同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置及方法

摘要

本发明公开了一种同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置及方法，该装置包括在同一光轴顺次放置的前置偏振成像系统、像面干涉成像光谱仪和信号处理系统。入射光通过偏振元件阵列，形成携带四组不同偏振态信息的光束，并在微透镜阵列后焦面的空间上分开；分开的各点光线经过准直物镜后射入到横向剪切分束器，被横向一分为二，引入光程差信息；两支出射光经过后置成像物镜，在探测器靶面上得到携带有干涉信息和偏振态信息的目标图像，并转化为电信号进入信号处理系统，进行傅里叶变换，得到目标各点的二维空间光强信息、光谱信息和全Stokes偏振信息。具有高光谱分辨率，高信噪比，全Stokes偏振信息同时探测的优点，可以用于窄带或宽带光谱探测。

说明书

技术领域

本发明涉及光学目标探测方法，特别是一种同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装 置及方法。

背景技术

在目标探测过程中，由物体的光谱和偏振信息可以反演出目标的表面状态及物理、 化学性质，甚至能有效地消除背景噪声，增强物体的可见性。由于目标的光谱和偏振辐 射特性都具有明显反映目标特征的优势，因此融合光谱和偏振信息的成像探测技术能有 效利用两者的互补性，显著提高目标在复杂背景环境中被有效识别的能力。由此发展起 来的成像光谱偏振技术(Imaging Spectropolarimeter，ISP)，集合了照相机、光谱仪和偏 振仪的功能，为目标探测与识别提供更加丰富的信息源，在军事侦察、灾害估计、资源 调查等领域将发挥重要作用。

ISP技术主要是在现有成像光谱技术基础上，利用自身器件已有的偏振选择特性或 通过加入偏振组件引入偏振信息探测。按照ISP技术中光谱探测原理的不同，可以分为 基于液晶调制滤光片(LCTF)的ISP技术、基于声光调制滤光片(AOTF)的ISP技术、 基于层析成像光谱技术(CTIS)的ISP技术、基于光栅成像光谱技术(GIS)的ISP技 术、基于色散型成像光谱技术(DTSP)和基于干涉成像光谱技术(FTIS)的成像光谱 偏振技术等。其中，基于LCTF与AOTF的ISP技术利用波长调谐装置本身具有线偏振 态选择特性进行光谱偏振信息探测。AOTF与LCTF技术均具有原理简单、信息处理量 小等优点，因此早期的ISP技术多是基于这两类的。由于AOTF与LCTF技术本身存在 光通量低的缺点，因此获取的信息信噪比低，需要使用高灵敏度的探测器件，加大了器 件成本和复杂度。

ISP技术在过去十几年间得到了快速发展，1999年Oka和Kato首次提出了多通道 光谱偏振技术，实现了不同波数偏振信息的同时探测，提高了探测设备的稳固性。随后 2004年美国重飞行器公司通过在色散型成像光谱装置准直光路前引入Oka相位延迟组 件，对色散图像进行傅里叶变换，提取各个Stokes分量所对应的频谱，然后再进行逆傅 里叶变换，即可得到全偏振光谱信息；安徽光机所的宋志平等人研究的基于GIS的IPS 技术与其有异曲同工之妙。这两种方法都可以获得目标全Stokes偏振信息，但是都要经 过两次傅里叶变换，处理过程较为复杂。2006年美国亚利桑那大学在层析成像光谱技术 基础上引入Oka相位延迟组件，单次探测便可得到全部偏振信息和光谱信息，具有实时 探测能力，但是数据处理过程复杂，且光谱分辨率较低。随后2010年亚利桑那大学的 Kudenov和Julia等人将这一技术应用到像面干涉成像光谱技术中，具有高光通量，高 目标分辨率的优点。但是探测窄带目标光谱时，采用多通道干涉成像光谱技术，各偏振 态对应的干涉信息之间可能出现较为严重的混叠，会影响复原光谱精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时获取四组不重叠的偏振态信息、可以获取高分 辨率的窄带或者宽带光谱信息及全Stokes偏振信息的同步偏振调制干涉成像光谱偏振 探测装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为，一种同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装 置，包括在同一光轴顺次放置的前置偏振成像系统1、像面干涉成像光谱仪2和信号处 理系统3；其中前置偏振成像系统1包括沿光路方向依次设置的偏振元件阵列11、成像 物镜12和微透镜阵列13，并且微透镜阵列13置于成像物镜12的像面处；像面干涉成 像光谱仪2包括沿光路方向依次设置的准直物镜21、横向剪切分束器22、成像物镜23、 探测器24；信号处理系统3与探测器24相连。

本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置，所述的偏振元件阵列11包括沿 光路方向依次放置的相位延迟片阵列111和线偏振片阵列112，相位延迟片阵列111由 四个共平面的相位延迟片组成，且相位延迟片的快轴方向从左上开始沿顺时针与参考方 向夹角依次为0°、45°、90°、0°；线偏振片阵列112由四个共平面的线偏振片组成，线 偏振片的通光轴方向从左上开始沿顺时针与参考方向夹角依次为0°、45°、90°、45°。

本发明基于同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置的探测方法，包括以下步骤：

第一步，来自目标各点的入射光进入前置偏振成像系统1，首先通过前置偏振成像 系统1中的偏振元件阵列11，形成携带四组不同偏振态信息的光束并穿过成像物镜12， 在成像物镜12像面处的微透镜阵列13上成像，形成四个携带不同偏振信息的像点将携 带四组不同偏振态信息的光束在微透镜阵列13后焦面的空间上分开；

