基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学探测器件领域，具体涉及一种基于分时偏振调制的全斯巧克斯 (Stokes)干涉成像光谱装置及方法，可W获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信 息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。
【背景技术】
[0002] 目标探测时，物体的光谱和偏振信息可反演出目标的表面状态及物理、化学 性质，并可有效地消除背景噪声，增强物体的可见性。成像光谱偏振技术（Imaging Spectropolarimeter，IS巧集合了照相机、光谱仪和偏振仪的功能，可为我们提供场景的空 间、光谱和偏振信息。ISP技术的出现有效地提高了目标的识别能力，并且已经应用于诸多 领域，如军事侦察、环境监测、生物医学诊断等。
[0003] 现有的ISP技术大多是在已有的成像光谱装置中加入偏振调制器件实现探测场 景中光谱偏振信息的功能。其中基于干涉成像光谱技术的ISP技术在复原光谱信息方面具 有多通道和高通量的优点，在红外谱段成像方面具有独特的优点。
[0004]目前，基于干涉成像光谱技术的ISP技术（FTIS巧主要有W下几种；一种是基于多 通道的干涉成像光谱偏振技术，将不同偏振态同时调制在干涉条纹中，单次探测便可W获 取全Stokes偏振参量；当探测窄带光谱信号时，各偏振态对应的干涉条纹之间可能出现混 叠，从而导致光谱复原精度降低。另一种方法是基于分孔径的干涉成像光谱偏振技术，采用 孔径分割的方法，可同时引入四组偏振信息，但该方法的空间分辨率较低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于分时偏振调制的全Stokes干涉成像光谱装置及 方法，实现了目标场景的四维光信息的精确获取，包括二维空间信息、各点的光谱信息和各 个谱段的全Stokes偏振信息。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于分时偏振调制的全斯巧克斯干涉成 像光谱装置，包括同一光轴顺次设置的分时偏振调制装置和干涉成像光谱装置；其中分时 偏振调制装置包括沿光路方向依次设置的可旋转相位延迟器和固定的线偏振片；干涉成像 光谱装置包括沿光路方向依次设置的成像物镜、准直物镜、Sagnac剪切分束器，还包括共 光轴设置的成像物镜和成像探测器，成像物镜和成像探测器所在的光轴与成像物镜、准直 物镜及Sagnac剪切分束器所在的光轴垂直；来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调 制系统，通过分时偏振调制系统中的相位延迟器和线偏振片，形成一束携带偏振信息的光， 并穿过成像物镜和准直物镜，W准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器，Sagnac横 向剪切分束器把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；经过 Sagnac横向剪切分束器的出射光经过成像物镜，在成像物镜后焦面处的成像探测器的祀面 上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像光谱装置通过推扫获取 该偏振态下的一组干涉图像。
[0007] 上述分时偏振调制装置由一个可旋转的相位延迟器和一个固定线偏振片组成，线 偏振片的透光轴与其所在光轴平行，且保持固定不变。
[0008] 基于分时偏振调制的全斯巧克斯干涉成像光谱装置的测试方法，包括W下步骤：
[0009] 第一步，旋转分时偏振调制系统中的相位延迟器，使其快轴方向与其所在光轴的 夹角0为-45°;
[0010] 第二步，来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统，通过分时偏振调制 系统中的相位延迟器和线偏振片，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物镜和准直物 镜，W准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器，Sagnac横向剪切分束器把入射的准直 光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；
[0011] 第H步，经过Sagnac横向剪切分束器的出射光经过成像物镜，在成像物镜后焦面 处的成像探测器的祀面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像 光谱装置通过推扫获取该偏振态下的一组干涉图像；
[0012] 第四步，依次旋转分时偏振调制系统中的相位延迟器，使其快轴方向与其所在光 轴的夹角0分别为0°，30°和60°，并依次重复第二步和第H步，得到四组不同偏振态下 目标各点对应的干涉数据，即干涉光强1(A);
[0013] 第五步，对上述四组不同偏振态下目标各点对应的干涉光强1(A)进行傅里叶变 换，从而得到目标各点对应的四组不同偏振态光谱，在各个复原谱段构建关于四个Stokes 偏振参量的线性方程，通过求解可W获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各 点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。
[0014] 第四步中，干涉光强1(A):
[0015]
【主权项】
