一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法
【专利说明】一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于光学器件领域，涉及一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法。 【【背景技术】】
[0002] 成像光谱偏振仪（Imaging Spectropolarimeter, ISP)是一种融合了照相机、光谱 仪与偏振仪功能的新型探测仪器，能够同时获取目标的图像、光谱和偏振信息。ISP将成像 光谱仪获取的三维信息(一维光谱和二维空间）或者成像偏振仪获取的三维信息(一维偏振 和二维空间）拓展到了四维(一维光谱、二维空间和一维偏振信息），为目标探测和识别提供 了更加丰富的信息源，在军事侦察、伪装识别、地质调查、大气环境监测、农业和海洋遥感等 领域将发挥重要作用。成像光谱偏振仪虽尚处于发展阶段，但其已引起了国内外相关研究 机构的广泛关注。由于自然界中存在的圆偏振光很少，获取全部线偏振光谱信息即可满足 大多数的应用需求。受基础原理限制，传统成像光谱偏振仪普遍需要狭缝、运动部件以及电 控调制相位延迟器，其结构复杂，抗振能力及环境适应性差，很难满足航空航天遥感及野外 探测的需求。1999年Kazuhiko Oka等提出的强度调制测量Stokes矢量谱的方法可以通过单 次测量获取探测目标的全偏振态信息，具有实时探测能力。该方法通过通道复用技术和频 域滤波实现Stokes矢量的探测，也称作通道光谱技术。基于通道光谱技术与静态干涉成像 光谱技术的ISP具有实时性好、高稳定性、无电控部件及共光路直线结构等优点，但光程差 维的滤波使得最大光程差降低为原来的1/7或者1/3,根据傅里叶变换光谱学原理，复原光 谱分辨率会降低至原来的1/7或者1/3,严重影响了复原光谱分辨率。在通道调制时，由于通 道间存在频谱混叠，不可能通过滤波完全去除，导致复原Stokes矢量谱中存在不可消除的 误差;并且，获取的数据同时包含了背景图像与干涉条纹，复原光谱时需要将背景图像与干 涉条纹分离，否则会降低光谱的信噪比，而传统的去背景方法存在计算量大、光程差零点漂 移、对相干光束非等振幅分光误差敏感等缺点。 【
【发明内容】
】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种图像、光谱、偏振态一体化 获取装置及方法。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0005] -种图像、光谱、偏振态一体化获取装置，包括沿入射光线传播方向的主光轴依次 设置的望远系统（1)、消色差的波片(2)、第一相位延迟器(3)、偏振阵列（4)、消色差的半
波片(5)、Wo 1 las ton棱镜(6)、Savar t偏光镜(7)、第二相位延迟器(8)、分析器(9)、成像镜组 (10)和面阵列CCD(ll)。
[0006] 本发明进一步的改进在于：
[0007] 所述偏振阵列包括上下贴合的第一起偏器(41)及第二起偏器(42)，以主光轴为Z 轴，构建满足右手定则的xyz坐标系；
[0008]
波片(2)的快轴方向与x轴平行;第一相位延迟器(3)的快轴方向与x轴 的正向夹角为45°;第一起偏器(41)的偏振方向平行于X轴，第二起偏器(42)的偏振方向与y 轴平行;消色差的半波片(5)的快轴与X轴的正向夹角为22.5° ;Wollaston棱镜(6)的光轴分 别位于yz与xz平面，光轴均与z轴垂直;Savart偏光镜(7)左板的光轴位于与y轴正向、z轴负 向成45°夹角的平面内，光轴与z轴负向夹角为45° ;Savart偏光镜(7)右板的光轴位于与y轴 正向、z轴正向成45°夹角的平面内，光轴与z轴正向夹角为45° ;第二相位延迟器(8)的快轴 方向与X轴正向夹角为45°;分析器(9)的快轴平行于X轴;面阵CCD(ll)放置在成像镜组（10) 的后焦面上。
[0009] 一种图像、光谱、偏振态一体化获取方法，包括以下步骤：
[0010] 1)入射光经前置望远系统准直后变为平行光，平行光通过由消色差的
