專利名稱：圓偏振高光譜成像探測系統的制作方法
圓偏振高光譜成像探測系統
技術領域：
本發明屬于光學圖像處理儀器技術領域，涉及一種用于成像光譜領域的傅里葉變換成像光譜儀，特別涉及一種圓偏振高光譜成像探測系統。
背景技術：
目標發出的光不僅具有光譜特性，而且具有一定的偏振屬性，若能定量化地描述目標的光譜和偏振信息，則可以為目標識別和評估提供強有力的工具。當前 能獲取偏振和光譜信息的兩種重要遙感技術是偏振術和光譜術，它們的組合則可以對目標進行多信息探測。圓偏振光是偏振光的一種，自然界或人造目標均會反射或輻射出圓偏振光，尤其是金屬表面或散射介質。在被動探測領域，圓偏振光的能量相對較低，若要探測它需要一套靈敏的系統。圓偏振技術在主動探測領域應用較廣，通用的方法是將人造圓偏振光照射到散射目標上，通過圓偏振探測系統接收后向散射光，利用散射光中的左旋和右旋圓偏振光信息反演目標的粒度、濃度、分布和相位等信息，在材料和醫學領域具有重要的應用價值。早期的圓偏振光探測主要是利用四分之一波片和線分析器的組合，一次只能獲取單一的左旋或右旋圓偏振組分。此后人們將厚延遲器(固定延遲量或可調諧延遲量)和線分析器進行組合，通過旋轉延遲器或者調諧延遲量，不僅能獲取各圓偏振信息，而且能獲取其它偏振信息。這里獲取的圓偏振信息是左旋圓偏振光和右旋圓偏振光之差，即第四個斯托克斯參數。另外，上述方法要么獲取全色的偏振信息，要么獲取單色光的偏振信息，要么獲取少數幾個波段的偏振信息，均不能進行高光譜成像分析。美國專利(專利號為US7623236B2)I曾報道了一種非成像通道光譜偏振技術，將兩個成比例的厚延遲器和分析器組合放置在光譜儀前面，無需旋轉即可獲取目標的四個斯托克斯參數的光譜信息。該技術的原理決定了每個斯托克斯光譜的分辨率遠低于光譜儀的分辨率，在數值上約為光譜儀分辨率的七倍；而且能量要分布到七個通道上，所以對圓偏振探分量的測量靈敏度不高；另外它也不能獲得單獨的左旋或右旋圓偏振組分。文獻2在美國專利(專利號為20060170921A1)的原理基礎上，將兩個成比例的厚延遲器和分析器組合放置在基于渥拉斯頓棱鏡的成像光譜儀前面，用于同時獲取目標的四個斯托克斯參數的光譜圖像信息。雖然能夠獲取偏振光譜成像，但通道光譜技術的缺陷仍然存在。中國專利(專利申請號為200710017517. I)3的發明專利的申請文本曾報道了一種空間調制的偏振干涉成像光譜儀。系統基于靜態雙折射干涉儀，采用時空混合調制獲取技術，具有共路、緊湊、穩態和靈敏度高等特點。但是前置起偏器是固定的，所以一個掃描周期只能獲得一個線偏振分量的光譜圖像信息。中國專利(專利申請號為201110260041. O)4的發明專利的申請文本曾報道了一種雙通道差分偏振干涉成像光譜儀，將偏振分光技術和雙折射干涉儀相結合，用以同時獲取目標的正交線偏振組分的光譜圖像信息。上述兩種方法雖然具有結構和靈敏度的優勢，但是都無法獲取圓偏振信息。參考文獻IΚ· Oka, A. Taniguchi and H. Okabe，“Spectroscopic polarimetry，，，US PatentUS7623236B2(2009).2J. C. Jones, M. ff. Kudenov, M. G. Stapelbroek, and E. L. Dereniak, " Infraredhyperspectral imaging polarimeter using birefringent prisms, " AppI.Opt. 50，1170-1185(2011).3中國專利申請號200710017517.I，“靜態雙折射偏振干涉成像光譜儀，” (2007年10月3日).4中國專利申請號201110260041.0，“一種雙通道差分偏振干涉成像光譜儀，” (2011 年 12 月 28 日)·

