一种光谱-偏振成像测量系统的制作方法

本实用新型属于光学技术领域，具体涉及光谱-偏振成像测量系统。

背景技术：

随着技术的发展，仅依赖于对物体发光光强进行探测的传统的成像技术已逐渐不能满足人们的需要。近年来，人们将光谱技术、偏振测量技术和成像技术相结合，寻求构建光谱-偏振成像测量系统。人们在获取物体二维光强信息的同时，还可以获取一维光谱信息，以及物体的偏振特性。基于物体的光谱信息与偏振特性，人们将可以显著提升对目标进行探测与辨识的能力，扩展信息维度。

然而，光谱-偏振成像测量作为一种新兴技术，人们仍然在对其进行不断探索。虽然目前已发展出多种高光谱成像方法以及偏振成像测量方法，但如何将两者有机结合，实现光谱-偏振成像测量，仍是需要研究的课题。比如，现有的光谱成像方法通常借助光栅进行推扫式采样，测量相对复杂；而偏振测量方法则需要多个进行机械旋转的部件，因而其系统稳定性会受到影响。如何优化光谱成像与偏振测量是构建光谱-偏振成像测量系统的一个挑战性的难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种光谱-偏振成像测量系统，可实现便捷的光谱-偏振成像测量。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型包括偏振光产生模组、滤光模组与偏振成像测量模组三个部分。偏振光产生模组产生特定偏振态的偏振光并以之照射待测物体，滤光模组对待测物体发出的光进行滤光，偏振成像测量模组对通过滤光模组的光进行偏振分光与偏振成像。

所述的偏振光产生模组由宽带光源、偏振片和第一四分之一波片组成。所述的滤光模组是对入射光偏振态不敏感的可以用电调控的带通滤光器。所述的偏振测量模组由部分偏振分束器、半波片、第二四分之一波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、四个成像透镜组和四个感光芯片组成。宽带光源发出的光线，经过偏振片、第一四分之一波片照射于待测物体上，样品反射或透射的光再通过滤光模组被滤光，之后光线通过部分偏振分束器被偏振分光为两束——第一光束和第二光束。第一光束经过半波片、第一偏振分束器被偏振分束为两束，这两束光分别经过各自的成像透镜组成像于各自的感光芯片上。第二光束经过第二四分之一波片、第二偏振分束器被偏振分束为两束，这两束光分别经过各自的成像透镜组成像于各自的感光芯片上。

所述的宽带光源是光谱带宽包含待测光谱范围的光源。

所述的偏振光产生模组可根据测量需要取舍。如测量待测物体的穆勒矩阵，偏振光产生模组需要保留；如测量待测物体发出的光的斯托克斯参量，偏振光产生模组可以去除。

所述的偏振片是一种宽带的偏振光学元件，可将宽带的入射光特定方向偏振的分量消除。

所述的半波片、第一四分之一波片和第二四分之一波片，是具有消色差能力的波片，可在入射光两个正交的偏振方向上引入特定的相位差。

所述的半波片，第一四分之一波片和第二四分之一波片，可以用其它相位差的波片代替。

所述的偏振片和第一四分之一波片均安装于可电控旋转的镜架上，可分别绕光轴旋转任意角度。

所述的对入射光偏振态不敏感的可以用电调控的带通滤光器是能透射特定波长的窄带滤光器，且透射光中心波长可以通过改变施加于滤光器上的电压进行调控，同时，透射光谱与入射光的偏振态无关。声光可调滤光器、液晶可调滤光器、利用压电材料制作的法布里-珀罗干涉腔等均可以用作对入射光偏振态不敏感的可以用电调控的带通滤光器。

所述的部分偏振分束器，是一种宽带的偏振分光元件，可将宽带的入射光线的两个正交偏振分量按一定的比例分给两束出射光线，例如将入射光线的p波分量按8：2分给两束出射光线，将入射光线的s波分量按2：8分给两束出射光线。

所述的第一偏振分束器和第二偏振分束器，是一种宽带的偏振分光元件，可将宽带的入射光线分成两束偏振态相互正交的光线。偏振分束立方体、沃拉斯顿偏振器、rochon棱镜等均属于偏振分束器。