1. 一种基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置，其特征在于：包括同一光 轴顺次设置的分时偏振调制装置（1)和干涉成像光谱装置（2);其中分时偏振调制装置（1) 包括沿光路方向依次设置的可旋转相位延迟器（11)和固定的线偏振片（12);干涉成像光 谱装置（2)包括沿光路方向依次设置的成像物镜（21)、准直物镜（22)、Sagnac剪切分束器 (23) ，还包括共光轴设置的成像物镜（24)和成像探测器（25)，成像物镜（24)和成像探测器 (25)所在的光轴与成像物镜（21)、准直物镜（22)及Sagnac剪切分束器（23)所在的光轴垂 直；来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统（1)，通过分时偏振调制系统（1)中 的相位延迟器（11)和线偏振片（12)，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物镜（21)和 准直物镜（22)，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器（23) ,Sagnac横向剪切分束 器（23)把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息；经过Sagnac 横向剪切分束器（23)的出射光经过成像物镜（24)，在成像物镜（24)后焦面处的成像探测 器（25)的靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图像，Sagnac干涉成像光谱装 置通过推扫获取该偏振态下一组干涉图像。
2. 根据权利要求1所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置，其特征 在于：分时偏振调制装置（1)由一个可旋转的相位延迟器（11)和一个固定线偏振片（12) 组成，线偏振片（12)的透光轴与其所在光轴平行，且保持固定不变。
3. 基于权利要求1所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试 方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，旋转分时偏振调制系统（1)中的相位延迟器（11)，使其快轴方向与其所在光 轴的夹角Θ为-45° ; 第二步，来自待测目标各点的入射光进入分时偏振调制系统（1)，通过分时偏振调制系 统（1)中的相位延迟器（11)和线偏振片（12)，形成一束携带偏振信息的光，并穿过成像物 镜（21)和准直物镜（22)，以准直光的形式进入到Sagnac横向剪切分束器（23) ,Sagnac横 向剪切分束器（23)把入射的准直光横向剪切一分为二，引入随视场角变换的光程差信息； 第三步，经过Sagnac横向剪切分束器（23)的出射光经过成像物镜（24)，在成像物镜 (24) 后焦面处的成像探测器（25)的靶面上得到携带有偏振态信息和干涉信息的目标图 像，Sagnac干涉成像光谱装置通过推扫获取该偏振态下的一组干涉图像； 第四步，依次旋转分时偏振调制系统（1)中的相位延迟器（11)，使其快轴方向与其所 在光轴的夹角Θ分别为0°，30°和60°，并依次重复第二步和第三步，共得到四组不同偏 振态下目标各点对应的干涉数据，即干涉光强I (Λ); 第五步，对上述四组不同偏振态下目标各点对应的干涉光强〗（△)进行傅里叶变换， 从而得到目标各点对应的四组不同偏振态光谱，在各个复原谱段构建关于四个Stokes偏 振参量的线性方程，通过求解可以获取探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点 的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。
4. 根据权利要求3所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试 方法，其特征在于：第四步中，干涉光强Ι(Λ) :
上式中，Λ是光程差，〇1~〇2是测量光谱带宽，mQ~叫是（θ，δ)的函数，该函数由 线偏振片（12)和相位延迟器（11)的穆勒矩阵相乘得到，Stl(O), S1(O), S2(〇)，S3(〇)为 目标在波数〇上的Stokes偏振信息。
5. 根据权利要求3或4所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测 试方法，其特征在于：第五步中，关于四个Stokes偏振参量的线性方程如下： 当波片的相位延迟角S (〇)已知的情况下，可以通过选择至少四组不同Θ角下的偏 振干涉条纹构造每个波段的四个Stokes参数的线性方程，选取（-45°，0°，30°，60° ) 四组值，代入该线性方程，得到方程组如下：
上式中，BjcOAOhBjcOAO)为四组傅里叶变换复原光谱，满足 βη(σ) = 3(/,,(Δ))，β!(σ) =〕(/#))，吳(σ) = 3(/2(Δ))，β,(σ) = 3(/;(Δ));通过解上述方程，获 得目标二维空间光强信息、各点光谱信息和全Stokes偏振信息。
6. 根据权利要求3所述的基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置的测试 方法，其特征在于： 上述第一步中，旋转分时偏振调制系统（1)中的相位延迟器（11)，使其快轴方向与其 所在光轴的夹角Θ为60°，对应的弟四步中，依次旋转分时偏振调制系统（1)中的相位延 迟器（11)，使其快轴方向与其所在光轴的夹角Θ分别为30°，0°，和-45°，并依次重复第 二步和第三步，得到四组不同偏振态下目标各点对应的干涉数据。
【专利摘要】本发明公开了一种基于分时偏振调制的全斯托克斯干涉成像光谱装置及方法，包括分时偏振调制装置和无狭缝的Sagnac干涉成像光谱装置。其中，分时偏振调制装置由可旋转的相位延迟器和固定线偏振片组成；Sagnac干涉成像光谱装置由两个成像物镜、准直物镜、Sagnac剪切分束器和成像探测器组成。待测目标光束入射到分时偏振调制装置，产生四个不同的偏振态，再经过干涉成像光谱装置，在成像探测器靶面上得到四组携带不同偏振态信息和干涉信息的目标图像，经过数据处理，最终得到探测目标场景的四维光信息，即二维空间信息、各点的光谱信息和各个谱段的全Stokes偏振信息。本发明具有高光通量，高空间分辨率等优点。
【IPC分类】G01J3-45
【公开号】CN104748854
【申请号】CN201310723574
【发明人】李建欣, 张玉梅, 孟鑫, 孙宇声, 朱日宏, 郭仁慧, 沈华, 马骏, 陈磊, 何勇
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月25日