一种高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器

摘要

本发明公开了一种高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器，包括沿入射光方向依次放置的部分偏振分光棱镜、高反镜、第一相位延迟器、第二相位延迟器和Wollaston棱镜。所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高；部分偏振分光棱镜透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s波；第一相位延迟器为1/4波片，快轴与透射p光偏振方向的夹角为45°；第二相位延迟器为1/2波片，快轴与透射p光偏振方向的夹角为22.5°。本发明系统结构紧凑轻小，单次测量便可获得探测目标全斯托克斯偏振信息图像，且子图像排布呈田字形，空间分辨率高。

说明书

技术领域

本发明属于光谱成像探测技术领域，具体涉及一种高空间分辨率的全斯托克 斯偏振调制成像分束器。

技术背景

偏振成像探测能够提供探测目标场景的光偏振态图像信息，可以反应探测目 标表面形状、粗糙度和阴影等特性，在天文探测、军事侦察和遥感等领域具有重 要的应用价值。偏振信息可以用四个斯托克斯偏振参量组成的斯托克斯矢量表 示。基于穆勒矩阵运算的斯托克斯偏振成像系统是主要的偏振成像方法之一。通 常斯托克斯偏振成像系统由斯托克斯偏振调制器件和成像系统组成，其中斯托克 斯偏振调制器件是核心器件。

传统的偏振成像方法通常采用分时斯托克斯偏振成像，通过依次获取多幅偏 振态图像求解探测目标斯托克斯偏振态信息。该方法简单实用，能获取高空间分 辨率图像信息，但是在探测时间内，必须保证探测目标和探测器之间保持固定不 动。

为实现实时探测，一些科研工作者提出了采用分振幅斯托克斯偏振成像和分 焦面斯托克斯偏振成像的方法，其中传统的分振幅斯托克斯偏振成像系统包含多 个成像系统和探测器，结构复杂体积大；分焦面斯托克斯偏振成像方法主要用于 线偏振态探测，如要进行全斯托克斯偏振态探测，需要制作特殊的微型焦面偏振 阵列，工艺复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束 器，解决了瞬态全偏振成像探测的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高空间分辨率的全斯托克斯偏振调 制成像分束器，其特征在于：包括沿入射光方向依次放置的部分偏振分光棱镜、 高反镜、第一相位延迟器、第二相位延迟器和Wollaston棱镜；所有光学元件相 对于仪器底座平面同轴等高；部分偏振分光棱镜透过80％的p波和20％的s波， 反射20％的p波和80％的s波；第一相位延迟器为1/4波片，快轴与透射p光偏 振方向的夹角为45°；第二相位延迟器为1/2波片，快轴与透射p光偏振方向的 夹角为22.5°；

光源发出的光束经部分偏振分光棱镜分为反射光和透射光，透射光入射至第 一相位延迟器，经第一相位延迟器改变相位后入射至Wollaston棱镜，Wollaston 棱镜将其剪切分离；反射光反射至高反镜，经高反镜反射至第二相位延迟器，经 第二相位延迟器改变相位后入射至Wollaston棱镜，Wollaston棱镜将其剪切分离。

所述部分偏振分光棱镜形状为正方体，高反镜形状为矩形，部分偏振分光棱 镜的反射光出射面与高反镜的反射面的夹角为θ，其中30°≤θ≤60°，且θ≠45°。

所述第一相位延迟器位于部分偏振分光棱镜的透射光路上，第二相位延迟器 位于高反镜反射光路，第一相位延迟器的出射光和第二相位延迟器的出射光，均 射入Wollaston棱镜。

所述第一相位延迟器和第二相位延迟器所用材料、尺寸和形状均相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)系统结构紧凑轻小。

(2)单次测量便可获得探测目标全斯托克斯偏振信息图像。

(3)子图像排布呈田字形，空间分辨率高。

附图说明

图1为本发明高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器的结构示意 图。

图2为本发明放置在斯托克斯偏振成像系统中的结构图。

图3为应用本发明获取的四种偏振态的子图像模型，其中(a)为部分偏振 分光棱镜的反射光出射面与高反镜的反射面的夹角θ<45°时的子图像排布图； (b)为部分偏振分光棱镜的反射光出射面与高反镜的反射面的夹角θ>45°时的 子图像排布图。

