专利名称：圆偏振高光谱成像探测系统的制作方法
圆偏振高光谱成像探测系统
技术领域：
本发明属于光学图像处理仪器技术领域，涉及一种用于成像光谱领域的傅里叶变换成像光谱仪，特别涉及一种圆偏振高光谱成像探测系统。
背景技术：
目标发出的光不仅具有光谱特性，而且具有一定的偏振属性，若能定量化地描述目标的光谱和偏振信息，则可以为目标识别和评估提供强有力的工具。当前 能获取偏振和光谱信息的两种重要遥感技术是偏振术和光谱术，它们的组合则可以对目标进行多信息探测。圆偏振光是偏振光的一种，自然界或人造目标均会反射或辐射出圆偏振光，尤其是金属表面或散射介质。在被动探测领域，圆偏振光的能量相对较低，若要探测它需要一套灵敏的系统。圆偏振技术在主动探测领域应用较广，通用的方法是将人造圆偏振光照射到散射目标上，通过圆偏振探测系统接收后向散射光，利用散射光中的左旋和右旋圆偏振光信息反演目标的粒度、浓度、分布和相位等信息，在材料和医学领域具有重要的应用价值。早期的圆偏振光探测主要是利用四分之一波片和线分析器的组合，一次只能获取单一的左旋或右旋圆偏振组分。此后人们将厚延迟器(固定延迟量或可调谐延迟量)和线分析器进行组合，通过旋转延迟器或者调谐延迟量，不仅能获取各圆偏振信息，而且能获取其它偏振信息。这里获取的圆偏振信息是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之差，即第四个斯托克斯参数。另外，上述方法要么获取全色的偏振信息，要么获取单色光的偏振信息，要么获取少数几个波段的偏振信息，均不能进行高光谱成像分析。美国专利(专利号为US7623236B2)I曾报道了一种非成像通道光谱偏振技术，将两个成比例的厚延迟器和分析器组合放置在光谱仪前面，无需旋转即可获取目标的四个斯托克斯参数的光谱信息。该技术的原理决定了每个斯托克斯光谱的分辨率远低于光谱仪的分辨率，在数值上约为光谱仪分辨率的七倍；而且能量要分布到七个通道上，所以对圆偏振探分量的测量灵敏度不高；另外它也不能获得单独的左旋或右旋圆偏振组分。文献2在美国专利(专利号为20060170921A1)的原理基础上，将两个成比例的厚延迟器和分析器组合放置在基于渥拉斯顿棱镜的成像光谱仪前面，用于同时获取目标的四个斯托克斯参数的光谱图像信息。虽然能够获取偏振光谱成像，但通道光谱技术的缺陷仍然存在。中国专利(专利申请号为200710017517. I)3的发明专利的申请文本曾报道了一种空间调制的偏振干涉成像光谱仪。系统基于静态双折射干涉仪，采用时空混合调制获取技术，具有共路、紧凑、稳态和灵敏度高等特点。但是前置起偏器是固定的，所以一个扫描周期只能获得一个线偏振分量的光谱图像信息。中国专利(专利申请号为201110260041. O)4的发明专利的申请文本曾报道了一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪，将偏振分光技术和双折射干涉仪相结合，用以同时获取目标的正交线偏振组分的光谱图像信息。上述两种方法虽然具有结构和灵敏度的优势，但是都无法获取圆偏振信息。参考文献IΚ· Oka, A. Taniguchi and H. Okabe，“Spectroscopic polarimetry，，，US PatentUS7623236B2(2009).2J. C. Jones, M. ff. Kudenov, M. G. Stapelbroek, and E. L. Dereniak, " Infraredhyperspectral imaging polarimeter using birefringent prisms, " AppI.Opt. 50，1170-1185(2011).3中国专利申请号200710017517.I，“静态双折射偏振干涉成像光谱仪，” (2007年10月3日).4中国专利申请号201110260041.0，“一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪，” (2011 年 12 月 28 日)·
