一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀與成像方法
【專利摘要】一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀與成像方法屬于快照式成像光譜【技術(shù)領(lǐng)域】；該光譜儀在傳統(tǒng)成像光譜儀的基礎(chǔ)上，在準(zhǔn)直鏡和微透鏡陣列之間設(shè)置有偏振分光器一，增加了成像臂光路；在光譜臂光路上，通過設(shè)置偏振分光器二，將傳統(tǒng)單光路結(jié)構(gòu)改變?yōu)槠胶夤庾V臂和非平衡光譜臂的雙光路結(jié)構(gòu)；該成像方法，利用平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號，再經(jīng)過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標(biāo)的圖像和光譜信息；本發(fā)明不僅可以快速地捕捉運動目標(biāo)的圖像和光譜信息，而且可以大幅提高系統(tǒng)的空間分辨率和信噪比，有利于在精細(xì)測量領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利說明】一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀與成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀與成像方法屬于快照式成像光譜【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜儀是能獲得輸入光譜密度函數(shù)的儀器，在農(nóng)業(yè)、天文、生物、化學(xué)、色度計量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光譜儀原理主要分為兩種:一種是以棱鏡和光柵為色散元件的色散型光譜儀，可直接獲取目標(biāo)的光譜；另一種是以邁克爾遜干涉儀或其他光程差產(chǎn)生元件為核心的干涉型光譜儀，可直接獲取目標(biāo)的干涉強度分布，需要經(jīng)過傅里葉變換才能獲取目標(biāo)光譜。
[0003]色散型光譜儀采用棱鏡或光柵作為色散元件獲取目標(biāo)光譜，具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實現(xiàn)高空間分辨率或高光譜分辨率均需小的入射狹縫，限制了光通量和信噪比。干涉型光譜儀利用雙光束干涉的干涉圖作傅里葉變換來獲取光譜數(shù)據(jù)，具有光通量大、光譜分辨率高、自由光譜范圍寬等優(yōu)點。早期的干涉型光譜儀結(jié)構(gòu)大多基于邁克爾遜干涉儀，在相同光譜分辨率下，光通量約為光柵型光譜儀的190倍。但其工作時，需精密、穩(wěn)定的動鏡掃描，因此無法對目標(biāo)光譜信息進行實時探測，對應(yīng)用環(huán)境和條件要求也比較苛刻。
[0004]隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，在生物檢測、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等領(lǐng)域，對光譜儀提出了快速實時地獲取圖像和光譜信息的要求。為此，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。在上世紀(jì)九十年代由日本學(xué)者Akiko Hirai等人發(fā)表的論文“Application of Multiple-1mageFourier Transform Spectral Imaging to Measurement of Fast Phenomena， OPTICALREVIEW Vol.1，N0.2(1994)205-207”中首次提出一種基于透鏡陣列的快照式成像光譜系統(tǒng)，可以捕捉處于30r/m轉(zhuǎn)速物體的圖像和光譜信息，但該系統(tǒng)體積比較龐大，抗干擾能力差。此后，美國亞利桑那大學(xué)的Michael ff.Kudenov等人在發(fā)表的論文“Compact real-timebirefringent imaging spectrometer,OPTICS EXPRESS17973/Vol.20,N0.16/30July2012,>中提出了一種基于微透鏡陣列和諾馬斯基棱鏡的小型化的快照式成像光譜儀，可以快速捕捉運動物體的圖像和光譜信息。
