基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)目標(biāo)探測領(lǐng)域，特別是一種基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀能夠獲取目標(biāo)的二維空間各點(diǎn)的光譜信息，組成目標(biāo)場景的三維數(shù)據(jù)立方體。其中干涉成像光譜技術(shù)主要包括時(shí)間調(diào)制型、空間調(diào)制型和時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型三大類技術(shù)。時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型技術(shù)是光譜成像領(lǐng)域中發(fā)展非?；钴S的光譜探測技術(shù)。它通過在無限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)中加入橫向剪切分束器引入探測目標(biāo)的干涉信息，利用傅里葉變換反演處理得到探測目標(biāo)的二維空間光強(qiáng)信息和各點(diǎn)光譜信息。與時(shí)間調(diào)制型干涉成像光譜儀相t匕，像面干涉成像光譜儀內(nèi)部可以去掉推掃運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性能高的特點(diǎn)；與空間調(diào)制型干涉成像光譜儀相比，它沒有狹縫的限制，具有高光通量、高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。成像偏振儀能夠獲取目標(biāo)二維空間各點(diǎn)的偏振態(tài)信息，主要方法是采用基于穆勒矩陣的Stokes成像偏振技術(shù)?，F(xiàn)有成像光譜方案和偏振成像方案,只能獲取目標(biāo)的三維信息。簡單的將兩者功能集成在一個(gè)系統(tǒng)中，雖然可以獲取目標(biāo)光譜、偏振、圖像信息，如文章“一種基于新型偏振干涉成像光譜儀的目標(biāo)偏振信息探測新方法”所述(孫堯等，物理學(xué)報(bào)，第59卷6期，第3863-3870頁，2010年)，但是不能獲取目標(biāo)更加精細(xì)的信息，即場景中各點(diǎn)各個(gè)譜段的偏振態(tài)信息。
[0003]近年來興起的成像光譜偏振儀，是探測儀器領(lǐng)域的一次跨越，能夠獲取探測場景更加精確的信息，即能夠獲取二維空間各點(diǎn)在一定譜段范圍內(nèi)各個(gè)光譜段對(duì)應(yīng)的偏振信息，從而將獲取二維場景的三維信息擴(kuò)展到四維信息，獲取的目標(biāo)信息更加精細(xì)。成像光譜偏振(Imaging Spectropolarimeter, ISP)技術(shù)主要是在現(xiàn)有成像光譜技術(shù)基礎(chǔ)上,利用自身器件已有的偏振選擇特性或通過加入偏振組件引入偏振信息探測。按照ISP技術(shù)中光譜探測原理的不同，可以分為基于液晶調(diào)制濾光片(LCTF)的ISP技術(shù)、基于聲光調(diào)制濾光片(AOTF)的ISP技術(shù)、基于層析成像光譜技術(shù)(CTIS)的ISP技術(shù)、基于光柵成像光譜技術(shù)(GIS)的ISP技術(shù)、基于色散型成像光譜技術(shù)(DTSP)和基于干涉成像光譜技術(shù)(FTIS)的成像光譜偏振技術(shù)等。基于FTIS技術(shù)直接探測的是與波數(shù)共軛的干涉信息，數(shù)據(jù)處理過程相對(duì)簡單，此外還具有高通量、高空間分辨率、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此基于FTIS的全偏振ISP技術(shù)是當(dāng)前國際上研究的一個(gè)重要內(nèi)容?，F(xiàn)有基于現(xiàn)有FTIS的全偏振ISP技術(shù)，主要是采用Oka相位組件，有兩個(gè)相位延遲片和一個(gè)線偏振前后組合而成。在干涉成像光譜儀中引入偏振態(tài)信息，該方法能夠同步引入全Stokes偏振信息，但是當(dāng)探測光譜波段為窄帶光譜時(shí)，相鄰偏振干涉圖之間會(huì)發(fā)生混疊，影響復(fù)原精度。在干涉成像光譜裝置中加入微偏振調(diào)制陣列能夠解決上述問題。本發(fā)明中微偏振調(diào)制陣列采用專利號(hào)為CN 103063300 A中的微偏振調(diào)制陣列，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)場景四維信息的精確獲取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高目標(biāo)分辨率、高通量的基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置及方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高分辨率光譜偏振成像探測。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物鏡、準(zhǔn)直物鏡、Sagnac橫向剪切分束器、成像物鏡、微偏振調(diào)制陣列、探測器，以及信號(hào)處理系統(tǒng)，所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高；其中前置成像物鏡的像面與準(zhǔn)直物鏡的前焦面重合；微偏振調(diào)制陣列貼在探測器的感光面，每個(gè)微偏振調(diào)制陣列的像素對(duì)應(yīng)探測器的一個(gè)探測器象元；Sagnac橫向剪切分束器包括共光軸順時(shí)針依次設(shè)置的分束器、第一反射鏡、第二反射鏡，其中分束器與準(zhǔn)直物鏡的光軸逆時(shí)針成45°，第一反射鏡與準(zhǔn)直物鏡的光軸逆時(shí)針成22.5°，第二反射鏡與準(zhǔn)直物鏡的光軸逆時(shí)針成67.5° ;微偏振調(diào)制陣列位于成像物鏡的后焦面位置；探測器通過導(dǎo)線與信號(hào)處理系統(tǒng)相連；探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面位置，經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡后形成的準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器后形成第一反射光和第一透射光:第一反射光首先入射到第一反射鏡，經(jīng)第一反射鏡反射到第二反射鏡，再經(jīng)過第二反射鏡反射到分束器，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像物鏡；第一透射光首先入射到第二反射鏡，經(jīng)第二反射鏡反射到第一反射鏡，再經(jīng)過第一反射鏡反射到分束器，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像物鏡；從分束器出射的第二反射光和第三透射光存在橫向剪切量，隨后光束經(jīng)過成像物鏡匯聚到成像物鏡的后焦面處微偏振調(diào)制陣列上，每個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組四個(gè)微偏振調(diào)制陣列的像素，經(jīng)過調(diào)制后形成四組偏振的像點(diǎn)成像在探測器對(duì)應(yīng)的四個(gè)象元上面，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃，獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。