所述的成像透镜组，是具有消色差能力的光学透镜。

所述的感光芯片，是一种面阵式的光电信号转换装置。感光芯片的位置需要与像面位置重合。

本实用新型的有益效果：

针对现有技术手段的不足，将偏振不敏感的滤光模组与四通道的偏振成像测量模组相结合，通过滤光模组选出待测的波长，再由偏振成像测量模组测出偏振信息，实现对目标的光谱-偏振成像测量。本实用新型的滤光模组体积小，结构简单，偏振测量模组无机械运动器件，可靠性高。

通过本实用新型的结构设置，待测物体在四个感光芯片上所成的像包含了待测物体发出的光的各个偏振分量的信息，根据四个感光芯片所成的像，可以算出待测物体发出的光的斯托克斯参数以及待测物体的穆勒矩阵各元素大小的空间分布。通过控制滤光模组的透射波长，可以测量多个波长下待测物体的偏振图像，实现光谱-偏振成像测量。

附图说明

图1为一种光谱-偏振成像测量系统实施例1示意图；

图2为一种光谱-偏振成像测量系统实施例2示意图；

图中，偏振光产生模组1、滤光模组2、偏振成像测量模组3、待测物体4、宽带光源5、偏振片6、第一四分之一波片7、部分偏振分束器8、半波片9、第二四分之一波片10、第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2、成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4、感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4、第一光束14-1、第二光束14-2、光束15-1、光束15-2、光束15-3、光束15-4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1：测量光谱-穆勒矩阵成像系统

如图1所示，一种测量光谱-穆勒矩阵成像系统，包括偏振光产生模组1、滤光模组2与偏振成像测量模组3三个部分。其中偏振光产生模组1产生特定偏振态的偏振光并以之照射待测物体4，滤光模组2对待测物体4发出的光进行滤光，偏振成像测量模组3对通过滤光模组2的光进行偏振分光与偏振成像。

偏振光产生模组1由宽带光源5、偏振片6、第一四分之一波片7、光学固定件及可电控旋转的镜架组成。其中偏振片6和第一四分之一波片7均安装于可电控旋转的镜架上，可分别绕光轴z0(如图1建立直角坐标系x0y0z0)旋转任意角度，定义偏振片6的消光轴与x0轴的夹角为α，第一四分之一波片7的慢轴与x0轴的夹角为β。通过控制α、β，可以控制偏振光产生模组1照射待测物体4的光线的偏振态。

所述的宽带光源5是光谱带宽包含待测光谱范围的光源。

所述的偏振片6是一种宽带的偏振光学元件，可将宽带的入射光特定方向偏振的分量消除。

滤光模组2是对入射光偏振态不敏感的可以用电调控的带通滤光器，能透射特定中心波长的窄带光波，定义滤光器透射光中心波长为λ，定义施加于滤光器上的电压为v，则通过改变滤光器上的电压v，可以控制滤光模组2的透射光中心波长λ。

偏振测量模组3由部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4，感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4及光学固定件组成。透过滤光模组2的光首先入射到部分偏振分束器8被偏振分束为两束光，定义这两束光为第一光束14-1与第二光束14-2。第一光束14-1经过半波片9、第一偏振分束器11-1被偏振分束为两束，定义这两束光为光束15-1与光束15-2。光束15-1经过成像透镜组12-1成像于感光芯片13-1上。光束15-2经过成像透镜组12-2成像于感光芯片13-2上。第二光束14-2经过第二四分之一波片10、第二偏振分束器11-2被偏振分束为两束，定义这两束光为光束15-3与光束15-4。光束15-3经过成像透镜组12-3成像于感光芯片13-3上。光束15-4经过成像透镜组12-4成像于感光芯片13-4上。部分偏振分束器8平行于x轴(如图1建立直角坐标系xyz)的偏振分量的透过率为80％，反射率为20％；平行于y轴的偏振分量的透过率为20％，反射率为80％。半波片9的慢轴与x轴的夹角为22.5°，第二四分之一波片10的慢轴与y轴的夹角为45°。不失一般性，令光束15-1的偏振方向平行于y轴，光束15-2的偏振方向平行于x轴，光束15-3的偏振方向平行于y轴，光束15-4的偏振方向平行于z轴。定义α＝α0、β＝β0时感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4上图像的光强分别为

