CN105675134B - 基于flc的高光谱全偏振成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置和方法，沿光路方向依次放置前置成像物镜、光阑、准直物镜、偏振调制***、Sagnac干涉器、后置成像物镜及探测器。方法步骤为：第一步，入射光经前置成像物镜、准直物镜后，以准直光束的形式进入偏振调制***；第二步，光束经过偏振调制***，获得四幅干涉图像，并进入Sagnac干涉器；第三步，经Sagnac干涉器进行干涉；第四步，光束入射至后置成像物镜，并成像在探测器靶面上，第五步，在探测器的靶面上获取物点的干涉光强信息，并对干涉光强信息进行处理，得到目标各点的光谱信息及全偏振信息。本发明具有高光通量、高光谱分辨率、高目标分辨率、快速调制及同时获取光谱信息和全偏振信息等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学目标探测领域，具体涉及一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置和方法。
背景技术
成像光谱技术和偏振成像技术是空间成像技术与光谱分析及偏振测量技术的有机结合，是近年发展起来的新型光学遥感探测技术。
成像光谱技术获取目标的二维空间信息和一维光谱信息。地表、海洋和天空中的任何物体在反射、透射和辐射光波的过程中都会表现出不同的光谱特性，对这些特征光谱进行分析，可识别出目标的种类、材质及物质组成。干涉成像光谱技术主要包括时间调制型、空间调制型和时空联合调制型三大类。其中，时空联合调制型技术是光谱成像领域中发展非常活跃的光谱探测技术。它通过在无限远成像***中加入横向剪切分束器引入探测目标的干涉信息，利用傅里叶变换反演处理得到探测目标的二维空间光强信息和各点光谱信息，与时间调制型干涉成像光谱仪相比，像面干涉成像光谱仪内部可以去掉推扫运动部件，具有结构紧凑、稳定性能高的特点；与空间调制型干涉成像光谱仪相比，它没有狭缝的限制，具有高光通量、高空间分辨率的优点。
利用偏振成像技术获取目标的二维空间信息和偏振信息，偏振信息为独立于光强度和光谱的信息，它能反映目标形貌取向、表面粗糙度、致密度、电导率、含水量等材料理化特征，不同的物体由于其表面特征不同，偏振度会有很大的差异。通过这些差异可增强图像的对比度，也能用于物质的分类与识别。美国学者Pezzaniti和Chenault提出一种基于孔径分割思想的偏振成像技术，可以在探测器靶面上形成四个视场相同、偏振态不同的目标场景图像，这种方案受限于探测器靶面的大小，降低了***的空间分辨率。Goldstein提出一种分时调制的偏振探测转置，通过旋转相位延迟器的光轴方向，改变***穆勒调制矩阵，最后解调出探测目标的偏振信息。该***需要动态调制，无法实现偏振信息的快速探测。孟鑫等人提出的高光谱全偏振傅里叶成像光谱仪，通过使用一个波片和一个线偏振实现偏振调制，由于***要旋转波片和线偏振片，单次测量不能同时获取四个stokes矢量的偏振信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置和方法，通过采用两个铁电液晶进行偏振调制，即可实现高光谱分辨率、高通量，同时单次测量即能获取全偏振信息，实现了对目标高分辨的光谱和偏振的同时探测。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、偏振调制***、Sagnac干涉器、后置成像物镜和探测器；前置成像物镜的成像面与准直物镜的前焦面重合，光阑位于前置成像物镜的成像面上；偏振调制***包括沿光路依次设置的第一铁电液晶、第一相位延迟片、第二铁电液晶、第二相位延迟片和线偏振器，第一铁电液晶、第一相位延迟片、第二铁电液晶和第二相位延迟片的快轴及线偏振器的透光轴均位于与光路垂直的平面上；探测器(7)的靶面位于后置成像物镜的像面位置。
一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，方法步骤如下：
步骤一：来自目标各点的光进入前置成像物镜，通过光阑限制前置成像物镜的像面形状和尺寸，消除杂散光，再由准直物镜准直，出射平行光束；光阑位于前置成像物镜的成像面处，准直物镜的物方焦平面与前置成像物镜的像面重合。
步骤二：从准直物镜出射的光束进入偏振调制***，光束依次通过第一铁电液晶、第一相位延迟片、第二铁电液晶、第二相位延迟片和线偏振器；第一铁电液晶、第二铁电液晶在电压的控制下，快轴角度发生0o和45o切换，第一铁电液晶、第二铁电液晶组合后共有四组快轴角度变化的形式；当偏振调制***每进行一步干涉扫描时，每个铁电液晶的快轴角度改变两次，即每步干涉扫描时入射光经过四组快轴角度状态的调制，并获得四幅干涉图像。