第二步，微透镜阵列13后焦面上各点光线射入像面干涉成像光谱仪2的准直物镜 21，以准直光的形式进入到横向剪切分束器22，横向剪切分束器22把入射的准直光横 向一分为二，从而引入光程差信息；

第三步，经过横向剪切分束器22的出射光经过后置成像物镜23，在成像物镜23 后焦面处的探测器24靶面上得到携带有干涉信息和偏振态信息的目标图像，并将携带 有干涉信息和偏振态信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统3；

第四步，信号处理系统3从收到的电信号中提取出在各偏振态下目标各点对应的干 涉数据，对干涉数据其进行傅里叶变换，从而得到目标各点对应的四组不同偏振态信息， 四组偏振态信息组成四个方程组：

S₀(σ)+S₁(σ)＝B₀(σ)

S₀(σ)+S₂(σ)＝B₁(σ)

S₀(σ)-S₁(σ)＝B₂(σ)

S₀(σ)+S₂(σ)cosδ(σ)+S₃(σ)sinδ(σ)＝B₄(σ)

式中，σ为波数，S₀，S₁，S₂，S₃为目标的Stokes偏振信息，B₀，B₁，B₂，B₃为四组傅里 叶变换复原光谱，通过求解最终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。

与现有技术相比，本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置及方法具有以下 显著优点：(1)单次测量便可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；(2)各偏振态对应的干涉信息不存在理论上的混叠现象，可以提高干涉类成 像光谱偏振技术的光谱分辨率和复原光谱准确度；(3)探测器之前器件为全光器件，无 声光、电光调制、方法简单实用；(4)具有高目标分辨率、高通量、多通道优点。

附图说明

图1为本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置结构示意图。

图2为本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置的偏振元件阵列的排列组合 示意图。

其中：1-前置偏振成像系统：11-偏振元件阵列，111-相位延迟片阵列，112-线偏振 片阵列，12-成像物镜，13-微透镜阵列；2-像面干涉成像光谱仪：21-准直物镜，22-横向 剪切分束器，23-成像物镜，24-探测器；3-信号处理系统

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

结合图1，本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置，包括在同一光轴顺次 放置的前置偏振成像系统1、像面干涉成像光谱仪2和信号处理系统3；其中前置偏振 成像系统1包括沿光路方向依次设置的偏振元件阵列11、成像物镜12和微透镜阵列13， 并且微透镜阵列13置于成像物镜12的像面处；像面干涉成像光谱仪2包括沿光路方向 依次设置的准直物镜21、横向剪切分束器22、成像物镜23、探测器24；信号处理系统 3与探测器24相连。

结合图2，本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测装置中偏振元件阵列11包括 沿光路方向依次放置的相位延迟片阵列111和线偏振片阵列112，相位延迟片阵列111 由四个共平面的相位延迟片组成，四个相位延迟片尺寸规格相同，且相位延迟片的快轴 方向从左上开始沿顺时针与参考方向夹角依次为0°、45°、90°、0°；线偏振片阵列112 由四个共平面的线偏振片组成，四个线偏振片尺寸规格相同，线偏振片的通光轴方向从 左上开始沿顺时针与参考方向夹角依次为0°、45°、90°、45°；四个相位延迟片与四个 线偏振片按所在位置为一一对应关系，且尺寸大小一致，形成四组偏振态器件，用于对 成像物镜1进行孔径分割。

本发明同步偏振调制干涉成像光谱偏振探测方法，包括以下步骤：

第一步，来自目标各点的入射光进入前置偏振成像系统1，首先通过前置偏振成像 系统1中的偏振元件阵列11，形成携带四组不同偏振态信息的光束并穿过成像物镜12， 在成像物镜12像面处的微透镜阵列13上成像，形成四个携带不同偏振信息的像点，将 携带四组不同偏振态信息的光束在微透镜阵列13后焦面的空间上分开，形成四点光线；

第二步，微透镜阵列13后焦面上各点光线射入像面干涉成像光谱仪2的准直物镜 21，以准直光的形式进入到横向剪切分束器22，横向剪切分束器22把入射的准直光横 向一分为二，从而引入光程差信息；

第三步，经过横向剪切分束器22的出射光经过后置成像物镜23，在成像物镜23 后焦面处的探测器24靶面上得到携带有干涉信息和偏振态信息的目标图像，并将携带 有干涉信息和偏振态信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统3；

第四步，信号处理系统3从收到的电信号中提取出在各偏振态下目标各点对应的干 涉数据，对干涉数据其进行傅里叶变换，从而得到目标各点对应的四组不同偏振态信息， 四组偏振态信息组成四个方程组：

S₀(σ)+S₁(σ)＝B₀(σ)    (1)

S₀(σ)+S₂(σ)＝B₁(σ)    (2)

S₀(σ)-S₁(σ)＝B₂(σ)    (3)

S₀(σ)+S₂(σ)cosδ(σ)+S₃(σ)sinδ(σ)＝B₄(σ)    (4)

式中，σ为波数，S₀，S₁，S₂，S₃为目标的Stokes偏振信息，B₀，B₁，B₂，B₃为四组傅 里叶变换复原光谱，通过求解最终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。

本发明单次测量便可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；各偏振态对应的干涉信息不存在理论上的混叠现象，可以提高干涉类成像光谱偏振 技术的光谱分辨率和复原光谱准确度；探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制、 方法简单实用；具有高目标分辨率、高通量、多通道优点，可以用于窄带或宽带光谱探 测。