CN101046409A - 静态双折射偏振干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

静态双折射偏振干涉成像光谱仪，由沿入射光向同轴依次设置的前置望远***、偏振干涉仪、成像镜组、面阵探测器以及与面阵探测器输出端联接的计算机信号处理***组成。偏振干涉仪由沿***光轴同轴依次设置的起偏器、萨瓦偏光镜和检偏器组成。萨瓦偏光镜包括两块光轴相互垂直且各与***光轴成45°角的等厚天然单轴负晶萨瓦板，起偏器和检偏器均由两块有空气隙的劈形天然单轴负晶体格兰泰勒棱镜组成，探测器的信号输出端外接至计算机信号处理***。本发明采用萨瓦偏光镜作为横向剪切分束器，具有无限远目标，直线光路，结构简单，高稳定度，高信噪比，高分辨率，可同时获取物体形影图像、光谱、偏振信息和对远距离目标及微弱信号探测能力强等诸多优点。

Description

静态双折射偏振干涉成像光谱仪

技术领域

本发明属于光学成像光谱仪器技术领域，涉及一种可用于同时获取目标二维形影图像、一维光谱和偏振信息的遥感干涉成像光谱仪。

背景技术

普通概念中的成像仪、光谱仪和偏振仪分属于三类不同的光学仪器。利用成像仪器可以获得目标的形影图像，即目标的二维空间信息；利用光谱仪器可以获得目标的光谱从而得出物质的结构及化学组成；利用偏振仪则可以获得目标的偏振信息进而获知物体的属性。在历史上，这三类仪器是独立发展起来的。20世纪80年代后期，国际上出现了干涉成像光谱仪，它是当今成像仪和光谱仪的有机结合。由于它具有成像仪和光谱仪的双重功能，可同时获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，因而在空间遥感、信息获取、科学研究、国民经济建设以及国家安全等诸方面都具有极其重要的应用价值，显示出越来越广阔的应用前景。譬如在军事领域，它可用于星载(或机载)对地观测地表及隐蔽的军事目标、空间探测、高层大气测量等；而在民用领域可用于天文及地球物理研究、资源普查、环境监测、病虫害预报、防灾赈灾、土壤碱化和沙化防治、森林植被保护、农作物估产、大气微量元素及风场探测、教学仪器等方面。

迄今为止，成像光谱仪的发展已经历了滤光片型、色散型和干涉型等重要阶段。色散型成像光谱仪原理结构简单，技术工艺成熟，但其原理结构上的缺陷使之在灵敏度方面的提高已不可能再有量级上的突破。干涉型成像光谱仪又分为基于迈克耳逊干涉仪的时间调制型和基于变型Sagnac干涉仪的空间调制型两大类，它们在原理上较色散型成像光谱仪的通量要高出两个数量级。由于空间调制干涉成像光谱仪克服了时间调制干涉成像光谱仪需要高精度动镜驱动***和实时性不好两大缺点，因而其使用波段更宽，稳定性更好，具有潜在的高通量的优点。但空间调制成像光谱仪存在的主要缺点是装置中均含有与光谱分辨率无关的由空间分辨率所决定的狭缝，致使进入***的能量受到了极大的限制。此外，由于这类成像光谱仪大多是建立在Sagnac干涉仪基础上的，斜光路，体积较大，且又经多次反射、折射，能量损失大。1996年，美国华盛顿大学研制了数字阵列扫描干涉光谱仪(DASI)，它仍属于空间调制型的偏振干涉成像光谱仪，该成像光谱仪采用Wollaston棱镜，角剪切，近距离目标，但其最大缺点一方面是由于仪器中含有由空间分辨率所决定的狭缝，能量利用率太低，对远距离目标及微弱信号探测能力差；另一方面是其远场条纹为双曲线，不利于光谱复原和图像合成。为克服上述现有技术存在的不足，本发明设计人曾在2001年提出一种名称为“超小型稳态偏振干涉成像光谱仪”的实验装置，该装置为无限远目标，具有多光谱通道、高信噪比、体积小和可超小型化制作等优点。但由于该装置的偏振干涉仪中采用二偏振片作为起偏器和检偏器(分析器)，在实际工作中存在偏振度低、消光比差及能量通过率与波长有关等缺点。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种光路简捷、结构简单的静态双折射偏振干涉成像光谱仪。

