CN106352984B - 光谱偏振图像投影装置及其投影方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱偏振图像投影装置及其投影方法，包括光谱引擎、空间引擎和偏振引擎。光谱引擎包括沿光路依次设置光源、第一成像物镜、光阑、第一准直物镜、光栅、第二成像物镜、第一数字微镜器件、第一反射镜和第二反射镜。空间引擎包括沿光路依次设置匀束器、第二准直物镜、第三反射镜、第二数字微镜器件、第四反射镜和第三成像物镜。偏振引擎包括沿光路依次设置偏振片、第一分光棱镜、第一硅基液晶空间光调制器、第二分光棱镜、第二硅基液晶空间光调制器、第四成像物镜和探测器。本发明获得的投影图像具有连续光谱，可以模拟现实中带有光谱和偏振信息的场景；并引入硅基液晶空间光调制器、分光棱镜等器件，可获得模拟目标全斯托克斯偏振信息图像。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器领域，具体涉及一种光谱偏振图像投影装置及其投影方法。
背景技术
高光谱图像投影仪是近年新发展起来的一种高光谱目标生成技术，该技术的提出为高光谱成像仪检测、评估及非线性校准提供了一种经济、实用及有效的解决途径。高光谱图像投影仪通过空间光调制技术构建出每个像素光谱随机组合的高光谱图像用于模拟真实场景，通过被检光谱仪和基准光谱仪对同一模拟图像的高光谱探测数据分析实现其功能。
近年来，国内外对该类技术进行了研究。其中，基于数字微镜器件、色散棱镜的高光谱图像投影装置，该装置投影的场景图像可以模拟真实的目标环境，并排除外部环境的干扰，降低实景校准的成本，但是获得的光谱图像中并没有融入偏振信息，对高光谱成像仪的测试评估能力有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光谱偏振图像投影装置及其投影方法，解决了获取目标图像的光谱信息和偏振信息，对光谱成像***进行验证评估的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种光谱偏振图像投影装置，包括依次设置的光谱引擎、空间引擎和偏振引擎，其中光谱引擎包括沿光路依次设置的光源、第一成像物镜、光阑、第一准直物镜、光栅、第二成像物镜、第一数字微镜器件、第一反射镜和第二反射镜，空间引擎包括沿光路依次设置的匀束器、第二准直物镜、第三反射镜、第二数字微镜器件、第四反射镜和第三成像物镜；偏振引擎包括沿光路依次设置的偏振片、第一分光棱镜、第一硅基液晶空间光调制器、第二分光棱镜、第二硅基液晶空间光调制器、第四成像物镜和探测器。
所述光谱引擎中，共光轴依次设置光源、第一成像物镜、光阑、第一准直物镜和光栅，第二成像物镜和第一数字微镜器件依次设置在光栅的反射光路上，第一反射镜位于第一数字微镜器件的反射光路，第二反射镜位于第一反射镜的反射光路，空间引擎位于第二反射镜的反射光路。
所述空间引擎中，共光轴依次设置匀束器、第二准直物镜和第三反射镜，匀束器位于第二反射镜的反射光路上，第二数字微镜器件位于第三反射镜的反射光路上，第四反射镜位于第二数字微镜器件的反射光路上，第三成像物镜位于第四反射镜的反射光路上，偏振引擎位于第三成像物镜后方。
所述偏振引擎中，共光轴依次设置偏振片和第一分光棱镜，偏振片位于第三成像物镜后方，第一硅基液晶空间光调制器位于第一分光棱镜的反射光路上，第二分光棱镜位于第一分光棱镜的透射光路上，第二硅基液晶空间光调制器位于第二分光棱镜的反射光路上，第四成像物镜和探测器依次设置在第二分光棱镜的透射光路上。
基于光谱偏振图像投影装置的投影方法，方法步骤如下：
步骤1、来自光源的入射光束通过第一成像物镜成像在其像面上，经光阑后入射至准直物镜，形成准直光束，以准直光束形式入射到光栅发生色散。
