高光谱Mueller成像装置及其成像方法与流程

本发明涉及光学成像探测领域，具体涉及一种高光谱mueller成像装置及其成像方法。

背景技术：

成像光谱偏振技术是一种对目标一维光谱信息、二位空间信息和偏振信息同时进行测量的新型探测技术，在环境监测、医疗诊断、航空航天、军事侦察等方面具有非常大的应用价值。stokes矢量能够完整描述光的任何偏振状态，通过测量stokes矢量的4个参量，就能够获得入射偏振光的偏振信息。而物体对偏振光偏振状态的改变，则可以用mueller矩阵来表示，mueller矩阵是对目标本身偏振性质的描述，其16个元素包含了目标完整的偏振光学特征。mueller矩阵与目标的微观结构特征（散射颗粒尺寸、形态、密度、取向和排列等），以及散射颗粒和间质的光学性质（折射率和双折射、吸收和二向色性等）密切相关。通过测量mueller矩阵，分析目标的偏振机制和效应，能够增强目标在宏观探测条件下获取微观结构特征的能力。同时，目标介质的光谱信息和偏振信息并非完全独立，散射光受到介质微小尺度组织结构的调制，mueller矩阵元素间的差异随着光谱的变化而显著改变。相位延迟器件由于色散作用对偏振光的调制也与光波长有关，将光谱测量和mueller矩阵测量结合起来，既是对目标信息更加完整地描述，又是实现精确偏振信息测量的必然要求。

华中科技大学刘世元教授等研究人员提出了波片机械式旋转的mueller矩阵成像方法，用于测量纳米结构的几何参数。系统采用光栅分光型单色仪作为照明光源，偏振态发生器psg（polarizationstategenerator）和偏振态分析器psa（polarizationstateanalyzer）均由一片格兰泰勒棱镜和一片λ/4波片组成，通过旋转λ/4波片的快轴方向，获取不同偏振调制状态下的光强信息，进而解调待测样品的mueller矩阵图像。清华大学马辉教授等研究人员提出基于光谱滤波和偏振片旋转技术的多光谱mueller矩阵成像方法，用于表征癌症组织的微观结构特性。系统采用液晶可调谐滤光器lctf（liquidcrystaltunablefilter）作为光谱滤波器件，psg和psa分别由单片线偏振片组成，将偏振片依次旋转至0º、45º、90º、135º，获取待测样品16种不同偏振调制状态下的光强信息，从而解调出待测样品的多光谱mueller矩阵图像。法国国家科学研究中心pierangelo等研究人员提出了基于滤光片光谱滤波和液晶相位延迟量调制技术的多光谱mueller矩阵成像方法，用于人体结肠病理分析。系统采用一组带宽为20nm的干涉滤光片作为光谱滤波器件，psg和psa分别由2片液晶可变相位延迟器lcvr（liquidcrystalvariableretarders）组成，通过调控输入电压，使得4片lcvr分别具有不同的相位延迟量组合形式，最终探测到待测样品16种不同偏振调制状态下的光强信息，进一步解调出待测样品的多光谱mueller矩阵图像。以上方法采用滤波的方法获取光谱信息，获取的光谱分辨率不够高，采用机械方法旋转偏振片或lcvr调制来测量mueller矩阵的方法速度还不够快，为了克服这些不足，本发明提出了一种高光谱分辨率且测量速度很快的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高光谱mueller成像装置及方法，实现目标mueller矩阵和光谱信息的快速测量。

实现本发明的技术解决方案为：一种高光谱mueller成像装置，包括沿第一光路方向依次放置的宽光谱光源、第一准直物镜、偏振态发生器构成的偏振光源照明模块，以及沿第二光路依次放置的前置成像物镜、光阑、第二准直物镜、偏振态分析器、双折射剪切器、检偏器、后置成像物镜和面阵探测器构成的偏振干涉成像模块；第一准直物镜的焦点和宽光谱光源重合，前置成像物镜的成像面与第二准直物镜的前焦面重合，光阑位于前置成像物镜的成像面处，检偏器的透光轴方向与x轴夹角为45º。

宽光谱光源发出的光经第一准直物镜后，以平行光入射至偏振态发生器，经偏振态发生器进行偏振态调制后，入射至待测物体，经待测物体反射至前置成像物镜，前置成像物镜成像至光阑上，由第二准直物镜准直后以平行光入射至偏振态分析器再次进行偏振调制，由偏振态分析器出射的光经双折射剪切器剪切为两束相互平行且具有一定光程差的线偏光，再经检偏器归一化透振方向后由后置成像物镜成像在面阵探测器上。