[0005]Michael W.Kudenov等人所公開的光譜儀包括成像鏡、入射光闌、準(zhǔn)直鏡、微透鏡陣列、起偏器、諾馬斯基棱鏡一、半波片、諾馬斯基棱鏡二、檢偏器、光電探測器及信號處理部件，來自目標(biāo)的光線經(jīng)過成像鏡匯聚在入射光闌上，再經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后到達(dá)微透鏡陣列，光線經(jīng)過微透鏡陣列后射入起偏器，起偏變成線偏振光，偏振方向與X軸、I軸均成45°，該線偏振光在經(jīng)過諾馬斯基棱鏡一時發(fā)生雙折射，分成兩束偏振方向分別沿X軸和y軸的線偏振光，這兩束線偏振光經(jīng)過半波片后，線偏振方向互換，之后經(jīng)過諾馬斯基棱鏡二折射，最后經(jīng)過檢偏器，兩束光將具有相同偏振方向，最后到達(dá)光電探測器及信號處理部件上并發(fā)生干涉。
[0006]若微透鏡陣列的子透鏡個數(shù)為MXN，則得到MXN個子圖像，每個子圖像具有相同的輪廓和不同的像素點灰度，由于每個子圖像經(jīng)過諾馬斯基棱鏡的位置不同，所以每個子圖像相同位置的像素點的光程差不同，取每個子圖像上相同位置點的灰度值作為一個數(shù)列并作傅里葉變換，即可得到該像素點的光譜信息，同理可以得到子圖像上所有像素點的光譜信息，由此該系統(tǒng)完成了在光電探測器一次積分時間內(nèi)，獲取含有目標(biāo)圖像和光譜信息的“數(shù)據(jù)立方體”。
[0007]但是該系統(tǒng)中，由于該系統(tǒng)將原圖像分成MXN個子圖像，故其最終獲得的目標(biāo)圖像空間分辨率很低，無法應(yīng)用于要求高空間分辨率的場合；除此之外，目標(biāo)光源經(jīng)過起偏器和檢偏器，故其理想的光學(xué)效率僅為25%，造成系統(tǒng)的信噪比很低，無法滿足精細(xì)測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀與成像方法，同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅可以快速地捕捉運動目標(biāo)的圖像和光譜信息，而且可以大幅提高系統(tǒng)的空間分辨率和信噪比，有利于在精細(xì)測量領(lǐng)域中應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0010]一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀，沿光線傳播方向依次設(shè)置成像鏡、入射光闌、準(zhǔn)直鏡、微透鏡陣列，還包括設(shè)置在準(zhǔn)直鏡和微透鏡陣列之間的偏振分光器一、成像臂成像鏡和成像臂光電探測器及信號處理部件；設(shè)置在微透鏡陣列后面的光譜臂半波片
一、光譜臂諾馬斯基棱鏡一、光譜臂半波片二、光譜臂諾馬斯基棱鏡二、光譜臂半波片三、偏振分光器二、平衡光譜臂成像鏡、平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件、非平衡光譜臂成像鏡和非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件；
[0011]來自目標(biāo)物的光線經(jīng)過成像鏡匯聚在入射光闌上，再經(jīng)過準(zhǔn)直鏡到達(dá)偏振分光器一，經(jīng)偏振分光器一后的反射光線經(jīng)過成像臂成像鏡成像到成像臂光電探測器及信號處理部件；經(jīng)偏振分光器一后的透射光線到達(dá)微透鏡陣列，再依次經(jīng)過光譜臂半波片一、光譜臂諾馬斯基棱鏡一、光譜臂半波片二、光譜臂諾馬斯基棱鏡二、光譜臂半波片三、到達(dá)偏振分光器二，經(jīng)偏振分光器二后的透射光線經(jīng)過平衡光譜臂成像鏡后，在平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件表面發(fā)生干涉；經(jīng)偏振分光器二后的反射光線經(jīng)過非平衡光譜臂成像鏡后，在非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件表面發(fā)生干涉。
[0012]一種基于上述差分快照式成像光譜儀的成像方法，用平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號，再經(jīng)過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標(biāo)的圖像和光譜信息。