步骤2、色散后的光束经过第二成像物镜入射到第一数字微镜器件，通过电脑传送到第一数字微镜器件的一维光谱信号则控制其微镜的偏转方向，一部分微镜顺时针旋转12°并将实验所需的光束反射到第一反射镜，经第一反射镜反射至第二反射镜，并进入空间引擎，另部分微镜逆时针旋转12°反射其余光束。
步骤3、上述实验所需的光束进入空间引擎的匀束器，并经过第二准直物镜形成准直光束。
步骤4、经过第三反射镜的反射到第二数字微镜器件；通过电脑传送到第二数字微镜器件的二维图像信号控制微镜的旋转并反射实验所需的光束到第四反射镜，经第四反射镜反射到第三成像物镜，并进入偏振引擎。
步骤5、实验所需的光束通过偏振引擎的偏振片，形成偏振光束，经过第一分光棱镜的反射后垂直入射到第一硅基液晶空间光调制器成像并反射，经第一分光棱镜透射到第二分光棱镜，经第二分光棱镜反射至第二硅基液晶空间光调制器，第二硅基液晶空间光调制器成像并反射经第二分光棱镜透射至第四成像物镜后被探测器接收图像。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)引入硅基液晶空间光调制器、分光棱镜等器件，能获得目标的偏振信息。
(2)获得的投影图像具有连续光谱，可以模拟现实中带有光谱和偏振信息的场景。
附图说明
图1为本发明的光谱偏振图像投影装置的结构示意图。
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1，一种光谱偏振图像投影装置，包括依次设置的光谱引擎、空间引擎和偏振引擎，其中光谱引擎包括沿光路依次设置的光源1、第一成像物镜2、光阑3、第一准直物镜4、光栅5、第二成像物镜6、第一数字微镜器件7、第一反射镜8和第二反射镜9，空间引擎包括沿光路依次设置的匀束器10、第二准直物镜11、第三反射镜12、第二数字微镜器件13、第四反射镜14和第三成像物镜15；偏振引擎包括沿光路依次设置的偏振片16、第一分光棱镜17、第一硅基液晶空间光调制器18、第二分光棱镜19、第二硅基液晶空间光调制器20、第四成像物镜21和探测器22。
所述光谱引擎中，共光轴依次设置光源1、第一成像物镜2、光阑3、第一准直物镜4和光栅5，第二成像物镜6和第一数字微镜器件7依次设置在光栅5的反射光路上，第一反射镜8位于第一数字微镜器件7的反射光路，第二反射镜9位于第一反射镜8的反射光路，空间引擎位于第二反射镜9的反射光路。
所述空间引擎中，共光轴依次设置匀束器10、第二准直物镜11和第三反射镜12，匀束器10位于第二反射镜9的反射光路上，第二数字微镜器件13位于第三反射镜12的反射光路上，第四反射镜14位于第二数字微镜器件13的反射光路上，第三成像物镜15位于第四反射镜14的反射光路上，偏振引擎位于第三成像物镜15后方。
所述偏振引擎中，共光轴依次设置偏振片16和第一分光棱镜17，偏振片16位于第三成像物镜15后方，第一硅基液晶空间光调制器18位于第一分光棱镜17的反射光路上，第二分光棱镜19位于第一分光棱镜17的透射光路上，第二硅基液晶空间光调制器20位于第二分光棱镜19的反射光路上，第四成像物镜21和探测器22依次设置在第二分光棱镜19的透射光路上。
基于光谱偏振图像投影装置的投影方法，方法步骤如下：
步骤1、来自光源1的入射光束通过第一成像物镜2成像在其像面上，经光阑3后入射至准直物镜4，形成准直光束，以准直光束形式入射到光栅5发生色散。
步骤2、色散后的光束经过第二成像物镜6入射到第一数字微镜器件7，通过电脑传送到第一数字微镜器件7的一维光谱信号则控制其微镜的偏转方向，一部分微镜顺时针旋转12°并将实验所需的光束反射到第一反射镜8，经第一反射镜8反射至第二反射镜9，并进入空间引擎，另部分微镜逆时针旋转12°反射其余光束。