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、取样精确度高、稳定性好、无旋转和调谐部件、可同时获取目标的左旋和右旋圆偏振组分的光谱图像信息 的圆偏振高光谱成像探测系统。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。一种圆偏振高光谱成像探测系统，由沿入射光方向依次设置的入射光准直系统、双折射分光系统、成像透镜以及图像获取和处理系统组成；目标发出的一束圆偏振光被入射光准直系统准直后的平行光，被双折射分光系统在纸平面内角向分束，形成传播方向和偏振方向两两平行的四束光；其中入射光准直系统准直后的平行光中的左旋圆偏振分量经双折射分光系统分成的两束偏振光经成像透镜会聚后，将产生左旋偏振分量的干涉图像；入射光准直系统准直后的平行光中的右旋圆偏振分量经双折射分光系统分成的两束偏振光经成像透镜会聚后，将产生右旋偏振分量的干涉图像；图像获取和处理系统同时获取左旋和右旋圆偏振分量对应的干涉图像。本发明进一步的改进在于图像获取和处理系统对左旋和右旋圆偏振分量对应的干涉图像进行傅里叶变换和图像融合处理得到目标的左旋和右旋圆偏振组分的光谱图像信息。本发明进一步的改进在于入射光准直系统由沿入射光向依次设置的物镜、视场光阑和准直镜组成；视场光阑位于物镜的像面上，同时也是准直透镜的物方焦平面。本发明进一步的改进在于物镜是望远物镜、显微物镜或普通物镜；当物镜为望远物镜时，目标位于无穷远距离；当物镜为显微物镜或普通物镜时，目标位于有限远距离。本发明进一步的改进在于双折射分光系统由沿入射光向依次设置的消色差四分之一波片、双折射棱镜对、双折射波板对及偏振器组成；沿入射光传输的方向为z轴方向，垂直于z轴的竖直方向为y轴方向，垂直于z轴的水平方向为X轴方向，X轴、y轴、z轴三者符合右手螺旋定则；其中消色差四分之一波片的快慢轴与X轴的夹角分别为±45° ;双折射棱镜对的光轴与X轴的夹角分别为O °和90 ° ;双折射波板对的光轴与z轴的夹角均为45°，其中左板光轴在xy平面的投影与X轴的夹角为-45°，右板光轴在xy平面的投影与X轴的夹角为45° ;偏振器的透振方向平行于X轴。本发明进一步的改进在于偏振器是晶体棱镜型偏振片、二向色性偏振片或金属线栅偏振片。本发明进一步的改进在于图像获取和处理系统由面阵探测器、连接导线及数据处理和显示系统组成。本发明进一步的改进在于面阵探测器置于成像透镜的像方焦平面上；面阵探测器是硅基CXD相机、CMOS相机或红外焦平面阵列。相对于现有技术，本发明具有以下优点本发明可以同时获取目标的左旋和右旋圆偏振分量的偏振光谱图像；比获得单一圆偏振分量的四分之一波片和偏振片组合多探测一个偏振分量，且具有高光谱分析功能；与旋转厚延迟器或可调谐延迟器和线分析器的组合相比，没有移动部件或电转换元件，可以有效避免振动噪声，并属无源分光系统；与通道光谱偏振技术相比，本系统的光谱分辨率就是干涉仪的分辨率，具有高光谱成像的能力；而且只探测两个圆偏振分量，光学利用效率较高；与单通道线偏振成像光谱仪和双通道线偏振成像仪相比，增加了圆偏振光谱图像的获取能力。本发明采用双折射共光路系统，无移动部件，具有稳定、超小型、实时性等优点，在空间探测、地球遥感、机器视觉以及生物医学诊断领域等诸方面都具有极其重要的应用价值，能广泛应用于深空目标探测、大气监测、地球资源及污染普查、伪装目标识别、材料属性鉴别、病灶诊断等重要领域。
图I为本发明的光路结构图。