步骤三：经过偏振调制后的光束进入Sagnac干涉器，Sagnac干涉器包括分束镜、第一反射镜和第二反射镜，光线经过分束镜分为反射光和透射光，反射光依次经过第一反射镜和第二反射镜，再经分束镜反射后出射至后置成像物镜；透射光依次经过第二反射镜和第一反射镜后，再经分束镜透射后出射至后置成像物镜。
步骤四：由Sagnac干涉器出射的光束，经后置成像物镜后成像在探测器上。
步骤五：每个物点经过偏振调制***和Sagnac干涉器调制后形成的像点成像在探测器对应的象元上，在探测器的靶面上获取物点的干涉光强信息，并对干涉光强信息进行处理，得到目标各点的光谱信息及全偏振信息。
上述步骤五中，对干涉光强信息进行处理，具体方法如下：
通过采用内置扫描或者***整体扫描的方式对探测目标进行推扫，获取目标各点不同光程差下的干涉信息的目标干涉图像，并转化为电信号，对获取的电信号提取目标各点不同光程差下的干涉数据，提取各stokes偏振矢量下的干涉数据，对其进行傅里叶变换，从而获取目标各点的光谱信息及全偏振信息。
上述采用内置扫描方式具体步骤为：转动Sagnac干涉器，旋转轴经过分束镜中心，平行于y轴。
上述整体扫描方式具体步骤为：平移或旋转整个基于FLC的高光谱全偏振成像装置。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.采用画幅式干涉成像的方式，可以提高光通量和复原图谱信噪比。同时，由于没有像面狭缝结构，能够实现更高的空间分辨率；
2.***采用铁电液晶（FLC）进行偏振调制，调制速度更快，单次测量即可实现同时探测目标的光谱和偏振信息。
附图说明
图1为基于FLC的高光谱全偏振成像光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明所述的一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、偏振调制***4、Sagnac干涉器5、后置成像物镜6和探测器7；前置成像物镜1的成像面与准直物镜3的前焦面重合，且在前置成像物镜1的成像面上放置光阑2；探测器7的靶面位于后置成像物镜6的像面位置；其中偏振调制***包括沿光路依次放置的第一铁电液晶41、第一相位延迟片42、第二铁电液晶43、第二相位延迟片44和线偏振器45；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
光路走向如下：探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3后，进入由第一铁电液晶41、第一相位延迟片42、第二铁电液晶43、第二相位延迟片44和线偏振器45组成的偏振调制***4，光束经偏振调制***4相位调制后，进入Sagnac干涉器5进行干涉调制，经干涉偏振调制后由后置成像物镜6成像在探测器7上，每一个物点成像在对应的像元上；通过内置扫描或者整体扫描，可以获取目标各点不同光程差下携带有干涉偏振信息的目标图像。
一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，方法步骤如下：
步骤一：来自目标各点的光进入前置成像物镜1，通过光阑2限制前置成像物镜1的像面形状和尺寸，消除杂散光，再由准直物镜3准直，出射平行光束。视场光阑2位于前置成像物镜的像面处，准直物镜3的物方焦平面与前置成像物镜1的像面重合。
步骤二：从准直物镜3出射的光束进入偏振调制***4，光束依次通过第一铁电液晶41、第一相位延迟片42、第二铁电液晶43、第二相位延迟片44和线偏振器45。第一铁电液晶41和第二铁电液晶43在输入电压的控制下，快轴的角度变化只有0º和45º两种状态，两个铁电液晶组合起来共有四组快轴角度变化的形式；当***每进行一步干涉扫描时，每个铁电液晶的快轴角度改变两次，即每步干涉扫描时入射光经过四组快轴角度状态的调制，并获得四幅干涉图像；经过***的干涉扫描后得到四个对应于不同快轴角度组合的干涉图像序列；对每个干涉图像序列中的每个像素位置，依次提取每帧图像相同位置上的图像数据，得到一个完整的干涉信号数据，对该干涉信号数据进行光谱复原处理即可得到该像素位置的光谱信息，再由四组光谱信息获得该像素位置处的在每个斯托克斯分量上的光谱信息。
步骤三：经过偏振调制后的光束进入Sagnac干涉器5，Sagnac干涉器5包括分束镜51、第一反射镜52和第二反射镜53，光线经过分束镜51分为反射光和透射光，反射光依次经过第一反射镜52和第二反射镜53，再经分束镜51反射后出射至后置成像物镜6；透射光依次经过第二反射镜53和第一反射镜52后，再经分束镜51透射后出射至后置成像物镜6。
步骤四：由Sagnac干涉器出射的光束，经后置成像物镜6后成像在探测器7上。
