CN209639829U - 一种推扫式偏振光谱成像微系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种推扫式偏振光谱成像微系统，主要解决现有传统偏振光谱成像系统结构复杂、体积大、质量重等缺点，以及现有的偏振光谱微系统存在光谱及空间分辨率偏低、无法实现全偏振探测的技术问题。推扫式偏振光谱成像微系统包括成像物镜和面阵探测器，面阵探测器的焦面上设置有偏振滤光单元；待测目标的反射光经成像物镜后，通过偏振滤光单元成像在面阵探测器上；偏振滤光单元包括多个依次排列的偏振滤光条带，偏振滤光条带上设置有多个呈规律排布的微纳结构。

Description

一种推扫式偏振光谱成像微系统

技术领域

本实用新型涉及光谱成像领域，具体涉及一种推扫式偏振光谱成像微系统。

背景技术

光谱成像技术作为一门多学科交叉的前沿技术，可以同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息。在有限的载荷空间下获取目标更多的特征信息是光谱成像系统永恒的发展方向。随着伪装、烟幕、诱饵、隐身等技术的快速发展，目标属性及成像环境的日趋复杂，单一的光谱成像系统在识别及探测的准确性上存在一定的局限性，而偏振成像系统能够在复杂的成像背景下检测出有用的信号，提取出目标的偏振特征信息。偏振光谱成像技术将偏振成像技术与光谱成像技术相结合，能够获取更为丰富的高维目标信息，旨在提高对目标的探测识别能力，在地球环境监测、生物医疗、天文大气、工农业生产等领域具有重要的应用价值。

传统的偏振光谱成像系统主要通过在光谱成像系统(包括滤波轮型、色散型、干涉型、计算层析型等)中集成偏振调制模块来获取目标的偏振特征信息，此种方式保持了传统光谱成像系统的优势，但同时具有相应的局限性。其引入的偏振调制模块与分光模块匹配不均衡，造成光谱混叠，且偏振调制模块增加了整个系统的体积重量，不符合轻量化、集成化的发展要求。基于AOTF(声光可调谐滤光器)和LCTF(液晶可调谐滤光器)的偏振光谱成像系统应用了AOTF和LCTF既是可调谐分光又是偏振器件的特性，实现了分光偏振模块一体化，尽管这种系统体积较小、原理简单、数据易处理，但是AOTF和LCTF对光的强衰减导致探测距离有限，并且电控带来的电噪声及发热问题也不可避免地影响探测精度。

随着微加工工艺及焦平面探测技术的不断发展，出现了分焦平面型的偏振光谱成像系统，直接在探测器焦面前添加微偏振阵列及微滤波阵列，这两种阵列元件均可以制备成膜片与探测器一体集成。目前，微滤波阵列主要采用线性渐变滤波片，微偏振阵列主要采用像素化线偏振膜片，这种设计减小了整个偏振光谱成像系统的体积和重量，使系统朝微型化的方向迈出重要一步，但是其不具备圆偏振探测能力，并且双层膜片与像元的精确配准也存在巨大难度。另一种视频式偏振光谱成像系统采用“马赛克”阵列方案，即将探测器焦面划分为众多方块，每个焦面方块分别对应相应的滤波子阵列及偏振子阵列，这种方案随光谱谱段数目的增加会大幅降低系统的空间分辨率，而大面阵的探测器制备仍是难题，不符合多/高光谱偏振光谱成像系统的发展要求。

实用新型内容

针对传统偏振光谱成像系统结构复杂、体积大、质量重等缺点，以及现有的偏振光谱微系统存在光谱及空间分辨率偏低、无法实现全偏振探测的技术问题，本实用新型提出一种推扫式偏振光谱成像微系统。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种推扫式偏振光谱成像微系统，包括成像物镜和面阵探测器，所述面阵探测器的焦面上设置有偏振滤光单元；待测目标的反射光经成像物镜后，通过偏振滤光单元成像在面阵探测器上；所述偏振滤光单元包括多个依次排列的偏振滤光条带，所述偏振滤光条带上设置有多个呈规律排布的微纳结构。