具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。参见附图1，本发明所述的圆偏振高光谱成像探测系统由沿入射光向依次设置的入射光准直系统100、双折射分光系统200、成像透镜300以及图像获取和处理系统400组成。入射光准直系统100由沿入射光向依次设置的物镜102、视场光阑103和准直透镜104组成；双折射分光系统200由沿入射光向依次设置的消色差四分之一波片201、双折射棱镜对202、双折射波板对203和偏振器204组成；图像获取和处理系统400由面阵探测器401、连接导线402及数据处理和显示系统403组成；其中视场光阑103位于物镜102的像面上，同时也是准直透镜104的物方焦平面；消色差四分之一波片201的快慢轴与X轴的夹角分别为±45° ;双折射棱镜对202的光轴与X轴的夹角分别为0°和90° ;双折射波板对203的光轴与z轴的夹角均为45°，其中左板光轴在xy平面的投影与X轴的夹角为-45°，右板光轴在xy平面的投影与χ轴的夹角为45°，这样设置的好处是，从双折射棱镜对202出射的水平线偏振光经双折射波板203后，将在χ方向被横向剪切为两束传播方向平行且偏振方向与χ轴夹角分别为±45°的线偏振光；偏振器204的透振方向平行于χ轴；面阵探测器401需置于成像透镜300的像方焦平面上，经过连接导线402与数据处理和显示系统403连接。其中，沿入射光传输的方向为ζ轴方向，垂直于ζ轴的竖直方向为y轴方向，垂直于z轴的水平方向为χ轴方向，χ轴、y轴、z轴三者符合右手螺旋定则。本发明所述的圆偏振高光谱成像探测系统的工作原理为由目标101发出的光经物镜102成像在视场光阑103处，称为中间像面；其中物镜102既可以是望远物镜、显微物镜或普通物镜；当物镜102为望远物镜时，目标101应位于无穷远距离；当物镜为显微物镜或普通物镜时，目标应位于有限远距离。视场光阑103位于准直透镜104的物方焦平面上，用于防止两个通道的干涉图像在面阵探测器上出现重叠现象。视场光阑103上的中间像面发出的光经准直透镜104后变成平行光入射到消色差四分之一波片201上；入射光中的左旋和右旋圆偏振分量通过消色差四分之一波片201后，将分别被转变为水平和垂直线偏振光；其中消色差四分之一波片201可以保证系统能在较宽波段工作。水平和垂直线偏振光通过双折射棱镜对202后将在y方向角分束，分开的两束光依然是水平和垂直线偏振光并入射到双折射波板对203上；从双折射棱镜对202出射的水平线偏振光经双折射波板后203,将在χ方向被横向剪切为两束传播方向平行且偏振方向与χ轴夹角分别为±45°的线偏振光；从双折射棱镜对202出射的垂直线偏振光经双折射波板203后，同样将在χ方向被横向剪切为两束传播方向平行且偏振方向与X轴的夹角分别为45°和135°线偏振光。当上述偏振方向两两垂直的线偏振光经过透振方向平行于χ轴的偏振器204后，偏振方向均被归化到χ方向，从而满足干涉所需的具有相同偏振分量的必要条件；经成像透镜300后将被聚焦到处于焦平面上的面阵探测器401的两侧，相交后分别产生两幅干涉图像。 其中一幅干涉图对应入射光中的左旋圆偏振分量，另一幅干涉图对应入射光中的右旋圆偏振分量，采用与面阵探测器401兼容的图像采集卡，将干涉图经连接导线402传输到数据处理和显示系统403中，利用处理和反演算法分别复原出左旋和右旋圆偏振分量的高光谱图像。所用的偏振器204可以是晶体棱镜型、二向色性偏振片、金属线栅偏振片或其它能在宽谱段工作的偏振器。其中，面阵探测器401可以是硅基CCD相机、CMOS相机或者红外焦平面阵列等。为了获取完成的序列干涉图像，系统可以搭载于飞行器平台、或放置在地面旋转或平移台上、或与显微镜接口利用样品平移台等，使系统与目标在水平方向上匀速相对移动进行窗扫探测，依靠视场角变化来调制两幅干涉图像的光程差，两幅干涉图的光程差变化相同，一个窗扫周期即可得到目标的左旋和右旋圆偏振分量的完整序列干涉图像；利用计算机的数据处理系统对两幅干涉图像进行傅里叶变换即可得到目标的左旋和右旋圆偏振分量的光谱图像；两光谱图像相减还可以得到高对比度的差分圆偏振光谱图像信息。
权利要求
1.一种圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，由沿入射光方向依次设置的入射光准直系统(100 )、双折射分光系统(200 )、成像透镜(300 )以及图像获取和处理系统(400 )组成；目标发出的一束圆偏振光被入射光准直系统(100)准直后的平行光,被双折射分光系统(200)在纸平面内角向分束，形成传播方向和偏振方向两两平行的四束光；其中入射光准直系统(100)准直后的平行光中的左旋圆偏振分量经双折射分光系统(200)分成的两束偏振光经成像透镜(300)会聚后，将产生左旋偏振分量的干涉图像；入射光准直系统(100)准直后的平行光中的右旋圆偏振分量经双折射分光系统(200)分成的两束偏振光经成像透镜(300)会聚后，将产生右旋偏振分量的干涉图像；图像获取和处理系统(400)同时获取左旋和右旋圆偏振分量对应的干涉图像。