[0006]上述分束器為半透半反鏡。
[0007]基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置的方法，包括以下步驟:
第一步，入射光經(jīng)過前置成像物鏡后將目標(biāo)成像在其像面位置，隨后光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡后以平行光束形式進(jìn)入Sagnac橫向剪切分束器；
第二步，光束經(jīng)過分束器后形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一反射鏡，發(fā)生反射，隨后入射第二反射鏡，經(jīng)過第二反射鏡反射到分束器，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像物鏡；第一透射光首先入射到第二反射鏡，發(fā)生反射，然后入射第一反射鏡，發(fā)生反射后，入射到分束器，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像物鏡；從分束器出射的第二反射光和第三透射光存在橫向剪切量；
第三步，存在橫向剪切量的光束經(jīng)過成像物鏡后，到達(dá)放置在探測器靶面前面微偏振調(diào)制陣列上面，同一個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)四個(gè)空間上分開的偏振象元，通過系統(tǒng)整體推掃的方式或旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)部Sagnac橫向剪切分束器推掃的方式獲取場景中各點(diǎn)四組干涉圖像，對(duì)應(yīng)四組不同偏振信息，最終在探測器靶面形成隨視場角變化的干涉圖像；
第四步，探測器獲取的偏振干涉圖像進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，偏振干涉圖像經(jīng)過傅里葉變換后能夠獲取每個(gè)物點(diǎn)的四個(gè)偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的光譜曲線，通過矩陣運(yùn)算，可以確定每個(gè)物點(diǎn)的四個(gè)Stokes參數(shù)對(duì)應(yīng)的光譜曲線，進(jìn)而能夠獲取目標(biāo)場景中各點(diǎn)的光譜信息，即第一個(gè)Stokes偏振參量的光譜曲線，以及各個(gè)譜段的偏振態(tài)信息。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著的優(yōu)點(diǎn):
(O實(shí)現(xiàn)探測場景的四維信息獲取，獲取更加精細(xì)的目標(biāo)數(shù)據(jù)；
(2)采用微偏振調(diào)制陣列能夠同步引入四組偏振態(tài)的光譜信息，節(jié)約探測時(shí)間。同時(shí)微偏振調(diào)制陣列不會(huì)增加系統(tǒng)的體積，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。
【附圖說明】
[0009]圖1為基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0011]結(jié)合圖1，一種基于微偏振陣列的干涉成像全偏振光譜探測裝置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物鏡1、準(zhǔn)直物鏡2、Sagnac橫向剪切分束器3、成像物鏡4、微偏振調(diào)制陣列5、探測器6和信號(hào)處理系統(tǒng)7組成，其中探測器6為CCD，所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高；其中前置成像物鏡I的像面與準(zhǔn)直物鏡2的前焦面重合；微偏振調(diào)制陣列5貼在探測器6的感光面，每個(gè)微偏振調(diào)制陣列5的像素對(duì)應(yīng)一個(gè)探測器象兀；Sagnac橫向剪切分束器3包括共光軸順時(shí)針依次設(shè)置的分束器31、第一反射鏡32、第二反射鏡33，分束器31與準(zhǔn)直物鏡2的光軸逆時(shí)針成45°。第一反射鏡32與準(zhǔn)直物鏡2的光軸逆時(shí)針成22.5°，第二反射鏡33與準(zhǔn)直物鏡2的光軸逆時(shí)針成67.5°。第二反射鏡33位于第一反射鏡32關(guān)于分束器31對(duì)稱位置平移微小距離處。微偏振調(diào)制陣列5位于成像物鏡4的后焦面位置；探測器6通過導(dǎo)線與信號(hào)處理系統(tǒng)7相連。
[0012]本發(fā)明裝置的光路走向如下:探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡I成像在其像面位置，經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡2后形成的準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器31后形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一反射鏡32，發(fā)生反射，隨后入射第二反射鏡33，經(jīng)過第二反射鏡33反射到分束器31，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像物鏡4 ;第一透射光首先入射到第二反射鏡33，發(fā)生反射，然后入射第一反射鏡32，發(fā)生反射后，入射到分束器31，形成第三反射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像物鏡4 ;從分束器31出射的第二反射光和第三透射光存在橫向剪切量，引入隨視場變換的光程差，隨后光束經(jīng)過成像物鏡4匯聚到成像物鏡4的后焦面處微偏振調(diào)制陣列5上，每個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組四個(gè)微偏振調(diào)制陣列的像素，經(jīng)過調(diào)制后形