用于实现上述发明目的的技术解决方案如下：所提供的偏振干涉成像光谱仪由沿入射光向同轴依次设置的前置望远***、偏振干涉仪、成像镜组、面阵探测器(CCD)以及与面阵探测器输出端联接的计算机信号处理***组成。其中的偏振干涉仪由沿***光轴同轴依次设置的格兰泰勒偏光棱镜起偏器、萨瓦偏光镜和格兰泰勒偏光棱镜检偏器(分析器)组成。工作中，由目标发出的辐射光经前置望远***进行收集、准直后进入起偏器，通过萨瓦偏光镜将由起偏器射出的一束线偏振光横向剪切为两束出射方向平行于入射光束且振动方向相互垂直和有一定间距(横向剪切量)的二束线偏振光，二线偏振光经检偏器后变为沿检偏器偏振化方向振动的线偏振光，二光经成像镜组汇聚于探测器上发生干涉，由于该装置在原理上同时具有成像仪(相机)功能，故可由面阵探测器同时获得目标的形影图像、干涉图和偏振信息，再经计算机信号处理***后获得目标的光谱信息，最后通过多光谱合成还可重构目标彩色图像。

本发明偏振干涉仪中的萨瓦偏光镜由两块厚度相同且毗挨设置的天然单轴负晶萨瓦板组成，其光轴相互垂直且分别与***光轴成45°角，起偏器和检偏器—格兰泰勒棱镜均由中间为空气隙的两块劈形天然单轴负晶体组成，它们的光轴平行且位于晶体纵剖面内。为了使通量和剪切量最大，在***设计中，格兰泰勒棱镜光轴取向与竖轴(X轴)及横轴(Y轴)正向均成45°角，面阵探测器的信号输出端通过联接线与计算机信号处理***的信号获取输入端联接。

本发明所述的偏振干涉成像光谱仪属于时空混合调制模式，其工作原理是在普通成像***中加入了横向剪切分束器，采用双折射晶体(萨瓦偏光镜)将一束光横向剪切为两束平行光束，经成像镜后在探测器像面上直接得到目标的二维形影图像。依靠视场角的变化来调制光程差，随着仪器的推扫(与目标的相对运动)得到目标的完整干涉图。干涉图再经计算机信息图像处理***后即可获得目标的光谱，多光谱合成又可重构物体彩色图像，同时还可获取目标的偏振信息。

本发明与传统的光谱仪、成像光谱仪以及当今国际上研制的空间调制型干涉成像光谱仪和DASI相比，其不同点及重大创新如下：一、装置中无狭缝，其通量较色散型干涉成像光谱仪高2个数量级以上，较空间调制型和DASI高N/2倍以上(N为本发明所述偏振干涉成像光谱仪中视场光阑宽度与DASI的狭缝宽度之比，N值一般在1～2个数量级)；二、由于采用天然方解石研制的格兰泰勒棱镜作为起偏器和检偏器，代替了传统偏振型中的人工合成的偏振片，其消光比可达到10^-5的数量级，偏振度几乎为1，较本发明设计人2001年提出的“超小型稳态偏振干涉成像光谱仪”的消光比(10^-3)高出两个数量级；格兰泰勒棱镜工作波段宽，从近紫外到近红外(0.2um～2.5um)透过率均非常高(目前人工合成的偏振片在可见光范围内的透光波段一般为0.45～0.7um和0.7～0.9um，波段范围窄且在每一通光波段内对不同波长光的透过率不同)；本发明的适用波长范围为0.48～0.96um，若采用偏振片，则需进行更换，这对研制和使用极为不便，对实时探测也会造成极大困难；三、采用了萨瓦偏光镜作为横向剪切分束器，直线光路，反射损失小，透射率高；较基于变型Sagnac干涉仪的空间调制型和DASI斜光路体积小、重量轻。本发明光学部分尺寸长度仅为30厘米，直径仅为3.5厘米；四、本发明中无运动部件，从而具有高稳定度；五、利用偏振光的干涉，可获得目标的偏振信息，从而较目前国际上所研制的各类成像光谱仪多了一种信息获取手段。

该偏振干涉成像光谱仪为无限远目标，具有超小型、高稳定度、高信噪比，多光谱通道，高分辨率等显著优点，已被正式列为国家自然科学基金重点项目“40537031”研究课题。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为图1中偏振干涉仪部分的结构示意图。

