專利名稱：圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)圖像處理儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于成像光譜領(lǐng)域的傅里葉變換成像光譜儀，特別涉及一種圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目標(biāo)發(fā)出的光不僅具有光譜特性，而且具有一定的偏振屬性，若能定量化地描述目標(biāo)的光譜和偏振信息，則可以為目標(biāo)識(shí)別和評(píng)估提供強(qiáng)有力的工具。當(dāng)前 能獲取偏振和光譜信息的兩種重要遙感技術(shù)是偏振術(shù)和光譜術(shù)，它們的組合則可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多信息探測(cè)。圓偏振光是偏振光的一種，自然界或人造目標(biāo)均會(huì)反射或輻射出圓偏振光，尤其是金屬表面或散射介質(zhì)。在被動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域，圓偏振光的能量相對(duì)較低，若要探測(cè)它需要一套靈敏的系統(tǒng)。圓偏振技術(shù)在主動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，通用的方法是將人造圓偏振光照射到散射目標(biāo)上，通過(guò)圓偏振探測(cè)系統(tǒng)接收后向散射光，利用散射光中的左旋和右旋圓偏振光信息反演目標(biāo)的粒度、濃度、分布和相位等信息，在材料和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。早期的圓偏振光探測(cè)主要是利用四分之一波片和線分析器的組合，一次只能獲取單一的左旋或右旋圓偏振組分。此后人們將厚延遲器(固定延遲量或可調(diào)諧延遲量)和線分析器進(jìn)行組合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)延遲器或者調(diào)諧延遲量，不僅能獲取各圓偏振信息，而且能獲取其它偏振信息。這里獲取的圓偏振信息是左旋圓偏振光和右旋圓偏振光之差，即第四個(gè)斯托克斯參數(shù)。另外，上述方法要么獲取全色的偏振信息，要么獲取單色光的偏振信息，要么獲取少數(shù)幾個(gè)波段的偏振信息，均不能進(jìn)行高光譜成像分析。美國(guó)專利(專利號(hào)為US7623236B2)I曾報(bào)道了一種非成像通道光譜偏振技術(shù)，將兩個(gè)成比例的厚延遲器和分析器組合放置在光譜儀前面，無(wú)需旋轉(zhuǎn)即可獲取目標(biāo)的四個(gè)斯托克斯參數(shù)的光譜信息。該技術(shù)的原理決定了每個(gè)斯托克斯光譜的分辨率遠(yuǎn)低于光譜儀的分辨率，在數(shù)值上約為光譜儀分辨率的七倍；而且能量要分布到七個(gè)通道上，所以對(duì)圓偏振探分量的測(cè)量靈敏度不高；另外它也不能獲得單獨(dú)的左旋或右旋圓偏振組分。文獻(xiàn)2在美國(guó)專利(專利號(hào)為20060170921A1)的原理基礎(chǔ)上，將兩個(gè)成比例的厚延遲器和分析器組合放置在基于渥拉斯頓棱鏡的成像光譜儀前面，用于同時(shí)獲取目標(biāo)的四個(gè)斯托克斯參數(shù)的光譜圖像信息。雖然能夠獲取偏振光譜成像，但通道光譜技術(shù)的缺陷仍然存在。中國(guó)專利(專利申請(qǐng)?zhí)枮?00710017517. I)3的發(fā)明專利的申請(qǐng)文本曾報(bào)道了一種空間調(diào)制的偏振干涉成像光譜儀。系統(tǒng)基于靜態(tài)雙折射干涉儀，采用時(shí)空混合調(diào)制獲取技術(shù)，具有共路、緊湊、穩(wěn)態(tài)和靈敏度高等特點(diǎn)。但是前置起偏器是固定的，所以一個(gè)掃描周期只能獲得一個(gè)線偏振分量的光譜圖像信息。中國(guó)專利(專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110260041. O)4的發(fā)明專利的申請(qǐng)文本曾報(bào)道了一種雙通道差分偏振干涉成像光譜儀，將偏振分光技術(shù)和雙折射干涉儀相結(jié)合，用以同時(shí)獲取目標(biāo)的正交線偏振組分的光譜圖像信息。上述兩種方法雖然具有結(jié)構(gòu)和靈敏度的優(yōu)勢(shì)，但是都無(wú)法獲取圓偏振信息。參考文獻(xiàn)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中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00710017517.I，“靜態(tài)雙折射偏振干涉成像光譜儀，” (2007年10月3日).4中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01110260041.0，“一種雙通道差分偏振干涉成像光譜儀，” (2011 年 12 月 28 日)·

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、取樣精確度高、穩(wěn)定性好、無(wú)旋轉(zhuǎn)和調(diào)諧部件、可同時(shí)獲取目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息 的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。