一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法与流程

本发明属于光学成像探测的技术领域，特别是涉及一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法。

背景技术：

目前，光学探测技术是人类获取目标信息的重要途径之一。光学探测技术通过探测目标的图像、光谱、偏振等信息可以分析探测目标的物理、化学属性，提供高对比度的目标表面、形貌、阴影等信息，进而显著提高复杂背景环境下识别特定目标的能力。由此发展起来的成像光谱偏振技术通过融合照相机、光谱仪和偏振仪的功能，形成了一种具有多模式探测能力的前沿光学成像探测工具，能够同时提供目标场景的空间、光谱和偏振四维光信息。在军事侦察、农业病虫害检测、污染物监控等领域具有重要的应用价值。

偏振差分光谱成像技术属于一类成像光谱偏振探测技术。偏振差分光谱成像技术能够获取探测目标正交偏振分量的光谱图像，可以有效的消除背景噪声，提高特性目标(例如：人造目标)的对比度，在生物医学和军事目标侦察等领域具有重要的应用价值。例如：1999年backman等人将色散光栅光谱仪与偏振差分技术相结合，检测早起癌变细胞的正交偏振散射光谱，研究癌细胞病变机理。

作为一种新型光学成像探测技术，差分偏振光谱成像技术的研究主要集中在欧美发达国家。根据光谱分光组件的不同可以大致分为三类：

(1)采用声光调谐滤光片或者液晶调谐滤光片的差分偏振光谱成像技术；

(2)采用色散分光谱的差分偏振光谱成像技术；

(3)采用傅里叶光谱仪的差分偏振光谱成像技术。

然而，以上三类差分偏振光谱成像技术都需要对目标进行推扫才能获取偏振差分光谱图像，因此现有方案多是用于对静态目标进行观测，无法对动态目标场景进行实时探测。

综上所述，现有差分偏振光谱成像技术中对于如何进行动态目标场景实时探测的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明为了克服的现有差分偏振光谱成像技术中无法对动态目标场景进行实时探测的问题，提供一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法。实现单次曝光即可获取目标场景高空间分辨率的差分偏振多光谱图像。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置，该装置包括：

沿同一光轴依次放置的前置成像系统、第一双折射分束棱镜、双折射滤光组件、后置成像物镜和面阵探测器；

探测目标发射或者反射的光束经过前置成像系统，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜；入射光束经过第一双折射棱镜分成两束正交偏振光进入双折射滤光组件，形成至少两束且为2的n次方束的具有不同频谱的光束；最后经过后置成像物镜，在面阵探测器上同时获取两组正交偏振态的多光谱图像。

进一步的，所述前置成像系统包括沿光路方向依次设置的成像物镜、视场光阑和准直物镜；所述成像物镜的像面位置与所述准直物镜的前焦面位置重合，所述视场光阑设置于成像物镜的像面位置与所述准直物镜的前焦面位置的重合处。

进一步的，所述双折射滤光组件包括沿光路依次设置的至少一组偏振元件，偏振元件的数量为n个，其中，n＝1,2,3,…。

进一步的，每组所述偏振元件包括沿光路依次设置的相位延迟片和第二双折射分束棱镜。

进一步的，所述第一双折射分束棱镜与所述第二双折射分束棱镜均将入射光束分成两束正交偏振光束，两束偏振光束与参考方向夹角为0°和90°。

进一步的，多组相邻所述偏振元件中的相位延迟片的快轴方向与参考方向成45°角。

本发明为了克服的现有差分偏振光谱成像技术中无法对动态目标场景进行实时探测的问题，提供一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法。实现单次曝光即可获取目标场景高空间分辨率的差分偏振多光谱图像。

为了实现上述目的，本发明采用如下另一种技术方案：

一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像方法，该方法基于所述系统，探测目标发射或者反射的光束经过前置成像系统，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜；入射光束经过第一双折射棱镜分成两束正交偏振光进入双折射滤光组件，形成至少两束且为2的n次方束的具有不同频谱的光束；最后经过后置成像物镜，在面阵探测器上同时获取两组正交偏振态的多光谱图像。

进一步的，探测目标发射或者反射的光束经过前置成像系统，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜的具体步骤为：