进一步地，所述偏振滤光条带上的微纳结构为圆孔、矩形孔、三角形孔、十字孔、圆环孔、圆柱、矩形柱、圆环柱或十字柱。

进一步地，所述偏振滤光条带上的微纳结构为周期状、中心对称状或按角度θ线栅排列。

进一步地，所述成像物镜和面阵探测器之间还设置有前置狭缝和/或成像镜，所述前置狭缝的长度与面阵探测器对应方向的长度相同。

进一步地，同一偏振滤光条带上设置有周期及结构尺寸相同的微纳结构，不同偏振滤光条带上的微纳结构周期及结构尺寸不同，所述成像物镜为特定视场角及F数的定焦或变焦镜头。

进一步地，所述偏振滤光单元的一个偏振滤光条带仅覆盖面阵探测器的一行或一列像素，在偏振滤光单元上设置有微透镜阵列。

进一步地，所述偏振滤光单元的尺寸对应面阵探测器焦面的尺寸。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：

1.本实用新型的偏振滤光单元同时具有窄带滤光和偏振敏感功能，可实现全偏振光谱成像；整个微系统体积重量与普通相机相当，大幅减小了传统偏振光谱成像系统的体积及重量，降低了偏振光谱成像系统微小型化难度及技术门槛，符合轻量化、集成化的发展需求。

2.本实用新型采用单层条带状的偏振滤光单元进行推扫成像，有效克服了采用线性渐变滤波片及像素化线偏振片的双层膜片对准难题，并且克服了视频分焦平面型“马赛克”阵列偏振光谱成像微系统牺牲空间分辨率的技术缺陷。

3.本实用新型在单层条带状的偏振滤光单元上方集成条带排布的微透镜阵列，微透镜将入射光汇聚到像元有效敏感区，提高光能利用率，采用小面阵探测器即可实现偏振光谱成像，减小了大面阵探测器的需求。

4.本实用新型偏振滤光单元的工作波段可涵盖所有可成像波段，在面阵探测器4焦面表面直接制备偏振滤光结构提高了系统的集成性，整个系统具有较好的抗震抗冲击性能，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型推扫式偏振光谱成像微系统类型一的结构示意图；

图2为本实用新型推扫式偏振光谱成像微系统类型二的结构示意图；

图3为本实用新型微透镜阵列与偏振滤光单元集成示意图；

图4为本实用新型偏振滤光条带的微纳结构为周期性排布示意图；

图5为本实用新型偏振滤光条带的微纳结构为中心对称排布示意图；

图6为本实用新型偏振滤光条带的微纳结构为线栅45°排布示意图；

图7为本实用新型偏振滤光条带的微纳结构为线栅30°排布示意图；

图8为本实用新型典型偏振滤光单元的结构示意图一；

图9为本实用新型典型偏振滤光单元的结构示意图二。

附图标记：1-成像物镜，2-前置狭缝，3-成像镜，4-面阵探测器，5-偏振滤光单元，6-微透镜阵列。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。

本实用新型具体涉及光学超表面技术、光电器件集成技术以及偏振光谱成像技术等，特别涉及一种推扫式偏振光谱成像微系统。本实用新型系统的偏振滤光单元采用光学超表面技术设计，成像范围可涵盖所有可成像波段(包括可见光、近红外、中波红外、长波红外、太赫兹波段等)。根据实际成像需求，进行光谱谱段数目、滤光波长及带宽、偏振性能的设定，设计兼具偏振敏感及窄带滤光性能的单层光学超表面结构，并可在单层光学超表面结构上方集成微透镜阵列，在面阵探测器表面直接进行单层光学超表面结构及微透镜阵列的制备，实现偏振光谱成像系统的微型化及高集成化。此系统在降低系统的体积重量、提高光谱及空间分辨率、全偏振探测、快速获取目标的特征信息等方面具有诸多优势。

如图1、图2所示，本实用新型提供一种推扫式偏振光谱成像微系统，系统构成主要包括两种类型。第一种类型主要由成像物镜1、前置狭缝2、成像镜3、集成有偏振滤光单元5的面阵探测器4四部分构成；第二种类型由成像物镜1及集成有偏振滤光单元5的面阵探测器4两部分构成，上述偏振滤光单元5(即单层条带状的偏振滤光结构)基于光学超表面技术设计，同时具有偏振敏感及窄带滤光的性能，在第二种类型中偏振滤光单元须具有较强的入射角无关特性，偏振滤光单元5可直接在面阵探测器4的焦面上制备。