發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單緊湊、取樣精確度高、穩定性好、無旋轉和調諧部件、可同時獲取目標的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息 的圓偏振高光譜成像探測系統。為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。一種圓偏振高光譜成像探測系統，由沿入射光方向依次設置的入射光準直系統、雙折射分光系統、成像透鏡以及圖像獲取和處理系統組成；目標發出的一束圓偏振光被入射光準直系統準直后的平行光，被雙折射分光系統在紙平面內角向分束，形成傳播方向和偏振方向兩兩平行的四束光；其中入射光準直系統準直后的平行光中的左旋圓偏振分量經雙折射分光系統分成的兩束偏振光經成像透鏡會聚后，將產生左旋偏振分量的干涉圖像；入射光準直系統準直后的平行光中的右旋圓偏振分量經雙折射分光系統分成的兩束偏振光經成像透鏡會聚后，將產生右旋偏振分量的干涉圖像；圖像獲取和處理系統同時獲取左旋和右旋圓偏振分量對應的干涉圖像。本發明進一步的改進在于圖像獲取和處理系統對左旋和右旋圓偏振分量對應的干涉圖像進行傅里葉變換和圖像融合處理得到目標的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息。本發明進一步的改進在于入射光準直系統由沿入射光向依次設置的物鏡、視場光闌和準直鏡組成；視場光闌位于物鏡的像面上，同時也是準直透鏡的物方焦平面。本發明進一步的改進在于物鏡是望遠物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當物鏡為望遠物鏡時，目標位于無窮遠距離；當物鏡為顯微物鏡或普通物鏡時，目標位于有限遠距離。本發明進一步的改進在于雙折射分光系統由沿入射光向依次設置的消色差四分之一波片、雙折射棱鏡對、雙折射波板對及偏振器組成；沿入射光傳輸的方向為z軸方向，垂直于z軸的豎直方向為y軸方向，垂直于z軸的水平方向為X軸方向，X軸、y軸、z軸三者符合右手螺旋定則；其中消色差四分之一波片的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對的光軸與X軸的夾角分別為O °和90 ° ;雙折射波板對的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為45° ;偏振器的透振方向平行于X軸。本發明進一步的改進在于偏振器是晶體棱鏡型偏振片、二向色性偏振片或金屬線柵偏振片。本發明進一步的改進在于圖像獲取和處理系統由面陣探測器、連接導線及數據處理和顯示系統組成。本發明進一步的改進在于面陣探測器置于成像透鏡的像方焦平面上；面陣探測器是硅基CXD相機、CMOS相機或紅外焦平面陣列。相對于現有技術，本發明具有以下優點本發明可以同時獲取目標的左旋和右旋圓偏振分量的偏振光譜圖像；比獲得單一圓偏振分量的四分之一波片和偏振片組合多探測一個偏振分量，且具有高光譜分析功能；與旋轉厚延遲器或可調諧延遲器和線分析器的組合相比，沒有移動部件或電轉換元件，可以有效避免振動噪聲，并屬無源分光系統；與通道光譜偏振技術相比，本系統的光譜分辨率就是干涉儀的分辨率，具有高光譜成像的能力；而且只探測兩個圓偏振分量，光學利用效率較高；與單通道線偏振成像光譜儀和雙通道線偏振成像儀相比，增加了圓偏振光譜圖像的獲取能力。本發明采用雙折射共光路系統，無移動部件，具有穩定、超小型、實時性等優點，在空間探測、地球遙感、機器視覺以及生物醫學診斷領域等諸方面都具有極其重要的應用價值，能廣泛應用于深空目標探測、大氣監測、地球資源及污染普查、偽裝目標識別、材料屬性鑒別、病灶診斷等重要領域。
圖I為本發明的光路結構圖。
具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。參見附圖1，本發明所述的圓偏振高光譜成像探測系統由沿入射光向依次設置的入射光準直系統100、雙折射分光系統200、成像透鏡300以及圖像獲取和處理系統400組成。