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同在于，在成像光譜儀的結(jié)構(gòu)上，第一、在準(zhǔn)直鏡和微透鏡陣列之間設(shè)置有偏振分光器一，增加了成像臂光路；第二、在光譜臂光路上，通過設(shè)置偏振分光器二，將傳統(tǒng)單光路結(jié)構(gòu)改變?yōu)槠胶夤庾V臂和非平衡光譜臂的雙光路結(jié)構(gòu)；在成像方法上，利用平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號；以上不同所具有的有益效果在于:第一、在成像臂獲得高空間分辨率的RGB彩色圖像，再結(jié)合光譜臂得到的低空間分辨率、高光譜分辨率圖像，最后獲得高空間分辨率、高光譜分辨率圖像，大幅提高系統(tǒng)的空間分辨率；第二、利用平衡光譜臂干涉圖和非平衡光譜臂干涉圖之差作為總的干涉圖，在理論上不僅可以減少系統(tǒng)的共模誤差，而且可以減少系統(tǒng)50%的光學(xué)損失，使系統(tǒng)的理論光學(xué)效率從25%上升到50%，大幅提高系統(tǒng)的信噪比，使本發(fā)明有利于在精細(xì)測量領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明差分快照式成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是系統(tǒng)光譜臂光程差產(chǎn)生部分示意圖。
[0016]圖3是光程差的分布示意圖。
[0017]圖4是微透鏡陣列、平衡光譜臂部分軸測圖。
[0018]圖5是平衡光譜臂光電探測器上子圖像的光程差分布示意圖。
[0019]圖6是平衡光譜臂得到的干涉圖立方體示意圖。
[0020]圖7是單個菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖8是4X4菲涅耳波帶片陣列示意圖。
[0022]圖中:1成像鏡、2入射光闌、3準(zhǔn)直鏡、4微透鏡陣列、51偏振分光器一、52成像臂成像鏡、53成像臂光電探測器及信號處理部件；61光譜臂半波片一、62光譜臂諾馬斯基棱鏡一、63光譜臂半波片二、64光譜臂諾馬斯基棱鏡二、65光譜臂半波片三、71偏振分光器
二、72平衡光譜臂成像鏡、73平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件、74非平衡光譜臂成像鏡、75非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0024]本實施例的基于偏振分光器的快照式成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該光譜儀包括成像鏡I ;入射光闌2 ;準(zhǔn)直鏡3 ;偏振分光器一 51 ;成像臂成像鏡52和成像臂光電探測器及信號處理部件53 ;微透鏡陣列4 ;光譜臂半波片一 61 ;光譜臂諾馬斯基棱鏡一62 ;光譜臂半波片二 63 ;光譜臂諾馬斯基棱鏡二 64 ;光譜臂半波片三65 ;偏振分光器二 71 ；平衡光譜臂成像鏡72 ;平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件73 ;非平衡光譜臂成像鏡74和非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件75 ；
[0025]來自目標(biāo)物的光線經(jīng)過成像鏡I匯聚在入射光闌2上，再經(jīng)過準(zhǔn)直鏡3到達(dá)偏振分光器一 51,光線經(jīng)過偏振分光器一 51后P分量繼續(xù)沿原來的傳播方向,稱之為光譜臂光線，光線的s分量在偏振分光器一 51的膠合面上發(fā)生反射，稱之為成像臂光線。成像臂光線反射后經(jīng)過成像臂成像鏡52，最終射入成像臂光電探測器及信號處理部件53，獲得目標(biāo)物的高空間分辨率RGB彩色圖像。
[0026]光譜臂光線離開偏振分光器一 51后經(jīng)過微透鏡陣列4到達(dá)光譜臂半波片一 61，光譜臂半波片一 61的快軸位于xoy平面上，與X軸成22.5°，光譜臂光線經(jīng)過光譜臂半波片一 61后偏振方向由沿X軸方向變?yōu)榕cX軸和y軸均成45°，此后光線進入光譜臂諾馬斯基棱鏡一 62的第一片光楔后分成P偏振光和s偏振光,根據(jù)圖2所不光譜臂諾馬斯基棱鏡一 62的第一片光楔的光軸方向可以判斷P偏振光為非尋常光e光，s偏振光為尋常光ο光。光線經(jīng)過光譜臂諾馬斯基棱鏡一 62的膠合面后,根據(jù)光譜臂諾馬斯基棱鏡一 62的第二片光楔的光軸方向，可以判斷P偏振光為ο光，s偏振光為e光。兩束線偏振光繼續(xù)向前傳播穿過光譜臂半波片二 63，光譜臂半波片二 63的快軸位于xoy平面內(nèi)，與x軸和y軸均成45° ,光譜臂半波片二 63使光譜臂光線的P偏振光分量和s偏振光分量分別以z軸為軸心順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)90° ,即P偏振光變?yōu)閟偏振光,s偏振光變?yōu)镻偏振光。