偏振态发生器包括沿光路方向依次放置的偏振片、第一相位延迟片、第一铁电液晶、第二相位延迟片、第二铁电液晶；第一相位延迟片和第二相位延迟片为波片，其快轴方向是固定的。第一铁电液晶和第二铁电液晶的快轴方向在驱动电压信号的作用下可以快速地旋转45°，偏振片透光轴方向与x轴夹角为45°。

所述偏振态分析器包括沿第二光路依次放置的第三铁电液晶、第三相位延迟片、第四铁电液晶、第四相位延迟片和偏振片；第三相位延迟片和第四相位延迟片为波片，其快轴方向是固定的；第三铁电液晶和第四铁电液晶的快轴方向在驱动电压信号的作用下能够快速地旋转45°，偏振片的透光轴方向与x轴夹角为45°。

双折射剪切器的结构如图2所示，由双折射剪切板sp和补偿板cp构成，sp和cp均由负单轴晶体制成，sp的光轴在xoz平面内，且与x轴夹角为45°，cp的光轴在yoz平面内，与sp正交。入射光经过sp后，被分解为震动方向相互垂直的o光和e光，因为cp的光轴与sp的光轴正交，sp中的o光经过cp后变为e光，称作oe光，sp中的e光经过cp后变为o光，称作eo光，这两束光线相互平行，且具有一定的光程差。

一种高光谱mueller成像装置的成像方法，方法步骤如下：

步骤一：宽光谱光源发出的光经第一准直物镜准直后进入psg；

步骤二：对psg中的第一铁电液晶和第二铁电液晶施加驱动电压信号，使psg中两片液晶的快轴角度处于0°或45°状态，两片液晶的快轴角度组合为其能够形成的四种角度组合的一种；

步骤三：从psg出射的光照在待测物体上，待测物体的反射光经过前置成像物镜成像至光阑上，光阑限制前置成像物镜的像面形状和尺寸，消除杂散光，再由第二准直物镜准直，并以平行光出射；

步骤四：由步骤三出射的平行光进入psa，对psa中的第三铁电液晶和第四铁电液晶施加驱动电压信号，使psa中两片液晶的快轴角度处于0°或45°状态，两片液晶的快轴角度为其能够形成的四种角度组合的一种；

步骤五：由psa出射的光进入双折射剪切器，变成两束具有一定光程差的相互平行的线偏光出射，经检偏器归一化透振方向；

步骤六：由步骤五出射的光线经过后置成像物镜后汇聚在面阵探测器上并发生干涉，采集面阵探测器上图像；

步骤七：使偏振干涉成像模块旋转一微小角度，改变目标光的入射角对光程差进行调制，改变步骤二中的驱动电压信号，使第一铁电液晶和第二铁电液晶的快轴角度形成新的角度组合，重复步骤二至步骤六，采集新的图像；

步骤八：重复步骤七，直至偏振态发生器中第一铁电液晶和第二铁电液晶四种角度组合对应的四幅图像采集完毕；

步骤九：改变步骤四中的驱动电压信号，使第三铁电液晶和第四铁电液晶的快轴角度形成新的角度组合，重复步骤七和八，每次采集到四幅图像；

步骤十：重复步骤九，直至偏振态分析器中第三铁电液晶和第四铁电液晶四种角度组合对应的图像采集完毕，总共采集到十六张图像；

步骤十一：不断重复步骤十，直至目标场景所需的所有图像采集完毕；

步骤十二：对面阵探测器采集到的图像进行1/16采样和光谱复原，得到不同偏振状态的光谱复原图，再根据已知器件的mueller矩阵，解算出待测物体在不同波段的mueller矩阵。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）采用双折射器件进行光束的剪切干涉的结构获取光谱信息，具有结构紧凑、光通量大、空间分辨率高、能有效抑制非线性光程差的优点；

（2）采用铁电液晶快轴的快速变换来实现偏振态的快速调制，以实现光谱偏振信息的快速、同时获取，有效解决常规分时调制型系统测量速度慢、难以实现高速测量的问题；

（3）采用十六倍率采样成像模式，解决偏振信息和光谱信息联合采样的难题。

附图说明

图1为本发明的高光谱mueller成像装置的结构示意图。

图2为本发明的双折射剪切器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种高光谱mueller成像装置，其特征在于：包括沿第一光路方向依次放置的宽光谱光源1、第一准直物镜2、偏振态发生器（psg）3构成的偏振光源照明模块，以及沿第二光路依次放置的前置成像物镜5、光阑6、第二准直物镜7、偏振态分析器（psa）8、双折射剪切器9、检偏器10、后置成像物镜11和面阵探测器12构成的偏振干涉成像模块；第一准直物镜2的焦点和宽光谱光源1重合，前置成像物镜5的成像面与第二准直物镜7的前焦面重合，光阑6位于前置成像物镜5的成像面处，检偏器10的透光轴方向与x轴夹角为45º。

