基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置及方法与流程

文档序号:12711522阅读:来源:国知局

技术特征:

1.基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:包括沿入射光方向依次放置的偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4),以及在出射光路上依次设置的成像物镜(5)和探测器(6),偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)共中心轴,称为第一光轴,成像物镜(5)和探测器(6)共中心轴,称为第二光轴;偏振分束器(1)的透振方向与Wollaston棱镜(3)的其中一片楔板的晶体光轴方向相同,并且垂直于第一光轴,平行于第二光轴;半波片(2)的快轴与偏振分束器(1)的透振方向夹角为22.5°或67.5°,且半波片(2)的快轴垂直于第一光轴;角锥反射体(4)的三个反射面与第一光轴的夹角相同;Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)组成横向剪切分束器,用于入射光束的横向剪切。

2.根据权利要求1所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:偏振分束器(1)为偏振分光棱镜或偏振分光平片;角锥反射体(4)为角锥棱镜或中空角锥反射器。

3.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8),第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8)的快轴均垂直于第一光轴。

4.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有第一铁电液晶(9)、第一相位延迟片(10)、第二铁电液晶(11)和第二相位延迟片(12),第一铁电液晶(9)、第一相位延迟片(10)、第二铁电液晶(11)和第二相位延迟片(12)的快轴均垂直第一光轴。

5.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有前置成像物镜(13)、视场光阑(14)和准直物镜(15),视场光阑(14)位于前置成像物镜(13)的像面处,准直物镜(15)的物方焦平面与前置成像物镜(13)的像面重合。

6.根据权利要求3或4所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,先依次设置前置成像物镜(13)、视场光阑(14)和准直物镜(15),再设置其他光学元件,视场光阑(14)位于前置成像物镜(13)的像面处,准直物镜(15)的物方焦平面与前置成像物镜(13)的像面重合。

7.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还设有散射片(16),散射片(16)垂直于第一光轴。

8.根据权利要求3-6任一项所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特 征在于:沿入射光方向,先设置散射片(16)再设置其他光学元件,散射片(16)垂直于第一光轴。

9.权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:

第一步,来自目标的入射光束进入偏振分束器(1),偏振分束器(1)把入射光分解成垂直于入射面振动的反射线偏振光和平行于入射面振动的透射线偏振光;

第二步,透射线偏振光经过半波片(2)后偏振方向旋转45°,与Wollaston棱镜(3)的光轴夹角为45°;

第三步,线偏振光经过Wollaston棱镜(3)后被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、出射方向分开的线偏振光;

第四步,两束线偏振光入射到角锥反射体(4)后,各自以平行于入射方向反射至Wollaston棱镜(3);

第五步,两束线偏振光再次经过Wollaston棱镜(3)后,变成两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、且有间隔的线偏振光;

第六步,两束平行的线偏振光经过半波片(2)后,偏振方向均旋转45°,并再次进入偏振分束器(1);

第七步,两束线偏振光经过偏振分束器(1)后,垂直于入射面振动的线偏振光分量被反射,该反射光经过成像物镜(5)后会聚于探测器(6)靶面上产生干涉,进而由探测器(6)获得目标的干涉图像信息,最后经过傅里叶变换处理后即复原出目标的光谱信息。

10.根据权利要求9所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:所述成像装置具有四种内置式的干涉扫描方式:

第一种,旋转Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4),旋转轴垂直于成像装置底座平面;

第二种,平移Wollaston棱镜(3),平移方向垂直于第一光轴,并且平行于成像装置底座平面;

第三种,平移角锥反射体(4),平移方向垂直于第一光轴,并且平行于成像装置底座平面;

第四种,旋转角锥反射体(4),旋转轴平行于第一光轴,角锥反射体(4)的顶点与旋转轴具有间隔,即角锥反射体(4)是离轴旋转的;

采用这四种干涉扫描方式,对应的光学元件每旋转一个角度或平移一个距离,探测器(6)采集一次干涉信息;当扫描完成后获得一个干涉图像序列,对每个像素位置依次提 取每帧图像相同位置上的图像数据,即可组成一个完整的干涉信号数据,对该干涉信号数据进行光谱复原处理即得到该像素位置的光谱信息。

11.权利要求3所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8)为双折射晶体时,入射光经过这两个相位延迟器以及后续的光学元件后,在探测器(6)靶面上产生干涉;第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8)将入射光的斯托克斯分量信息调制到不同的波数上,在每步干涉扫描获取的干涉图像中有七组分离开的干涉信号;经过成像装置的干涉扫描后得到一个干涉图像序列,对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据,得到一个具有七组分离开的干涉信号,分别截取每组干涉信号进行独立光谱复原,即可获得该像素位置处的在每个斯托克斯分量上的光谱信息。

12.权利要求3所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8)为液晶可变相位延迟器时,改变相位延迟器的控制电压值能够改变相位延迟量;每个相位延迟器设置两个输入电压值,即共有四组相位延迟量的组合形式;当成像装置进行每一步干涉扫描时,每个相位延迟器改变两次电压值,即每步干涉扫描时入射光经过四组相位延迟量的调制,经过干涉扫描后得到四个对应于不同相位延迟量组合的干涉图像序列;对每个干涉图像序列中的每个像素位置,依次提取每帧图像相同位置上的图像数据,得到一个完整的干涉信号数据,对该干涉信号数据进行光谱复原处理即可得到该像素位置的光谱信息,再由四组光谱信息获得该像素位置处的在每个斯托克斯分量上的光谱信息。

13.权利要求4所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:铁电液晶在输入电压的控制下,快轴的角度变化只有0°和45°两种状态,两个铁电液晶组合起来共有四组快轴角度变化的形式;当成像装置进行每一步干涉扫描时,每个铁电液晶的快轴角度改变两次,即每步干涉扫描时入射光经过四组快轴角度状态的调制;经过干涉扫描后得到四个对应于不同快轴角度组合的干涉图像序列,对每个干涉图像序列中的每个像素位置,依次提取每帧图像相同位置上的图像数据,得到一个完整的干涉信号数据,对该干涉信号数据进行光谱复原处理即可得到该像素位置的光谱信息,再由四组光谱信息获得该像素位置处的在每个斯托克斯分量上的光谱信息。

14.权利要求5所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:前置成像物镜(13)为定焦成像物镜、变焦成像物镜或显微物镜,来自近场目标的入射光经过前置成像物镜(13)、视场光阑(14)和准直物镜(15)后变成准直的出射光,视场 光阑(14)用于限制前置成像物镜(13)的像面形状和尺寸,抑制杂散光。

15.权利要求7所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:自由空间光束或光纤导入光束经过散射片(16)后,光束产生各个方向的透射,相当于光束被转换成放置于无限远的均匀漫射光源,这些透射光束经过后续的光学元件后在探测器(6)靶面上产生干涉;采用内置式干涉扫描方式,或采用单帧成像方式,获取光束的干涉信号;采用单帧成像方式时,提取图像中行方向上的数据组成干涉信号数据,对该干涉信号数据进行光谱复原后得到光束的光谱信息。

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