入射光準直系統100由沿入射光向依次設置的物鏡102、視場光闌103和準直透鏡104組成；雙折射分光系統200由沿入射光向依次設置的消色差四分之一波片201、雙折射棱鏡對202、雙折射波板對203和偏振器204組成；圖像獲取和處理系統400由面陣探測器401、連接導線402及數據處理和顯示系統403組成；其中視場光闌103位于物鏡102的像面上，同時也是準直透鏡104的物方焦平面；消色差四分之一波片201的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對202的光軸與X軸的夾角分別為0°和90° ;雙折射波板對203的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與χ軸的夾角為45°，這樣設置的好處是，從雙折射棱鏡對202出射的水平線偏振光經雙折射波板203后，將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與χ軸夾角分別為±45°的線偏振光；偏振器204的透振方向平行于χ軸；面陣探測器401需置于成像透鏡300的像方焦平面上，經過連接導線402與數據處理和顯示系統403連接。其中，沿入射光傳輸的方向為ζ軸方向，垂直于ζ軸的豎直方向為y軸方向，垂直于z軸的水平方向為χ軸方向，χ軸、y軸、z軸三者符合右手螺旋定則。本發明所述的圓偏振高光譜成像探測系統的工作原理為由目標101發出的光經物鏡102成像在視場光闌103處，稱為中間像面；其中物鏡102既可以是望遠物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當物鏡102為望遠物鏡時，目標101應位于無窮遠距離；當物鏡為顯微物鏡或普通物鏡時，目標應位于有限遠距離。視場光闌103位于準直透鏡104的物方焦平面上，用于防止兩個通道的干涉圖像在面陣探測器上出現重疊現象。視場光闌103上的中間像面發出的光經準直透鏡104后變成平行光入射到消色差四分之一波片201上；入射光中的左旋和右旋圓偏振分量通過消色差四分之一波片201后，將分別被轉變為水平和垂直線偏振光；其中消色差四分之一波片201可以保證系統能在較寬波段工作。水平和垂直線偏振光通過雙折射棱鏡對202后將在y方向角分束，分開的兩束光依然是水平和垂直線偏振光并入射到雙折射波板對203上；從雙折射棱鏡對202出射的水平線偏振光經雙折射波板后203,將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與χ軸夾角分別為±45°的線偏振光；從雙折射棱鏡對202出射的垂直線偏振光經雙折射波板203后，同樣將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與X軸的夾角分別為45°和135°線偏振光。當上述偏振方向兩兩垂直的線偏振光經過透振方向平行于χ軸的偏振器204后，偏振方向均被歸化到χ方向，從而滿足干涉所需的具有相同偏振分量的必要條件；經成像透鏡300后將被聚焦到處于焦平面上的面陣探測器401的兩側，相交后分別產生兩幅干涉圖像。 其中一幅干涉圖對應入射光中的左旋圓偏振分量，另一幅干涉圖對應入射光中的右旋圓偏振分量，采用與面陣探測器401兼容的圖像采集卡，將干涉圖經連接導線402傳輸到數據處理和顯示系統403中，利用處理和反演算法分別復原出左旋和右旋圓偏振分量的高光譜圖像。所用的偏振器204可以是晶體棱鏡型、二向色性偏振片、金屬線柵偏振片或其它能在寬譜段工作的偏振器。其中，面陣探測器401可以是硅基CCD相機、CMOS相機或者紅外焦平面陣列等。為了獲取完成的序列干涉圖像，系統可以搭載于飛行器平臺、或放置在地面旋轉或平移臺上、或與顯微鏡接口利用樣品平移臺等，使系統與目標在水平方向上勻速相對移動進行窗掃探測，依靠視場角變化來調制兩幅干涉圖像的光程差，兩幅干涉圖的光程差變化相同，一個窗掃周期即可得到目標的左旋和右旋圓偏振分量的完整序列干涉圖像；利用計算機的數據處理系統對兩幅干涉圖像進行傅里葉變換即可得到目標的左旋和右旋圓偏振分量的光譜圖像；兩光譜圖像相減還可以得到高對比度的差分圓偏振光譜圖像信息。
權利要求
1.一種圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，由沿入射光方向依次設置的入射光準直系統(100 )、雙折射分光系統(200 )、成像透鏡(300 )以及圖像獲取和處理系統(400 )組成；目標發出的一束圓偏振光被入射光準直系統(100)準直后的平行光,被雙折射分光系統(200)在紙平面內角向分束，形成傳播方向和偏振方向兩兩平行的四束光；其中入射光準直系統(100)準直后的平行光中的左旋圓偏振分量經雙折射分光系統(200)分成的兩束偏振光經成像透鏡(300)會聚后，將產生左旋偏振分量的干涉圖像；入射光準直系統(100)準直后的平行光中的右旋圓偏振分量經雙折射分光系統(200)分成的兩束偏振光經成像透鏡(300)會聚后，將產生右旋偏振分量的干涉圖像；圖像獲取和處理系統(400)同時獲取左旋和右旋圓偏振分量對應的干涉圖像。