一種圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，由沿入射光方向依次設(shè)置的入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)、雙折射分光系統(tǒng)、成像透鏡以及圖像獲取和處理系統(tǒng)組成；目標(biāo)發(fā)出的一束圓偏振光被入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后的平行光，被雙折射分光系統(tǒng)在紙平面內(nèi)角向分束，形成傳播方向和偏振方向兩兩平行的四束光；其中入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后的平行光中的左旋圓偏振分量經(jīng)雙折射分光系統(tǒng)分成的兩束偏振光經(jīng)成像透鏡會(huì)聚后，將產(chǎn)生左旋偏振分量的干涉圖像；入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后的平行光中的右旋圓偏振分量經(jīng)雙折射分光系統(tǒng)分成的兩束偏振光經(jīng)成像透鏡會(huì)聚后，將產(chǎn)生右旋偏振分量的干涉圖像；圖像獲取和處理系統(tǒng)同時(shí)獲取左旋和右旋圓偏振分量對(duì)應(yīng)的干涉圖像。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于圖像獲取和處理系統(tǒng)對(duì)左旋和右旋圓偏振分量對(duì)應(yīng)的干涉圖像進(jìn)行傅里葉變換和圖像融合處理得到目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)由沿入射光向依次設(shè)置的物鏡、視場(chǎng)光闌和準(zhǔn)直鏡組成；視場(chǎng)光闌位于物鏡的像面上，同時(shí)也是準(zhǔn)直透鏡的物方焦平面。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于物鏡是望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當(dāng)物鏡為望遠(yuǎn)物鏡時(shí)，目標(biāo)位于無(wú)窮遠(yuǎn)距離；當(dāng)物鏡為顯微物鏡或普通物鏡時(shí)，目標(biāo)位于有限遠(yuǎn)距離。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于雙折射分光系統(tǒng)由沿入射光向依次設(shè)置的消色差四分之一波片、雙折射棱鏡對(duì)、雙折射波板對(duì)及偏振器組成；沿入射光傳輸?shù)姆较驗(yàn)閦軸方向，垂直于z軸的豎直方向?yàn)閥軸方向，垂直于z軸的水平方向?yàn)閄軸方向，X軸、y軸、z軸三者符合右手螺旋定則；其中消色差四分之一波片的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對(duì)的光軸與X軸的夾角分別為O °和90 ° ;雙折射波板對(duì)的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為45° ;偏振器的透振方向平行于X軸。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于偏振器是晶體棱鏡型偏振片、二向色性偏振片或金屬線柵偏振片。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于圖像獲取和處理系統(tǒng)由面陣探測(cè)器、連接導(dǎo)線及數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)組成。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于面陣探測(cè)器置于成像透鏡的像方焦平面上；面陣探測(cè)器是硅基CXD相機(jī)、CMOS相機(jī)或紅外焦平面陣列。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明可以同時(shí)獲取目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振分量的偏振光譜圖像；比獲得單一圓偏振分量的四分之一波片和偏振片組合多探測(cè)一個(gè)偏振分量，且具有高光譜分析功能；與旋轉(zhuǎn)厚延遲器或可調(diào)諧延遲器和線分析器的組合相比，沒(méi)有移動(dòng)部件或電轉(zhuǎn)換元件，可以有效避免振動(dòng)噪聲，并屬無(wú)源分光系統(tǒng)；與通道光譜偏振技術(shù)相比，本系統(tǒng)的光譜分辨率就是干涉儀的分辨率，具有高光譜成像的能力；而且只探測(cè)兩個(gè)圓偏振分量，光學(xué)利用效率較高；與單通道線偏振成像光譜儀和雙通道線偏振成像儀相比，增加了圓偏振光譜圖像的獲取能力。本發(fā)明采用雙折射共光路系統(tǒng)，無(wú)移動(dòng)部件，具有穩(wěn)定、超小型、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，在空間探測(cè)、地球遙感、機(jī)器視覺(jué)以及生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域等諸方面都具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值，能廣泛應(yīng)用于深空目標(biāo)探測(cè)、大氣監(jiān)測(cè)、地球資源及污染普查、偽裝目標(biāo)識(shí)別、材料屬性鑒別、病灶診斷等重要領(lǐng)域。