步骤五：每个物点经过干涉偏振调制***调制后形成的像点成像在探测器7对应的象元上面，在探测器7靶面上可以获取物点的干涉光强信息；通过采用内置扫描或者***整体扫描的方式对探测目标进行推扫，获取目标各点不同光程差下的干涉信息的目标干涉图像，并转化为电信号；对获取的电信号提取目标各点不同光程差下的干涉数据，再对干涉数据进行处理，提取各stokes偏振矢量下的干涉数据，对其进行傅里叶变换，从而获取目标各点的光谱信息及全偏振信息。
上述采用内置扫描方式具体步骤为：转动Sagnac干涉器5，旋转轴经过分束镜51中心，平行于y轴。
上述整体扫描方式具体步骤为：平移或旋转整个基于FLC的高光谱全偏振成像装置。
本发明的基于FLC的高光谱全偏振成像装置采用画幅式干涉成像的方式，可以提高光通量和复原图谱信噪比。同时，由于没有像面狭缝结构，能够实现更高的空间分辨率；***采用FLC进行偏振调制，调制速度更快，单次测量即可实现光谱偏振信息同时探测。
Claims (5)
1.一种基于FLC的高光谱全偏振成像装置，其特征在于：包括沿光路方向依次放置的前置成像物镜（1）、光阑（2）、准直物镜（3）、偏振调制***（4）、Sagnac干涉器（5）、后置成像物镜（6）和探测器（7）；前置成像物镜（1）的成像面与准直物镜（3）的前焦面重合，光阑（2）位于前置成像物镜（1）的成像面上；偏振调制***（4）包括沿光路依次设置的第一铁电液晶（41）、第一相位延迟片（42）、第二铁电液晶（43）、第二相位延迟片（44）和线偏振器（45），第一铁电液晶（41）、第一相位延迟片（42）、第二铁电液晶（43）和第二相位延迟片（44）的快轴及线偏振器（45）的透光轴均位于与光路垂直的平面上；探测器(7)的靶面位于后置成像物镜（6）的像面位置。
2.基于权利要求1所述的基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤一：来自目标各点的光进入前置成像物镜（1），通过光阑（2）限制前置成像物镜（1）的像面形状和尺寸，消除杂散光，再由准直物镜（3）准直，出射平行光束；光阑（2）位于前置成像物镜（1）的成像面处，准直物镜（3）的物方焦平面与前置成像物镜（1）的像面重合；
步骤二：从准直物镜（3）出射的光束进入偏振调制***（4），光束依次通过第一铁电液晶（41）、第一相位延迟片（42）、第二铁电液晶（43）、第二相位延迟片（44）和线偏振器（45）；第一铁电液晶（41）、第二铁电液晶（43）在电压的控制下，快轴角度发生0o和45o切换，第一铁电液晶（41）、第二铁电液晶（43）组合后共有四组快轴角度变化的形式；当偏振调制***（4）每进行一步干涉扫描时，每个铁电液晶的快轴角度改变两次，即每步干涉扫描时入射光经过四组快轴角度状态的调制，并获得四幅干涉图像；
步骤三：经过偏振调制后的光束进入Sagnac干涉器（5），Sagnac干涉器（5）包括分束镜（51）、第一反射镜（52）和第二反射镜（53），光线经过分束镜（51）分为反射光和透射光，反射光依次经过第一反射镜（52）和第二反射镜（53），再经分束镜（51）反射后出射至后置成像物镜（6）；透射光依次经过第二反射镜（53）和第一反射镜（52）后，再经分束镜（51）透射后出射至后置成像物镜（6）；
步骤四：由Sagnac干涉器（5）出射的光束，经后置成像物镜（6）后成像在探测器（7）上；
步骤五：每个物点经过偏振调制***（4）和Sagnac干涉器（5）调制后形成的像点成像在探测器（7）对应的象元上，在探测器（7）的靶面上获取物点的干涉光强信息，并对干涉光强信息进行处理，得到目标各点的光谱信息及全偏振信息。
3.根据权利要求2所述的基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于：上述步骤五中，对干涉光强信息进行处理，具体方法如下：
通过采用内置扫描或者***整体扫描的方式对探测目标进行推扫，获取目标各点不同光程差下的干涉信息的目标干涉图像，并转化为电信号，对获取的电信号提取目标各点不同光程差下的干涉数据，提取各stokes偏振矢量下的干涉数据，对其进行傅里叶变换，从而获取目标各点的光谱信息及全偏振信息。
4.根据权利要求3所述的基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于，上述采用内置扫描方式具体步骤为：转动Sagnac干涉器（5），旋转轴经过分束镜（51）中心，旋转轴方向垂直于纸面所在平面。
5.根据权利要求3所述的基于FLC的高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于，上述整体扫描方式具体步骤为：平移或旋转整个基于FLC的高光谱全偏振成像装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170922 Termination date: 20220201 |