图3为本发明用于模拟卫星探测的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图，该偏振干涉成像光谱仪的结构包括前置望远***1、偏振干涉仪2、成像镜组3、面阵探测器4和计算机信息图像处理***5等部分。面阵探测器4的信号输出端通过联接线与计算机信号处理***的信号输入端联接。

前置望远***1由一组透镜组成，其主要作用是将目标发出的辐射进行收集、准直和减少杂散光。

偏振干涉仪2的结构如图2所示，包括起偏器21、萨瓦偏光镜、检偏器(分析器)24三部分。萨瓦偏光镜由两块厚度相同的天然单轴负晶萨瓦板22和23组成，两块萨瓦板的光轴均与***光轴(图中Z轴)成45°角，其中左萨瓦板22光轴在纸平面(XZ平面)内且与X、Z轴正向成45°角，右萨瓦板23光轴在水平面(YZ平面)内且与Y、Z轴正向成45°角，二板光轴在空间相互垂直。起偏器21和检偏器24均为格兰泰勒棱镜，该棱镜包括两块天然单轴负晶体，它们的光轴平行并在同一平面内，与X、Y轴正向成45°角，这样可使剪切量最大。萨瓦偏光镜的作用是将由起偏器21射出的一束线偏振光横向剪切为两束出射方向平行于入射光束且振动方向相互垂直和有一定间距(剪切量d)的二线偏振光eo、oe，二线偏振光经检偏器24后变为沿检偏器24偏振化方向振动的线偏振光。

成像镜组3的作用是将目标辐射(eo、oe光)收集到位于其焦面的探测器4上，二光在此处发生干涉并形成干涉图(条纹)。干涉条纹与剪切方向垂直，光程差与剪切量d以及探测器尺寸成正比，与成像镜焦距成反比，光程差越大，光谱分辨率越高。

面阵探测器4为干涉信号接收器，在仪器相对于目标推扫(运动)时，即可在CCD探测器上直接获得目标的形影图像(二维空间信息)、干涉图和偏振信息。再由计算机数据信号处理***5把从探测器4获取的干涉图信号进行数字化处理后，最终得出目标的光谱信息，光谱合成还可重构目标的彩色图像。

在图3所描述的模拟卫星推扫探测中，干涉成像光谱仪I中前置望远***将目标0辐射的光线收集和准直，偏振干涉仪将一束光横向剪切为相互平行且振动方向一致的两束线偏振光，成像镜组将光线会聚在其焦面的探测器4上，最后经信息处理***即可得到目标的光谱信息、多光谱图像和偏振信息。

Claims (2)

1、一种静态双折射偏振干涉成像光谱仪，其特征在于它由沿入射光向同轴依次设置的前置望远***(1)、偏振干涉仪(2)、成像镜组(3)、面阵探测器(4)以及与面阵探测器(4)输出端联接的计算机信号处理***(5)组成。其中：所说的偏振干涉仪(2)由沿***光轴同轴依次设置的格兰泰勒偏光棱镜起偏器(21)、萨瓦偏光镜(22、23)和格兰泰勒偏光棱镜检偏器(24)组成。由目标发出的辐射光经前置望远***(1)进行收集、准直后进入起偏器(21)，通过萨瓦偏光镜将由起偏器(21)射出的一束线偏振光横向剪切为两束出射方向平行于入射光束、且振动方向相互垂直和有一定间距的二束线偏振光，二线偏振光经检偏器(24)后变为沿检偏器(24)偏振化方向振动的线偏振光，二光经成像镜组(3)汇聚于面阵探测器(4)上发生干涉，进而由面阵探测器(4)同时获得目标的形影图像、干涉图和偏振信息，再经计算机信号处理***(5)后获得目标的光谱信息，通过多光谱合成还可重构目标彩色图像。

2、根据权利要求1所述的静态双折射偏振干涉成像光谱仪，其特征在于偏振干涉仪中的萨瓦偏光镜由两块厚度相同且毗挨设置的天然单轴负晶萨瓦板(22、23)组成，其光轴相互垂直且分别与***光轴成45°角，起偏器和检偏器(21、24)均由中间为空气隙的两块劈形天然单轴负晶体组成，它们的光轴平行且位于晶体纵剖面内，光轴取向与竖轴及横轴正向均成45°角，面阵探测器(4)的信号输出端通过联接线与计算机信号处理***(5)的信号获取输入端联接。

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