圖I為本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)附圖1，本發(fā)明所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)由沿入射光向依次設(shè)置的入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)100、雙折射分光系統(tǒng)200、成像透鏡300以及圖像獲取和處理系統(tǒng)400組成。入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)100由沿入射光向依次設(shè)置的物鏡102、視場(chǎng)光闌103和準(zhǔn)直透鏡104組成；雙折射分光系統(tǒng)200由沿入射光向依次設(shè)置的消色差四分之一波片201、雙折射棱鏡對(duì)202、雙折射波板對(duì)203和偏振器204組成；圖像獲取和處理系統(tǒng)400由面陣探測(cè)器401、連接導(dǎo)線402及數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)403組成；其中視場(chǎng)光闌103位于物鏡102的像面上，同時(shí)也是準(zhǔn)直透鏡104的物方焦平面；消色差四分之一波片201的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對(duì)202的光軸與X軸的夾角分別為0°和90° ;雙折射波板對(duì)203的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與χ軸的夾角為45°，這樣設(shè)置的好處是，從雙折射棱鏡對(duì)202出射的水平線偏振光經(jīng)雙折射波板203后，將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與χ軸夾角分別為±45°的線偏振光；偏振器204的透振方向平行于χ軸；面陣探測(cè)器401需置于成像透鏡300的像方焦平面上，經(jīng)過(guò)連接導(dǎo)線402與數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)403連接。其中，沿入射光傳輸?shù)姆较驗(yàn)棣戚S方向，垂直于ζ軸的豎直方向?yàn)閥軸方向，垂直于z軸的水平方向?yàn)棣州S方向，χ軸、y軸、z軸三者符合右手螺旋定則。本發(fā)明所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)的工作原理為由目標(biāo)101發(fā)出的光經(jīng)物鏡102成像在視場(chǎng)光闌103處，稱為中間像面；其中物鏡102既可以是望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當(dāng)物鏡102為望遠(yuǎn)物鏡時(shí)，目標(biāo)101應(yīng)位于無(wú)窮遠(yuǎn)距離；當(dāng)物鏡為顯微物鏡或普通物鏡時(shí)，目標(biāo)應(yīng)位于有限遠(yuǎn)距離。視場(chǎng)光闌103位于準(zhǔn)直透鏡104的物方焦平面上，用于防止兩個(gè)通道的干涉圖像在面陣探測(cè)器上出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。視場(chǎng)光闌103上的中間像面發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡104后變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圓偏振分量通過(guò)消色差四分之一波片201后，將分別被轉(zhuǎn)變?yōu)樗胶痛怪本€偏振光；其中消色差四分之一波片201可以保證系統(tǒng)能在較寬波段工作。水平和垂直線偏振光通過(guò)雙折射棱鏡對(duì)202后將在y方向角分束，分開(kāi)的兩束光依然是水平和垂直線偏振光并入射到雙折射波板對(duì)203上；從雙折射棱鏡對(duì)202出射的水平線偏振光經(jīng)雙折射波板后203,將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與χ軸夾角分別為±45°的線偏振光；從雙折射棱鏡對(duì)202出射的垂直線偏振光經(jīng)雙折射波板203后，同樣將在χ方向被橫向剪切為兩束傳播方向平行且偏振方向與X軸的夾角分別為45°和135°線偏振光。當(dāng)上述偏振方向兩兩垂直的線偏振光經(jīng)過(guò)透振方向平行于χ軸的偏振器204后，偏振方向均被歸化到χ方向，從而滿足干涉所需的具有相同偏振分量的必要條件；經(jīng)成像透鏡300后將被聚焦到處于焦平面上的面陣探測(cè)器401的兩側(cè)，相交后分別產(chǎn)生兩幅干涉圖像。 其中一幅干涉圖對(duì)應(yīng)入射光中的左旋圓偏振分量，另一幅干涉圖對(duì)應(yīng)入射光中的右旋圓偏振分量，采用與面陣探測(cè)器401兼容的圖像采集卡，將干涉圖經(jīng)連接導(dǎo)線402傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)403中，利用處理和反演算法分別復(fù)原出左旋和右旋圓偏振分量的高光譜圖像。所用的偏振器204可以是晶體棱鏡型、二向色性偏振片、金屬線柵偏振片或其它能在寬譜段工作的偏振器。其中，面陣探測(cè)器401可以是硅基CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)或者紅外焦平面陣列等。為了獲取完成的序列干涉圖像，系統(tǒng)可以搭載于飛行器平臺(tái)、或放置在地面旋轉(zhuǎn)或平移臺(tái)上、或與顯微鏡接口利用樣品平移臺(tái)等，使系統(tǒng)與目標(biāo)在水平方向上勻速相對(duì)移動(dòng)進(jìn)行窗掃探測(cè)，依靠視場(chǎng)角變化來(lái)調(diào)制兩幅干涉圖像的光程差，兩幅干涉圖的光程差變化相同，一個(gè)窗掃周期即可得到目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振分量的完整序列干涉圖像；利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)兩幅干涉圖像進(jìn)行傅里葉變換即可得到目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振分量的光譜圖像；兩光譜圖像相減還可以得到高對(duì)比度的差分圓偏振光譜圖像信息。
權(quán)利要求