在第一种类型中，待测目标的反射光依次经过成像物镜1、前置狭缝2及成像镜3，通过偏振滤光单元5后成像在面阵探测器4上。在第二种类型中，待测目标的反射光经过成像物镜1，通过偏振滤光单元5后成像在面阵探测器4上，两种类型的区别主要在于后端的光谱数据处理模块，后端的光谱数据处理模块为现有的模块，对探测器得到的图形进行处理得到待测目标的光谱特性信息和偏振特性信息。在第一种类型中，面阵探测器4探测到的仅是一条狭带物体的偏振光谱信息，有效避免了光谱混叠，因此后续的偏振光谱数据提取过程较容易，而第二种类型尽管系统结构简单，但需复杂的数据提取算法才能准确获取偏振光谱信息。

如图3所示，偏振滤光单元5设置在面阵探测器4的焦面上，待测目标的反射光经成像物镜1后，通过偏振滤光单元5成像在面阵探测器4上。偏振滤光单元5包括多个依次排列的偏振滤光条带，偏振滤光条带上设置有多个呈规律排布的微纳结构，使得入射光在条带状的偏振滤光片上实现偏振分光。不同的微纳结构的排布周期和尺寸对应偏振滤光片的不同滤光特性，不同的微纳结构的排列方式对应结构的不同偏振特性。

微纳结构具体可为通孔或凸起，通孔主要为圆孔、矩形孔、三角形孔、圆环孔或十字孔等，凸起为圆柱、矩形柱、圆环柱、十字柱等基本结构。

如图4至图7所示，每个偏振滤光条带上的微纳单元可以排列成周期状、中心对称状、或按角度θ线栅排列及其他规律排列等方式，对应此条带具有偏振无关、圆偏振、θ角度(θ＝0°～360°)线偏振等偏振特性。

偏振滤光单元5仅覆盖面阵探测器4的一行(列)像素时，在偏振滤光单元5上方可集成条带状的微透镜阵列6，微透镜将入射光汇聚到像元的有效敏感区，提高光能利用率。

成像物镜1为特定视场角及F数的定焦或变焦镜头，根据成像系统要求的空间分辨率及视场可以更改成像物镜1的光学参数，前置狭缝2的长度与面阵探测器4对应方向的长度相同。

偏振滤光单元5的尺寸对应探测器像素尺寸。偏振滤光单元5尺寸对应面阵探测器M×H个像素尺寸，其中M、H均为大于等于2的正整数。也就是说，偏振滤光单元5在一个方向上覆盖面阵探测器4所有像素阵列，在另一方向上覆盖面阵探测器4整数个像素阵列，多个偏振滤光条带覆盖面阵探测器4的所有像素，偏振滤光条带的排列方向与系统的推扫方向平行。

偏振滤光单元5包括N个偏振滤光条带，即N个光谱通道。例如偏振滤光条带的微纳结构为矩形柱，则偏振滤光条带上对应矩形柱的周期及尺寸分别为Λ_i、D_i(i＝x，y，分别对应矩形柱的长边及短边)，工作波段为λ_s-λ_t，各偏振滤光条带对应的透射中心波长及带宽分别为λ_i、Δλ_i(i＝1，2，…N)。同一偏振滤光条带排布着周期及尺寸(相邻两矩形柱之间的距离)相同的矩形柱，不同偏振滤光条带的矩形柱的周期及尺寸各不同，也就是说，同一偏振滤光条带的Λ_i及D_i相同，不同偏振滤光条带的Λ_i及D_i不同。不同的微纳结构的排列周期和尺寸对应偏振滤光条带的不同滤光特性，不同的微纳结构的排列方式对应偏振滤光条带的不同偏振特性。

如图8、图9所示，偏振滤光单元5在滤光及偏振的功能实现上可以任意组合，典型的包括一个单波长光谱通道λ对应四个偏振通道P，四个偏振通道典型的包括0°线偏振、45°线偏振、90°线偏振、圆偏振；0°线偏振、45°线偏振、90°线偏振、非偏等，图8中，P₁：0°线偏振；P₂：45°线偏振；P₃：90°线偏振；P₄：非偏。或一个偏振通道P对应N个光谱通道λ，图9中，P₁：90°线偏振；P₄：4线偏振，组合模式不限于此。