2.根据权利要求I所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，入射光准直系统(100)由沿入射光向依次设置的物镜(102)、视场光阑(103)和准直镜(104)组成；视场光阑(103)位于物镜(102)的像面上，同时也是准直透镜(104)的物方焦平面。
3.根据权利要求2所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，物镜(102)是望远物镜、显微物镜或普通物镜；当物镜(102)为望远物镜时，目标(101)位于无穷远距离；当物镜(102)为显微物镜或普通物镜时，目标(101)位于有限远距离。
4.根据权利要求I所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，双折射分光系统(200)由沿入射光向依次设置的消色差四分之一波片(201)、双折射棱镜对(202)、双折射波板对(203)及偏振器(204)组成；沿入射光传输的方向为z轴方向，垂直于z轴的竖直方向为y轴方向，垂直于Z轴的水平方向为X轴方向，X轴、y轴、Z轴三者符合右手螺旋定则；消色差四分之一波片(201)的快慢轴与X轴的夹角分别为±45° ;双折射棱镜对(202)的光轴与X轴的夹角分别为0°和90° ;双折射波板对(203)的光轴与z轴的夹角均为45°，其中左板光轴在xy平面的投影与X轴的夹角为-45°，右板光轴在xy平面的投影与χ轴的夹角为45° ;偏振器(204)的透振方向平行于χ轴。
5.根据权利要求4所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，偏振器(204)是晶体棱镜型偏振片、二向色性偏振片或金属线栅偏振片。
6.根据权利要求I所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，图像获取和处理系统(400)由面阵探测器(401)、连接导线(402)及数据处理和显示系统(403)组成。
7.根据权利要求6所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，面阵探测器(401)置于成像透镜(300)的像方焦平面上；面阵探测器(401)是硅基CXD相机、CMOS相机或红外焦平面阵列。
8.根据权利要求I所述的圆偏振高光谱成像探测系统，其特征在于，图像获取和处理系统(400)对左旋和右旋圆偏振分量对应的干涉图像进行傅里叶变换和图像融合处理得到目标的左旋和右旋圆偏振组分的光谱图像信息，两圆偏振组分之差得到差分圆偏振光谱图像息。
全文摘要
本发明涉及一种可同时获取目标左旋和右旋圆偏振组分的高光谱图像的探测系统；由沿入射光向依次设置的前置准直系统、双折射分束系统、成像透镜、及图像获取和处理系统组成。本发明由于采用了双通道圆偏振探测系统，能同时获取目标的左旋和右旋圆偏振分量的干涉图；相对于只能探测单一线偏振分量的单通道偏振成像光谱仪来说，增加了差分圆偏振光谱图像的获取能力；与采用旋转部件的序列获取技术相比，可避免抖动噪声；本发明可在紫外到红外的宽波段范围获取目标的圆偏振光谱图像；在空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。
文档编号G01J3/447GK102879097SQ20121036114
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者穆廷魁, 张淳民 申请人:西安交通大学