CN101799327A - 无源静态三角共路干涉成像光谱全偏振探测装置 - Google Patents

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李�杰
侯洵
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Abstract

无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置，包括一前置光学远望***，前置光学远望***后配置一静态全光调制模块，静态全光调制模块后配置一赛格纳克型静态干涉成像光谱仪，赛格纳克型静态干涉成像光谱仪后配置一成像镜组，成像镜组后配置一探测器，探测器连接有信号获取与处理***；目标源发出的准直后，进行相位调制，调制后的传输光变成两束平行偏振光，这两束光经成像镜后汇聚于探测器上成像并发生干涉，探测器接收到的信号再送入经信号获取与处理***处理；本发明具有结构简单紧凑、无运动部件、光通量大、可一次性获得目标二维空间像、一维光谱信息和完整偏振信息的特点。

Description

无源静态三角共路干涉成像光谱全偏振探测装置
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，特别是一种能同时获得目标二维强度、干涉光谱和全偏振特性的三位一体无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置。
背景技术
1980s，美国空气动力实验室(JPL)提出成像光谱仪概念，将成像仪与光谱仪融合，可以同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，受到各国大力重视。20多年时间里，成像从多通道的色散型成像光谱仪，发展到高光谱的干涉型成像光谱仪，其中以赛格纳克(Sagnac)结构为代表的静态三角共路型干涉成像光谱仪具有高光谱通道、高稳定性、结构简单稳固等优点，在对地观测方面，特别是高光谱成像方面受到了重视。
然而我们注意到：光源发射的光照射到地球表面和大气中的任何目标，在辐射、反射、透射和散射光波的过程中，不仅会引起光波强度、光谱辐射特性的变化，还会引起偏振状态的变化。干涉成像光谱仪优良地解决了同时探测目标空间强度信息和光谱信息的功能，可以获得目标的二维空间信息以及物质结构和化学成分，然而无法体现表征物体属性的偏振特性。
发明内容
针对目前赛格纳克(Sagnac)型高光谱成像仪不能获取目标全偏振特性的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、无运动部件、光通量大、可一次性获得目标二维空间像、一维光谱信息和完整偏振信息的无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下装置予以实现。
无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置，包括一前置光学远望***1，前置光学远望***1后配置一静态全光调制模块2，静态全光调制模块2后配置一赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3，赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3后配置一成像镜组4，成像镜组4后配置一探测器5，探测器5连接有信号获取与处理***6。
所述的前置光学望远***1包括依次设置的前置光学***物镜组11、光阑和前置光学***像方镜组13。所述的前置光学***物镜组11是反射镜组、折反镜组或折射镜组。所述的光阑在空间调制情况下为一狭缝12，在时空混合调制情况下为一孔径光阑121。
所述的静态全光调制模块2包括一个双折射晶体组21及其后的偏振片或偏振棱镜22。
所述的赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3包括法线垂直于主光轴的与静态全光调制模块2共用的起偏器22、法线垂直于主光轴的反射面31、分光面32、法线与入射光轴有夹角的反射面33。
所述的成像镜组4选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜41及其后的一透镜组42，柱面透镜41的焦面位于后续的透镜组42上，透镜组42的焦平面位于后续光电探测器5的面上；
时空混合调制情况下，为一透镜组42，其焦平面位于后续光电探测器5的面上。
所述的探测器5为CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列。
所述的信号获取与处理***6由将探测器5接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
本发明采用双折射晶体构成的静态全光调制模块2，使得入射光的四个Stokes矢量分别得到不同调制，从而在相位上分开，以实现了全偏振特性的提取；采用Sagnac结构作为分光、干涉核心部件，通过对入射寻常光和非常光的横向剪切，实现光谱分光功能，达到高光谱分辨能力。
本发明与其它现有装置相比，其优势在于：
a)本装置实现了全偏振信息、高分辨成像、高光谱信息三位一体获取；
b)整个装置为静态结构：没有任何运动的部件，抗振能力强；
c)除探测器5与信号获取与处理***6之外，整个装置为全光结构：偏振信息和光谱信息获取的过程中无任何电光、声光或者磁光调制机构，可实现偏振信息的完全实时探测。无源结构一方面避免了电调制带来的电噪声影响，另一方面避免了电控导致的非实时性，同时还降低了信号控制与解调处理的难度；
d)整个装置光通量大、灵敏度高、分辨率高、光谱范围宽、后期信号处理简单，设计、加工、成本低，有利于推广和应用。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图2为本发明的实施例1——空间调制型装置的结构示意图。
附图3为本发明的实施例2——时空混合调制型装置的结构示意图。
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详细说明。
参照图1，无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置，包括一前置光学远望***1，前置光学远望***1后配置一静态全光调制模块2，静态全光调制模块2后配置一赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3，赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3后配置一成像镜组4，成像镜组4后配置一探测器5，探测器5连接有信号获取与处理***6。
参照图2、3，所述的前置光学望远***1位于整个装置的最前端，包括依次设置的前置光学***物镜组11、光阑和前置光学***像方镜组13，用于采集并准直目标光，并消除杂散光；所述的前置光学***物镜组11可以是反射镜组、折反镜组或折射镜组；所述的光阑在空间调制情况下为一狭缝12，在时空混合调制情况下为一孔径光阑121。
所述的静态全光调制模块2位于前置光学望远***1的后面，包括一个双折射晶体组21及其后的偏振片或偏振棱镜22，用于将准直的目标光的四个Stokes矢量光谱调制到不同频率的载波上。
所述的赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3位于静态全光调制模块2的后面，包括法线垂直于主光轴的与静态全光调制模块2共用的起偏器22、法线垂直于主光轴的反射面31、分光面32、法线与入射光轴有夹角的反射面33；它用于将前述不同波长的传输光分为两束相干光，实现光谱分光功能，达到高光谱分辨能力。
参照图2、3，所述的成像镜组4选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜41及其后的一透镜组42，柱面透镜41的焦面位于后续的透镜组42上，透镜组42的焦平面位于后续光电探测器5的面上；
时空混合调制情况下，为一透镜组42，其焦平面位于后续光电探测器5的面上。
成像镜组4用于将干涉仪出射的光聚焦到探测器上。
所述的探测器5为光电转换器，选用CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列。
探测器5用于接收成像镜4的出射光，获取目标光的图像、光谱和全部偏振信息；其输出的电信号送入后续信号获取与处理***6。
所述的信号获取与处理***6由可将探测器5接收到的信息进行傅立叶变换等处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
本发明的工作原理为：目标源发出的光通过前置光学***1聚光、准直、消杂散光后，进入静态全光偏振调制组件2，实现四个Stokes矢量的相位调制，调制后的传输光进入赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3，在内部被分成两束平行且传输方向相反的光，离开赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3时，变成在空间上被分开的两束平行偏振光，这两束光经成像镜4后汇聚于探测器5上成像并发生干涉，探测器5接收到的信号再经信号获取与处理***6处理后即可获得目标的图像、光谱和偏振信息。法线垂直于主光轴的反射面31、分光面32
图1中，1-前置光学望远***；2-静态全光调制模块；3-赛格纳克型静态干涉成像光谱仪；22-起偏器，31-法线垂直于主光轴的反射面，32-分光面，33-赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3的反射面；4-成像镜组；5-探测器；6-信号获取与处理***。
图2中，1-前置光学望远***；11-前置光学***物镜组；12-狭缝；13-前置光学***像方镜组；2-静态全光调制模块；21-双折射晶体组；23-赛格纳克静态干涉成像光谱仪；22-起偏器，31-法线垂直于主光轴的反射面；32-赛格纳克棱镜组，33-赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3的反射面；4-成像镜组；41-柱面透镜；42-成像透镜；5-探测器；6-信号获取与处理***。
图3中，1-前置光学望远***；11-前置光学***物镜组；121-孔径光阑；13-前置光学***像方镜组；2-静态全光调制模块；21-双折射晶体组；22-偏振片或偏振棱镜；3-赛格纳克型静态干涉成像光谱仪；22-起偏器，31-法线垂直于主光轴的反射面，32-分光面，33-赛格纳克型静态干涉成像光谱仪3的反射面；4-成像镜组；5-探测器；6-信号获取与处理***。