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1，一种高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器，包括沿入 射光方向依次放置的部分偏振分光棱镜1、高反镜2、第一相位延迟器3、第二 相位延迟器4和Wollaston棱镜5。所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高； 部分偏振分光棱镜1透过80％的p波和20％的s波，反射20％的p波和80％的s 波；第一相位延迟器3为1/4波片，快轴与透射光偏振方向的夹角为45°；第二 相位延迟器4为1/2波片，快轴与透射光偏振方向的夹角为22.5°。

进一步地，所述部分偏振分光棱镜1形状为正方体，高反镜2形状为矩形， 部分偏振分光棱镜1的反射光出射面与高反镜2的反射面的夹角为θ，其中 30°≤θ≤60°，且θ≠45°。

进一步地，所述第一相位延迟器3位于部分偏振分光棱镜1的透射光路上， 第二相位延迟器4位于高反镜2反射光路，第一相位延迟器3的出射光和第二相 位延迟器4的出射光，均射入Wollaston棱镜5。

进一步地，所述第一相位延迟器3和第二相位延迟器4所用材料、尺寸和形 状均相同。

结合图1，光源发出的光束进入部分偏振分光棱镜1后透过80％的p波和20％ 的s波，反射20％的p波和80％的s波，80％的p波和20％s波进入第一相位延 迟器3后相位改变90度进入Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器 上形成第一子图像1和第三子图像3；20％的p波和80％的s波在部分偏振分光 棱镜1中反射，经高反镜2反射进入第二相位延迟器4后，相位改变180度进入 Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器上形成第二子图像2和第四子 图像4。

结合图2，本发明所述的高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器放 置在前置准直系统和成像系统之间，成像系统与成像探测器连接，可实现同步引 入四组偏振态信息。其中前置准直系统用于将来自探测目标的光束进行准直，成 像系统用于将经过全斯托克斯偏振成像的分束器调制的四束平行光束成像在其 后焦面处的成像探测器上面。

结合图3，探测器获取的图像包含探测目标的四个子图像，子图像排布呈田 字形，空间分辨率高。每个子图像对应一种偏振状态。当θ<45°时，子图像排布 如图3a；当θ>45°时，子图像排布如图3b。

本发明应用于全斯托克斯偏振成像系统中获取偏振信息的步骤为：将本发明 所述的高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器放置在全斯托克斯偏振 成像系统的前置准直系统和成像系统之间，光源发出的光束经前置准直系统准直 后入射至部分偏振分光棱镜1，部分偏振分光棱镜1透过80％的p波和20％的s 波，反射20％的p波和80％的s波，80％的p波和20％s波进入第一相位延迟器 3后相位改变90度进入Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器上形 成第一子图像1和第三子图像3。20％的p波和80％的s波在部分偏振分光棱镜 1中反射，经高反镜2反射进入第二相位延迟器4后，相位改变180度进入 Wollaston棱镜5，最后经过后置成像系统在探测器上形成第二子图像2和第四子 图像4。最后在探测器上可以同时探测到四个子图像，即同时获取同一物点对应 四个不同的偏振态光强信息，能够同时探测目标的全斯托克斯偏振信息。

准直光束通过高空间分辨率的全斯托克斯偏振调制成像分束器后形成四路 光束，每路光束的偏振分析如下：

探测器只能探测到以上四个矩阵的第一行：

A_Path1＝[0.250.150-0.2]

A_Path2＝[0.250.1500.2]

A_Path3＝[0.250.150.20]

A_Path4＝[0.250.15-0.20]

把上面四个矢量组成一个4×4的测量矩阵：

$A=\left(\begin{array}{cccc}0.25& 0.15& 0& -0.2\\ 0.25& 0.15& 0& 0.2\\ 0.25& 0.15& 0.2& 0\\ 0.25& 0.15& -0.2& 0\end{array}\right)$

矩阵A的逆矩阵为：

$A^{-1}=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1.6667& 1.6667& -1.6667& -1.6667\\ 0& 0& 2.5& -2.5\\ -0.25& 2.5& 0& 0\end{array}\right)$

令斯托克斯矢量为$S=\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right),$探测器获取的光强为$I=\left(\begin{array}{c}{i}_0\\ i_1\\ i_2\\ i_3\end{array}\right)$

则有A·S＝I

因此，S＝A^-1·I。