系统光路走向如下：宽光谱光源1发出的光经第一准直物镜2后，以平行光入射至偏振态发生器3，经偏振态发生器4进行偏振态调制后，入射至待测物体4，经待测物体4反射至前置成像物镜5，前置成像物镜5成像至光阑6上，由第二准直物镜7准直后以平行光入射至偏振态分析器8再次进行偏振调制，由偏振态分析器8出射的光经双折射剪切器9剪切为两束相互平行且具有一定光程差的线偏光，再经检偏器10归一化透振方向后由后置成像物镜11成像在面阵探测器12上。

结合图2，一种高光谱mueller成像装置及方法，方法步骤如下：

步骤一：宽光谱光源1发出的光经第一准直物镜2准直后进入psg3；

步骤二：对psg3中的第一铁电液晶33和第二铁电液晶35施加驱动电压信号，使两片液晶的快轴角度组合为其能够形成的四种角度组合的一种，铁电液晶电压由高变低时，其快轴会旋转45°，电压由低变高时，快轴会回转到原来的角度，使铁电液晶在旋转0°和旋转45°这两种状态之间快速切换，这样一片铁电液晶会有两种状态，两片铁电液晶一共有四种状态组合，所以psg3能对入射光产生4种偏振状态的调制；

步骤三：从psg3出射的光照在待测物体4上，待测物体4的反射光经过前置成像物镜5成像至光阑6上，光阑6限制前置成像物镜5的像面形状和尺寸，消除杂散光，再由第二准直物镜7准直，并以平行光出射；

步骤四：由步骤三出射的平行光进入psa8，对psa8中的第三铁电液晶81和第四铁电液晶83施加驱动电压信号，使psa8中两片液晶的快轴角度处于0°或45°状态，两片液晶的快轴角度为其能够形成的四种角度组合的一种；

步骤五：由psa8出射的光进入双折射剪切器9，在双折射晶体中，只有o光遵守折射定律，e光不遵守折射定律，并且e光的折射率与光的入射角度有关，所以从sp出射的o光和e光会分开且具有一定的光程差，但这个光程差中包含常量和二次项，是条纹在白光下不可见且非线性很强。由sp出射的o光和e光进入cp后，由于sp和cp的光轴互相垂直，o光会变成e光，e光会变成o光，并且cp会消掉sp产生的光程差中的常量并极大地减小光程差的非线性。最后变成两束具有一定光程差的线偏光出射。经检偏器10后两束光的偏振方向变成同一方向，以使这两束光能够发生干涉；

步骤六：由步骤五出射的光线经过后置成像物镜11后汇聚在面阵探测器12上并发生干涉，采集面阵探测器上图像；

步骤七：使偏振干涉成像模块旋转一微小角度，改变目标光的入射角对光程差进行调制，改变步骤二中的驱动电压信号，使第一铁电液晶33和第二铁电液晶35的快轴角度形成新的角度组合，重复步骤二至步骤六，采集新的图像；

步骤八：重复步骤七，直至偏振态发生器中第一铁电液晶33和第二铁电液晶35四种角度组合对应的四幅图像采集完毕；

步骤九：改变步骤四中的驱动电压信号，使第三铁电液晶81和第四铁电液晶83的快轴角度形成新的角度组合，重复步骤七和八，每次采集到四幅图像；

步骤十：重复步骤九，直至偏振态分析器8中第三铁电液晶81和第四铁电液晶83四种角度组合对应的图像采集完毕，总共采集到十六张图像；

步骤十一：不断重复步骤十，直至目标场景所需的所有图像采集完毕；

步骤十二：对面阵探测器12采集到的图像进行图像配准，得到目标有效区域的干涉成像图像，对这些图像序列进行1/16采样，得到不同偏振状态的干涉图像序列，然后分别对每一种偏振状态的干涉图像进行光谱复原，得到目标的光谱信息。在不同的波长下，根据这16组不同偏振状态的光谱复原图和已知器件的mueller矩阵，解算出待测物体在不同波段的mueller矩阵。