Claims (9)

1.无源静态三角共路型干涉成像光谱全偏振探测装置，其特征在于：包括一前置光学远望***(1)，前置光学远望***(1)后配置一静态全光调制模块(2)，静态全光调制模块(2)后配置一赛格纳克型静态干涉成像光谱仪(3)，赛格纳克型静态干涉成像光谱仪(3)后配置一成像镜组(4)，成像镜组(4)后配置一探测器(5)，探测器(5)连接有信号获取与处理***(6)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的前置光学望远***(1)包括依次设置的前置光学***物镜组(11)、光阑和前置光学***像方镜组(13)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的前置光学***物镜组(11)是反射镜组、折反镜组或折射镜组。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的光阑在空间调制情况下为一狭缝(12)，在时空混合调制情况下为一孔径光阑(121)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的静态全光调制模块(2)包括一个双折射晶体组(21)及其后的偏振片或偏振棱镜(22)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的静态三角共路干涉成像光谱仪为赛格纳克型静态干涉成像光谱仪(3)包括法线垂直于主光轴的与静态全光调制模块(2)共用的起偏器(22)、法线垂直于主光轴的反射面(31)、分光面(32)、法线与入射光轴有夹角的反射面(33)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的成像镜组(4)选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜(41)及其后的一透镜组(42)，柱面透镜(41)的焦面位于后续的透镜组(42)上，透镜组(42)的焦平面位于后续光电探测器(5)的面上；
时空混合调制情况下，为一透镜组(42)，其焦平面位于后续光电探测器(5)的面上。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的探测器(5)为CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的信号获取与处理***(6)由将探测器(5)接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
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