2.根據權利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，入射光準直系統(100)由沿入射光向依次設置的物鏡(102)、視場光闌(103)和準直鏡(104)組成；視場光闌(103)位于物鏡(102)的像面上，同時也是準直透鏡(104)的物方焦平面。
3.根據權利要求2所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，物鏡(102)是望遠物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當物鏡(102)為望遠物鏡時，目標(101)位于無窮遠距離；當物鏡(102)為顯微物鏡或普通物鏡時，目標(101)位于有限遠距離。
4.根據權利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，雙折射分光系統(200)由沿入射光向依次設置的消色差四分之一波片(201)、雙折射棱鏡對(202)、雙折射波板對(203)及偏振器(204)組成；沿入射光傳輸的方向為z軸方向，垂直于z軸的豎直方向為y軸方向，垂直于Z軸的水平方向為X軸方向，X軸、y軸、Z軸三者符合右手螺旋定則；消色差四分之一波片(201)的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對(202)的光軸與X軸的夾角分別為0°和90° ;雙折射波板對(203)的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與χ軸的夾角為45° ;偏振器(204)的透振方向平行于χ軸。
5.根據權利要求4所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，偏振器(204)是晶體棱鏡型偏振片、二向色性偏振片或金屬線柵偏振片。
6.根據權利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，圖像獲取和處理系統(400)由面陣探測器(401)、連接導線(402)及數據處理和顯示系統(403)組成。
7.根據權利要求6所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，面陣探測器(401)置于成像透鏡(300)的像方焦平面上；面陣探測器(401)是硅基CXD相機、CMOS相機或紅外焦平面陣列。
8.根據權利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測系統，其特征在于，圖像獲取和處理系統(400)對左旋和右旋圓偏振分量對應的干涉圖像進行傅里葉變換和圖像融合處理得到目標的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息，兩圓偏振組分之差得到差分圓偏振光譜圖像息。
全文摘要
本發明涉及一種可同時獲取目標左旋和右旋圓偏振組分的高光譜圖像的探測系統；由沿入射光向依次設置的前置準直系統、雙折射分束系統、成像透鏡、及圖像獲取和處理系統組成。本發明由于采用了雙通道圓偏振探測系統，能同時獲取目標的左旋和右旋圓偏振分量的干涉圖；相對于只能探測單一線偏振分量的單通道偏振成像光譜儀來說，增加了差分圓偏振光譜圖像的獲取能力；與采用旋轉部件的序列獲取技術相比，可避免抖動噪聲；本發明可在紫外到紅外的寬波段范圍獲取目標的圓偏振光譜圖像；在空間探測、地球遙感、機器視覺及生物醫學診斷等領域具有潛在的應用價值。
文檔編號G01J3/447GK102879097SQ20121036114
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者穆廷魁, 張淳民 申請人:西安交通大學