一相位延迟器与偏振阵列组成的光谱调制模块后，得到两束调制状态不同的So分量，分别 为：
[0013]其中，So为光束总能量，Φ为第一相位延迟器的相位延迟量，σ为入射光的波数， 匁"(σ)为被消色差的
、第一相位延迟器与起偏器(41)调制后的光强，为被消
'、第一相位延迟器与起偏器(42)调制后的光强，SQ( 〇)为入射光的强度，Sjo) 与S2 (σ)为入射光中线偏振分量的强度;这两束调制状态不同的光分别为偏振方向沿着X轴 与y轴的线偏光；这两束线偏光的偏振方向被消色差的半波片沿X轴正向旋转45° ;经过 Wollaston棱镜被等振幅竖直角剪切为偏振方向分别沿X轴与y轴的四束线偏光；再经过 Savart偏光镜、分析器及成像镜组，在面阵CCD的不同区域分别得到调制光谱为冗h(a·)与 Sf如:)的四幅干涉图：
[0018] 式中，Φ为第一相位延迟器产生的延迟量；史为Savart偏光镜与第二相位延迟器 产生的相位差之和。
[0019] 2)将步骤1)得到的四幅干涉图相加，得到目标图像;通过(3)、（4)相减，（5)，（6)式 相减得到去掉背景的纯干涉条纹：
[0022] 通过欧拉公式可以得到：
[0026]干涉图作为载频信号被调制成了以0、Φ、_Φ为中心点的三部分;通过选择第二延 迟器所产生的相位，在整个光程差范围内只保留0)、&，得到：
[0027] IA=Co+Ci (11)
[0028] IB = C〇-Ci (12)
[0029] 通过（11)、（12)式得到单通道的干涉图为：
[0032] 入射光的强度谱与线偏振信息复原为：
[0033] Sq = 2FT{Cq} (15)
[0034] Si = real{4FT{Ci}ei4>} (16)
[0035] S2 = imag{4FT{Ci}ei4>} (17)。
[0036] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0037]本发明基于视场分割、孔径分割与通道光谱技术，获取不同强度调制的两对正反 相干涉图，四幅干涉图相加获取目标图像，正反相干涉图相减获取纯干涉条纹，纯干涉条纹 相加减获取单通道干涉条纹，对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信 息。本发明在获取复原光谱的过程中避免了光程差维的通道滤波，不存在通道混铁的问题， 同时各通道分别占有最大光程差，保持了仪器原有的光谱分辨率，由傅里叶变换光谱学原 理知光谱分辨率与最大光程差的倒数成正比，所复原的全部线偏振光谱的分辨率不会下 降，与系统决定的光谱分辨率一致。较传统通道光谱技术所获取光谱分辨率提高3到7倍；由 于本系统获取了两对正反相的干涉图，利用正相与反相干涉图相减的方式提取纯干涉条 纹，克服了传统去背景方法存在计算量大、光程差零点漂移、对相干光束非等振幅分光误差 敏感等缺点，便于提取高信噪比的纯干涉条纹。 【【附图说明】】
[0038]图1为本发明的光学结构示意图；
[0039] 图2为本发明中偏振阵列的结构示意图。
[0040] 其中：1为望远系统；2为消色差的
波片；3为第一相位延迟器;4为偏振阵列；5为 消色差的半波片;6为Wol laston棱镜;7为Savart偏光镜;8为第二相位延迟器;9为分析器； 10为成像镜组;11为面阵(XD; 41为第一起偏器;42为第二起偏器。 【【具体实施方式】】
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0042] 本发明基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术。入射光依次通过准直系统、消色
、第一延迟器、偏振阵列、消色差的半波片、Wo 1 laston棱镜、Savart偏光镜、第二 延迟器、分析器及双透镜组，在CCD上下两侧分别产生两对双通道互补的干涉图，四幅干涉 图相加获取目标图像;通过干涉图相减获取去掉背景的纯干涉条纹;纯干涉条纹相加减保 留单通道的干涉条纹，通过傅里叶变换便可获取目标的强度光谱与线偏振光谱信息。在复 原光谱的过程了避免了光程差维的通道滤波，不存在通道混铁的问题，同时各通道分别占 有最大光程差，保持了仪器