来自目标场景的入射光束进入前置成像系统，首先通过前置成像系统中的成像物镜成像在其像面位置，视场光阑用于限制探测视场的大小；

随后目标光束经过准直物镜的作用，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜，经过第一双折射分束棱镜后，分成第一偏振光束和第二偏振光束；

第一偏振光束的振动方向与参考方向成0°，第二偏振光束的振动方向与参考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分开一定的角度。

进一步的，两束正交偏振光进入双折射滤光组件，形成至少两束且为2的n次方束的具有不同频谱的光束的具体步骤为：

第一偏振光束和第二偏振光束进入双折射滤光组件；

第一组偏振光束经过第一组偏振元件后分成两束频谱不同的光束，经过第二组偏振元件后分成四束频谱不同的光束，经过第n(n＝1,2,3…)组偏振元件后，第一偏振光束共分成2的n次方束具有不同频谱的光束，且每束光具有不同的方向角；

第二组偏振光束经过第一组偏振元件后分成两束频谱不同的光束；经过第二组偏振元件后分成四束频谱不同的光束，经过第n(n＝1,2,3…)组偏振元件后，第二偏振光束也分成2的n次方束具有不同频谱的光束；且每束光的频谱特性与第一偏振光束分成的2的n次方束光束中的一束光对应相同，但是光束发散角方向不同。

进一步的，经过后置成像物镜，在面阵探测器上同时获取两组正交偏振态的多光谱图像束的具体步骤为：

经过第一双折射分束棱镜和双折射滤光组件后，目标场景光束被分成2的(n+1)次方束光束，且每束光具有不同的发散角；

经过成像物镜的会聚作用后在其后焦面位置的面阵探测器的靶面上生成2的(n+1)次方个目标图像，记录了目标2的n次方个谱段的偏振差分图像；

其中第一偏振光束生成与参考方向成0°的目标偏振光的2的n次方个多光谱图像；第二偏振光束生成与参考方向成90°的目标偏振光的光谱图像，其光谱谱段与第一偏振光束生成的多光谱图像的谱段相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，单次曝光即可获取探测目标的差分多光谱图像，能够对探测目标进行实时探测；

(2)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，系统内无狭缝，获取的偏振差分光谱图像具有高空间分辨率的优点；

(3)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制、方法简单实用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置的结构示意图；

图2为本发明探测器靶面获取的探测目标场景示意图；

其中：1-前置成像系统：11-成像物镜，12-视场光阑，13-准直物镜；2-第一双折射分束棱镜；3-双折射滤光组件：31-第一组偏振元件：311-相位延迟片，312-第二双折射分束棱镜，32-第二组偏振元件：321-相位延迟片，322-第二双折射分束棱镜；4-成像物镜；5-面阵探测器。

具体实施方式：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

正如背景技术所介绍的，现有差分偏振光谱成像技术中存在无法对于动态目标场景进行实时探测的问题，提供一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法。实现单次曝光即可获取目标场景高空间分辨率的差分偏振多光谱图像。

本申请的一种典型的实施方式中，采用如下技术方案：

一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置，如图1所示，该装置包括：

沿同一光轴依次放置的前置成像系统1、第一双折射分束棱镜2、双折射滤光组件3、后置成像物镜4和面阵探测器5；

在本实施例中，前置成像系统1包括沿光路方向依次设置的成像物镜11、视场光阑12和准直物镜13，且视场光阑13位于成像物镜11的像面位置，该位置也是准直物镜13的前焦面位置。

双折射滤光组件3包含沿光路依次设置的n(n＝1,2,3,…)组偏振元件31、32…组成，每组偏振元件包括沿光路依次设置的相位延迟片和第二双折射分束棱镜。

在本实施例中，双折射滤光组件3包含沿光路依次设置的2组偏振元件：第一组偏振元件31和第二组偏振元件32。第一组偏振元件31由沿光路依次设置的相位延迟片311和第二双折射分束棱镜312组成，第二组偏振元件32由沿光路依次设置的相位延迟片321和第二双折射分束棱镜322组成。

在本实施例中，第一折射分束棱镜2和双折射滤光组件3中的第二双折射分束棱镜312、322可以采用渥拉斯顿棱镜、微角偏振分束棱镜等；其作用是将入射光束分成两束正交偏振光束，两束偏振光束与参考方向夹角为0°和90°，即第一偏振光束的振动方向与参考方向成0°，第二偏振光束的振动方向与参考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分开一定的角度。