本实用新型还提供了一种基于以上推扫式偏振光谱成像微系统的成像方法，主要包括以下步骤：

1)在对二维目标进行成像时，需要进行推扫过程，即将偏振光谱成像微系统或待测目标沿着垂直于偏振滤光条带的长度方向做一维扫描，依次对待测目标整体进行成像；

在第一种系统类型中，待测目标的反射光通过成像物镜1成像，光线经过前置狭缝2、成像镜3后，在偏振滤光单元5上进行偏振分光，成为垂直于条带方向按波长展开的具有对应偏振特性的单色光，最后成像到面阵探测器4上；在第二种系统类型中，目标的反射光经过成像物镜1，在偏振滤光单元5上进行偏振分光，成为垂直于条带方向按波长展开的具有对应偏振特性的单色光，最后成像到面阵探测器4上，面阵探测器4探测到的是包含有物方视场内目标不同部分不同偏振光谱特性的灰度图像；

2)将面阵探测器4得到的图像进行处理得到待测目标的光谱特性信息和偏振特性信息，具体如下：通过图像拼接处理得到二维目标在λ_i(i＝1，2，…N)波长下的光谱图像即可获取目标的光谱特性，通过提取对应偏振条带下的像素灰度值即可获取目标对应的偏振特性信息；本实用新型的图像处理方法为现有，第一种系统类型和第二系统类型得到的图像需进行不同的处理。

此外，此外，本实用新型还提供一种推扫式偏振光谱成像微系统的制备方法，包括在面阵探测器表面制备偏振滤光单元的过程，按照设计方案在面阵探测器4表面直接进行偏振滤光单元5及微透镜阵列6的制备，包括以下步骤：

1)首先在面阵探测器4焦平面表面涂覆透光的聚合物材料(包括聚丙乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等)，并进行平坦化处理；

2)在步骤1)处理后的表面上涂覆光刻胶，采用纳米压印、薄膜沉积及剥离工艺进行单层超表面结构的制备；

3)在步骤2)得到单层超表面结构表面上沉积钝化膜层，得到偏振滤光单元5，该钝化膜层提高光学效率并对偏振滤光结构进行保护。

4)在另一基底上采用倒置热回流工艺制备微透镜阵列6，通过精密对准互连技术进行微透镜阵列6及条带状偏振滤光结构的对准，将微透镜阵列6设置在偏振滤光单元5表面。

Claims (8)

1.一种推扫式偏振光谱成像微系统，包括成像物镜(1)和面阵探测器(4)，其特征在于：所述面阵探测器(4)的焦面上设置有偏振滤光单元(5)；待测目标的反射光经成像物镜(1)后，通过偏振滤光单元(5)成像在面阵探测器(4)上；

所述偏振滤光单元(5)包括多个依次排列的偏振滤光条带，所述偏振滤光条带上设置有多个呈规律排布的微纳结构。

2.根据权利要求1所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述偏振滤光条带上的微纳结构为圆孔、矩形孔、三角形孔、十字孔、圆环孔、圆柱、矩形柱、圆环柱或十字柱。

3.根据权利要求1所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述偏振滤光条带上的微纳结构为周期状、中心对称状或按角度θ线栅排列。

4.根据权利要求1或2或3所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述成像物镜(1)和面阵探测器(4)之间还设置有前置狭缝(2)和/或成像镜(3)，所述前置狭缝(2)的长度与面阵探测器(4)对应方向的长度相同。

5.根据权利要求4所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：同一偏振滤光条带上设置有周期及结构尺寸相同的微纳结构，不同偏振滤光条带上的微纳结构周期及结构尺寸不同。

6.根据权利要求5所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述偏振滤光单元(5)的一个偏振滤光条带仅覆盖面阵探测器(4)的一行或一列像素，在偏振滤光单元(5)上设置有微透镜阵列(6)。

7.根据权利要求6所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述偏振滤光单元(5)的尺寸对应面阵探测器(4)焦面的尺寸。

8.根据权利要求7所述的推扫式偏振光谱成像微系统，其特征在于：所述成像物镜(1)为特定视场角及F数的定焦或变焦镜头。