所述的第一四分之一波片7、半波片9和第二四分之一波片10，是具有消色差能力的波片，可在入射光两个正交的偏振方向上引入特定的相位差。

所述的成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4，是具有消色差能力的光学透镜。

所述的感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4，是一种面阵式的光电信号转换装置。感光芯片的位置需要与像面位置重合。

测量时，确保偏振光产生模组1是照射待测物体4的唯一光源。调整电压v，控制滤光模组2的中心光透射波长为λ。定义宽带光源5发出的波长为λ的光的光强为i0。定义α＝α0、β＝β0时滤光模组2接收到待测物体4反射或透射的波长为λ的光的斯托克斯参数为

定义待测物体4在波长为λ时的穆勒矩阵mλ为

定义m′λ为待测物体4在波长为λ时归一化的穆勒矩阵。

控制α＝0、β＝0，测出

控制α＝90°、β＝0，测出

控制α＝45°、β＝45°，测出

控制α＝0、β＝45°，测出

则

由上述方程，可以求出归一化的穆勒矩阵m′λ。

计算结果假定所述的偏振片6，第一四分之一波片7，部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4均为理想的。当偏振片6，第一四分之一波片7，部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4并非理想元件时，要根据实际情况校准。

实施例2：测量光谱-斯托克斯参数成像系统

如图2所示，一种测量光谱-斯托克斯参数成像系统，滤光模组2与偏振成像测量模组3两个部分。待测物体发出的光进入滤光模组2被其滤光，偏振成像测量模组3对通过滤光模组2的光进行偏振分光与偏振成像。

滤光模组2是对入射光偏振态不敏感的可以用电调控的带通滤光器，能透射特定中心波长的窄带光波，定义滤光器透射光中心波长为λ，定义施加于滤光器上的电压为v，则通过改变滤光器上的电压v，可以控制滤光模组2的透射光中心波长λ。

偏振测量模组3由部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4，感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4及光学固定件组成。透过滤光模组2的光首先入射到部分偏振分束器8被偏振分束为两束光，定义这两束光为第一光束14-1与第二光束14-2。第一光束14-1经过半波片9、第一偏振分束器11-1被偏振分束为两束，定义这两束光为光束15-1与光束15-2。光束15-1经过成像透镜组12-1成像于感光芯片13-1上。光束15-2经过成像透镜组12-2成像于感光芯片13-2上。第二光束14-2经过第二四分之一波片10、第二偏振分束器11-2被偏振分束为两束，定义这两束光为光束15-3与光束15-4。光束15-3经过成像透镜组12-3成像于感光芯片13-3上。光束15-4经过成像透镜组12-4成像于感光芯片13-4上。部分偏振分束器8平行于x轴(如图2建立直角坐标系xyz)的偏振分量的透过率为80％，反射率为20％；平行于y轴的偏振分量的透过率为20％，反射率为80％。半波片9的慢轴与x轴的夹角为22.5°，第二四分之一波片10的慢轴与y轴的夹角为45°。不失一般性，令光束15-1的偏振方向平行于y轴，光束15-2的偏振方向平行于x轴，光束15-3的偏振方向平行于y轴，光束15-4的偏振方向平行于z轴。定义感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4上图像光强分别为i1、i2、i3、i4。

所述的第一四分之一波片7、半波片9和第二四分之一波片10，是具有消色差能力的波片，可在入射光两个正交的偏振方向上引入特定的相位差。所述的成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4，是具有消色差能力的光学透镜。所述的感光芯片13-1、13-2、13-3、13-4，是一种面阵式的光电信号转换装置。感光芯片的位置需要与像面位置重合。

测量时，调整电压v，控制滤光模组2的透射光中心波长为λ。定义滤光模组2接收到待测物体发出的波长为λ的光的斯托克斯参数sλ为

则sλ可以通过i1、i2、i3、i4计算得出

s0＝i1+i2+i3+i4

计算结果假定所述的部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4均为理想的。当部分偏振分束器8，半波片9，第二四分之一波片10，第一偏振分束器11-1、第二偏振分束器11-2，成像透镜组12-1、12-2、12-3、12-4并非理想元件时，i1、i2、i3、i4要根据实际情况校准。