如图1所示，双折射滤光组件3中的相位延迟片311、321的快轴方向与参考方向成45°角。

为了实现上述目的，本发明采用如下另一种技术方案：

一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像方法，该方法基于所述系统，探测目标发射或者反射的光束经过前置成像系统1，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜2；入射光束经过第一双折射棱镜2分成两束正交偏振光进入双折射滤光组件3，形成4束的具有不同频谱的光束；最后经过后置成像物镜4，在面阵探测器5上同时获取两组正交偏振态的多光谱图像。

一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像方法，具体包括以下步骤：

第一步，来自目标场景的入射光束进入前置成像系统1，首先通过前置成像系统1中的成像物镜11成像在其像面位置，视场光阑12用于限制探测视场的大小；随后目标光束经过准直物镜13的作用，以平行光的形式入射第一双折射分束棱镜2，经过第一双折射分束棱镜2后，分成第一偏振光束和第二偏振光束，第一偏振光束的振动方向与参考方向成0°，第二偏振光束的振动方向与参考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分开一定的角度；

第二步，第一偏振光束和第二偏振光束进入双折射滤光组件3；在本实施例中，双折射滤光组件3包括两组；

第一组偏振光束经过第一组偏振元件31后分成两束频谱不同的光束，经过第二组偏振元件32后分成四束频谱不同的光束，但本发明不仅限于两组双折射滤光组件3，以此类推，经过第n(n＝1,2,3…)组偏振元件后，第一偏振光束共分成2的n次方束具有不同频谱的光束，且每束光具有不同的方向角；

第二组偏振光束经过第一组偏振元件31后也分成两束频谱不同的光束；经过第二组偏振元件32后也分成四束频谱不同的光束，但本发明不仅限于两组双折射滤光组件3，以此类推，经过第n(n＝1,2,3…)组偏振元件后，第二偏振光束也分成2的n次方束具有不同频谱的光束，且每束光的频谱特性与第一偏振光束分成的2的n次方束光束中的一束光对应相同，但是光束发散角方向不同。

第三步，经过第一双折射分束棱镜2和双折射滤光组件3后，目标场景光束被分成2的(n+1)次方束光束，且每束光具有不同的发散角。经过成像物镜4的会聚作用后在其后焦面位置的面阵探测器5的靶面上生成2的(n+1)次方个目标图像，记录了目标2的n次方个谱段的偏振差分图像；其中第一偏振光束生成与参考方向成0°的目标偏振光的2的n次方个多光谱图像；第二偏振光束生成与参考方向成90°的目标偏振光的光谱图像，其光谱谱段与第一偏振光束生成的多光谱图像的谱段相同。

如图2所示，当本发明装置中的双折射滤光组件3只包含两组偏振元件31、32时，面阵探测器5的靶面上共生成目标场景的8幅片差分多光谱图像，分为四个光谱波段。

模拟目标场景如图2(a)所示；2(b)为面阵探测器获取的图像，图像中第一个小图像(1)状态为(λ1，p//)，第二个小图像(8)的状态为(λ2，p//)，第三个小图像(8)的状态为(λ3，p⊥)，第四个小图像(8)的状态为(λ4，p⊥)，第五个小图像(8)的状态为(λ4，p//)，第六个小图像(8)的状态为(λ3，p//)，第七个小图像(8)的状态为(λ2，p⊥)，第八个小图像(8)的状态为(λ1，p⊥)(其中λ1、λ2、λ3、λ4表示四个光谱波段，p//表示第一偏振光束生成的与参考方向成0°的目标偏振光的四幅光谱图像；p⊥表示第二偏振光束生成的与参考方向成90°的目标偏振光的四幅光谱图像)。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，单次曝光即可获取探测目标的差分多光谱图像，能够对探测目标进行实时探测；

(2)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，系统内无狭缝，获取的偏振差分光谱图像具有高空间分辨率的优点；

(3)本发明的一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像装置及方法，探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制、方法简单实用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并非对本发明保护范围的限制，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改、等同替换或变形仍在本发明的保护范围以内。