1.一種圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，由沿入射光方向依次設(shè)置的入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)(100 )、雙折射分光系統(tǒng)(200 )、成像透鏡(300 )以及圖像獲取和處理系統(tǒng)(400 )組成；目標(biāo)發(fā)出的一束圓偏振光被入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)(100)準(zhǔn)直后的平行光,被雙折射分光系統(tǒng)(200)在紙平面內(nèi)角向分束，形成傳播方向和偏振方向兩兩平行的四束光；其中入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)(100)準(zhǔn)直后的平行光中的左旋圓偏振分量經(jīng)雙折射分光系統(tǒng)(200)分成的兩束偏振光經(jīng)成像透鏡(300)會(huì)聚后，將產(chǎn)生左旋偏振分量的干涉圖像；入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)(100)準(zhǔn)直后的平行光中的右旋圓偏振分量經(jīng)雙折射分光系統(tǒng)(200)分成的兩束偏振光經(jīng)成像透鏡(300)會(huì)聚后，將產(chǎn)生右旋偏振分量的干涉圖像；圖像獲取和處理系統(tǒng)(400)同時(shí)獲取左旋和右旋圓偏振分量對(duì)應(yīng)的干涉圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，入射光準(zhǔn)直系統(tǒng)(100)由沿入射光向依次設(shè)置的物鏡(102)、視場(chǎng)光闌(103)和準(zhǔn)直鏡(104)組成；視場(chǎng)光闌(103)位于物鏡(102)的像面上，同時(shí)也是準(zhǔn)直透鏡(104)的物方焦平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，物鏡(102)是望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡或普通物鏡；當(dāng)物鏡(102)為望遠(yuǎn)物鏡時(shí)，目標(biāo)(101)位于無(wú)窮遠(yuǎn)距離；當(dāng)物鏡(102)為顯微物鏡或普通物鏡時(shí)，目標(biāo)(101)位于有限遠(yuǎn)距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，雙折射分光系統(tǒng)(200)由沿入射光向依次設(shè)置的消色差四分之一波片(201)、雙折射棱鏡對(duì)(202)、雙折射波板對(duì)(203)及偏振器(204)組成；沿入射光傳輸?shù)姆较驗(yàn)閦軸方向，垂直于z軸的豎直方向?yàn)閥軸方向，垂直于Z軸的水平方向?yàn)閄軸方向，X軸、y軸、Z軸三者符合右手螺旋定則；消色差四分之一波片(201)的快慢軸與X軸的夾角分別為±45° ;雙折射棱鏡對(duì)(202)的光軸與X軸的夾角分別為0°和90° ;雙折射波板對(duì)(203)的光軸與z軸的夾角均為45°，其中左板光軸在xy平面的投影與X軸的夾角為-45°，右板光軸在xy平面的投影與χ軸的夾角為45° ;偏振器(204)的透振方向平行于χ軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，偏振器(204)是晶體棱鏡型偏振片、二向色性偏振片或金屬線柵偏振片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，圖像獲取和處理系統(tǒng)(400)由面陣探測(cè)器(401)、連接導(dǎo)線(402)及數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)(403)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，面陣探測(cè)器(401)置于成像透鏡(300)的像方焦平面上；面陣探測(cè)器(401)是硅基CXD相機(jī)、CMOS相機(jī)或紅外焦平面陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圓偏振高光譜成像探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，圖像獲取和處理系統(tǒng)(400)對(duì)左旋和右旋圓偏振分量對(duì)應(yīng)的干涉圖像進(jìn)行傅里葉變換和圖像融合處理得到目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振組分的光譜圖像信息，兩圓偏振組分之差得到差分圓偏振光譜圖像息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可同時(shí)獲取目標(biāo)左旋和右旋圓偏振組分的高光譜圖像的探測(cè)系統(tǒng)；由沿入射光向依次設(shè)置的前置準(zhǔn)直系統(tǒng)、雙折射分束系統(tǒng)、成像透鏡、及圖像獲取和處理系統(tǒng)組成。本發(fā)明由于采用了雙通道圓偏振探測(cè)系統(tǒng)，能同時(shí)獲取目標(biāo)的左旋和右旋圓偏振分量的干涉圖；相對(duì)于只能探測(cè)單一線偏振分量的單通道偏振成像光譜儀來(lái)說(shuō)，增加了差分圓偏振光譜圖像的獲取能力；與采用旋轉(zhuǎn)部件的序列獲取技術(shù)相比，可避免抖動(dòng)噪聲；本發(fā)明可在紫外到紅外的寬波段范圍獲取目標(biāo)的圓偏振光譜圖像；在空間探測(cè)、地球遙感、機(jī)器視覺(jué)及生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01J3/447GK102879097SQ20121036114
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者穆廷魁, 張淳民 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)