兩束偏振光繼續(xù)向前傳播進入光譜臂諾馬斯基棱鏡二 64的第一片光楔，根據(jù)圖2所示的光譜臂諾馬斯基棱鏡二 64第一片光楔的光軸方向,可以判斷P偏振光為非尋常光e光，s偏振光為尋常光ο光。光線經(jīng)過光譜臂諾馬斯基棱鏡二 64的膠合面后，根據(jù)光譜臂諾馬斯基棱鏡二64的第二片光楔的光軸方向,可以判斷P偏振光為ο光,s偏振光為e光。由于本實施例中使用的諾馬斯基棱鏡均為石英材料，其尋常光折射率η。和非尋常光折射率\大小不同，而兩束偏振光作為ο光和e光走過的距離不同，故兩束偏振光之間產(chǎn)生了一個光程差。此后兩束偏振光射入光譜臂半波片三65，光譜臂半波片三65的快軸位于xoy平面內(nèi)，與X軸成22.5°，光線經(jīng)過光譜臂半波片三65后偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由分別沿X軸和y軸方向，變?yōu)榉謩e與y軸成45°和135°，此后，光線射入偏振分光器二 71，兩束線偏振光分別被分成沿X軸的P分量和沿I軸的S分量，其中兩光線的P分量繼續(xù)沿原來的傳播方向，經(jīng)過平衡光譜臂成像鏡72匯聚在平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件73處發(fā)生干涉，兩光線的S分量在偏振分光器二 71的膠合面處發(fā)生反射，此后經(jīng)過非平衡光譜臂成像鏡74匯聚在非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件75發(fā)生干涉。
[0027]假設(shè)光譜臂光線為單色光，波數(shù)為σ，其在經(jīng)過光譜臂諾馬斯基棱鏡二 64之后，某一點光譜臂光線的P分量和S分量之間存在光程差△，也即此時光譜臂光線的瓊斯矢量為:
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于偏振分光器的快照式成像光譜儀，沿光線傳播方向依次設(shè)置成像鏡(I)、入射光闌(2)、準(zhǔn)直鏡(3)、微透鏡陣列(4)，其特征在于:還包括設(shè)置在準(zhǔn)直鏡(3)和微透鏡陣列(4)之間的偏振分光器一(51)、成像臂成像鏡(52)和成像臂光電探測器及信號處理部件(53);設(shè)置在微透鏡陣列(4)后面的光譜臂半波片一(61)、光譜臂諾馬斯基棱鏡一(62)、光譜臂半波片二(63)、光譜臂諾馬斯基棱鏡二(64)、光譜臂半波片三(65)、偏振分光器二(71)、平衡光譜臂成像鏡(72)、平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(73)、非平衡光譜臂成像鏡(74)和非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(75)； 來自目標(biāo)物的光線經(jīng)過成像鏡(I)匯聚在入射光闌(2)上，再經(jīng)過準(zhǔn)直鏡(3)到達(dá)偏振分光器一(51)，經(jīng)偏振分光器一(51)后的反射光線經(jīng)過成像臂成像鏡(52)成像到成像臂光電探測器及信號處理部件(53);經(jīng)偏振分光器一(51)后的透射光線到達(dá)微透鏡陣列(4)，再依次經(jīng)過光譜臂半波片一(61)、光譜臂諾馬斯基棱鏡一(62)、光譜臂半波片二(63)、光譜臂諾馬斯基棱鏡二(64)、光譜臂半波片三(65)、到達(dá)偏振分光器二(71)，經(jīng)偏振分光器二(71)后的透射光線經(jīng)過平衡光譜臂成像鏡(72)后，在平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(73)表面發(fā)生干涉；經(jīng)偏振分光器二(71)后的反射光線經(jīng)過非平衡光譜臂成像鏡(74)后，在非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(75)表面發(fā)生干涉。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的差分快照式成像光譜儀的成像方法，其特征在于:用平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(73)得到的干涉信號減去非平衡光譜臂光電探測器及信號處理部件(75)得到的干涉信號，再經(jīng)過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標(biāo)的圖像和光譜信息。
【文檔編號】G01J3/45GK103822715SQ201410053302
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】金鵬, 朱帥帥, 張宇, 林杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)