器8也由计算机控制，完成对准单色光图像的采集，图像的采集与液晶可调谐滤光片6的波长改变协调，每调整一次透过波长，稳定后采集一幅图像，采集完图像后再调整一次波长，按照此方式完成整个图像序列的采集。

计算机9采集完整个图像序列后将图像序列组成一个光谱数据立方体，包括二维图像和一维光谱，图像中的每一个像元都有一条特定的光谱曲线。对每一个像元的光谱曲线进行傅里叶变换，此时该像元的各斯托克斯光谱分量将在频域被分开，采用不同的窗函数将每个斯托克斯分量的傅里叶变换曲线分离出来，再对每一个傅里叶变换曲线进行逆傅里叶变换即可复原出全斯托克斯分量的光谱。

参见图2，本实用新型在工作时，其光谱偏振调制详细过程如下：

第一相位延迟器3的快轴11和慢轴12组成的平面与光轴10垂直，第二相位延迟器4的快轴13和慢轴14组成的平面也与光轴10垂直；

第一相位延迟器3的快轴11方向与液晶可调谐滤光片6的起偏器的线偏振方向15平行，第二相位延迟器4的快轴13的方向与第一相位延迟器3的快轴方向11的夹角为45度，两相位延迟器胶合在一起，厚度分别是L₁和L₂；

对于任意斯托克斯向量输入，输出可以用以下表达式表示：

$s_{\mathrm{out}}=\left(\begin{array}{cccc}1/2& 1/2& 0& 0\\ 1/2& 1/2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)& 1& \cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\\ 0& 0& -\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)---\left(1\right)$

上式中s_out为输出光束的斯托克斯向量，s_in＝(s₀，s₁，s₂，s₃)^T为输入光束的斯托克斯向量。等式右边三个矩阵依次是液晶可调谐滤光片6的起偏器、第一相位延迟器3、第二相位延迟器4的米勒矩阵。δ₁和δ₂分别是第一相位延迟器3和第二相位延迟器4的相位延迟量，它们都是波数σ(波长的倒数)的函数，由式(2)确定：

δ(σ)＝2πdΔnσ                                    (2)

上式中，d为延迟器材料的厚度，Δn为寻常光和异常光的折射率之差。

将式(1)中的矩阵相乘得到：

$s_{\mathrm{out}}=1/2\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+s_2\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)-s_3\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ s_0+s_1\cos \left({\mathrm{\δ}}_2\right)+s_2\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)-s_3\cos \left({\mathrm{\δ}}_1\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(3\right)$

由于探测器本身只对光强度信号有响应，而对偏振态无响应，探测器接收到的信号为透过线偏振器的光的全部强度，对应于输出斯托克斯向量的第一个元素。因此，探测器接收到的光强是波数σ的函数，如下式。

2I(σ)＝s₀+s₁cos(δ₂)+s₂sin(δ₂)sin(δ₂)-s₃cos(δ₁)sin(δ₂)                (4)

上述等式描述了偏振调制模块将随波数变化的全斯托克斯分量调制进光谱仪输出光谱的机理。

采用欧拉方程e^ix＝cosx+isinx对上述等式进行修改，可得：

$I\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{1}{2}{s}_0+\frac{1}{4}{s}_1(e^{i{\mathrm{\δ}}_2}+e^{-i{\mathrm{\δ}}_2})+\frac{1}{8}[(s_2-i{s}_3)e^{i({\mathrm{\δ}}_2+{\mathrm{\δ}}_1)}+$

$(s_2+{\mathrm{is}}_3)e^{-i({\mathrm{\δ}}_2+{\mathrm{\δ}}_1)}+(-s_2-i{s}_3)e^{i({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_1)}+(-s_2+{\mathrm{is}}_3)e^{-i({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_1)}]---\left(5\right)$

由式(5)可知探测器接收到的强度包含有7个基于延迟器的不同的频率分量：0、±δ₂、±(δ₂+δ₁)和±(δ₂-δ₁)。如果两个探测器采用同样的材料，当第二相位延迟器4的厚度是第一相位延迟器3的两倍时，那么上述七个频率通道将会等间隔分开。通过对光谱仪采集到的强度谱进行傅里叶变换将会得到七个相互分开的频率通道。将每个通道进行分离，经过逆傅里叶变换即可达到s₀(σ)、s₁(σ)、s₂(σ)和s₃(σ)。

Claims (8)

1.一种基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，包括前置光学系统、准直镜以及与前置光学系统和准直镜处于同一光轴上的液晶可调谐滤光片，其特征在于：所述基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪还包括相位调制模块；所述相位调制模块置于准直镜和液晶可调谐滤光片之间并与准直镜和液晶可调谐滤光片处于同一光轴上。

2.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述相位调制模块包括第一相位延迟器和第二相位延迟器，所述第一相位延迟器和第二相位延迟器是粘接在一起的。

3.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述相位调制模块包括第一相位延迟器和第二相位延迟器，所述第一相位延迟器和第二相位延迟器是依次设置在准直镜和液晶可调谐滤光之间的。

4.根据权利要求2或3所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述第一相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面和第二相位延迟器的快轴和慢轴组成的平面分别与系统光轴垂直。

5.根据权利要求4所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述第一相位延迟器的快轴方向与液晶可调谐滤光片的检偏器偏振方向相同；所述第二相位延迟器的快轴方向与第一相位延迟器的快轴方向的夹角呈45°。

6.根据权利要求5所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述第一相位延迟器和第二相位延迟器均是由单轴双折射晶体材料。

7.根据权利要求6所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述第一相位延迟器和第二相位延迟器是由方解石或石英制成。

8.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的静态全斯托克斯成像光谱偏振仪，其特征在于：所述液晶可调谐滤光片的型号是VariSpec VISR型或VariSpec NIRR型。

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