步骤3、上述实验所需的光束进入空间引擎的匀束器10，并经过第二准直物镜11形成准直光束。
步骤4、经过第三反射镜12的反射到第二数字微镜器件13；通过电脑传送到第二数字微镜器件13的二维图像信号控制微镜的旋转并反射实验所需的光束到第四反射镜14，经第四反射镜14反射到第三成像物镜15，并进入偏振引擎。
步骤5、实验所需的光束通过偏振引擎的偏振片16，形成偏振光束，经过第一分光棱镜17的反射后垂直入射到第一硅基液晶空间光调制器18成像并反射，经第一分光棱镜17透射到第二分光棱镜19，经第二分光棱镜19反射至第二硅基液晶空间光调制器20，第二硅基液晶空间光调制器20成像并反射经第二分光棱镜19透射至第四成像物镜21后被探测器22接收图像。
光束依次经过偏振片16和两个硅基液晶空间光调制器，当这两种硅基液晶空间光调制器的玻片的相位延迟量发生变化，可获得六种偏振态的光束，这六种偏振态分别为线偏振态(水平)、线偏振态(垂直)、+45°偏振态、-45°偏振态、右旋圆偏振、左旋圆偏振。
六种偏振状态光束获取方式：Sout＝M·Sin
Sout为出射光的stokes矢量，Sin为入射光的stokes矢量，M为***矩阵。
入射光束依次经过偏振片16和两个硅基液晶空间光调制器，其中偏振片16的透光轴与参考轴的夹角为0°，其穆勒矩阵MLP(0°)为：
第一硅基液晶空间光调制器18的玻片快轴与参考轴的夹角为45°，玻片的相位延迟量δ1∈[0°，270°]，其穆勒矩阵MR(45°，δ1)如下：
第二硅基液晶空间光调制器20的玻片快轴与参考轴夹角为22.5°，玻片的相位延迟量δ2∈[0°，180°]，穆勒矩阵MR(22.5°，δ2)为：
玻片相位延迟量与输出光stokes矢量关系如下表：
| 输出光stokes矢量 | 两波片的相位延迟量 |
| 线偏振(水平)(1 1 0 0)T | δ1＝0°，δ2＝0° |
| 线偏振(垂直)(1 -1 0 0)T | δ1＝180°，δ2＝0° |
| +45°偏振(1 0 1 0)T | δ1＝0°，δ2＝180° |
| -45°偏振(1 0 -1 0)T | δ1＝180°，δ2＝180° |
| 右旋圆偏振(1 0 0 1)T | δ1＝90°，δ2＝0° |
| 左旋圆偏振(1 0 0 -1)T | δ1＝270°，δ2＝0° |
本发明引入硅基液晶空间光调制器、分光棱镜等器件，能获得目标的偏振信息，获得的投影图像具有连续光谱，可以模拟现实中带有光谱和偏振信息的场景。
Claims (6)
1.一种光谱偏振图像投影装置，其特征在于：包括依次设置的光谱引擎、空间引擎和偏振引擎，其中光谱引擎包括沿光路依次设置的光源（1）、第一成像物镜（2）、光阑（3）、第一准直物镜（4）、光栅（5）、第二成像物镜（6）、第一数字微镜器件（7）、第一反射镜（8）和第二反射镜（9），空间引擎包括沿光路依次设置的匀束器（10）、第二准直物镜（11）、第三反射镜（12）、第二数字微镜器件（13）、第四反射镜（14）和第三成像物镜（15）；偏振引擎包括沿光路依次设置的偏振片（16）、第一分光棱镜（17）、第一硅基液晶空间光调制器（18）、第二分光棱镜（19）、第二硅基液晶空间光调制器（20）、第四成像物镜（21）和探测器（22）。
2.根据权利要求1所述的光谱偏振图像投影装置，其特征在于：所述光谱引擎中，共光轴依次设置光源（1）、第一成像物镜（2）、光阑（3）、第一准直物镜（4）和光栅（5），第二成像物镜（6）和第一数字微镜器件（7）依次设置在光栅（5）的反射光路上，第一反射镜（8）位于第一数字微镜器件（7）的反射光路，第二反射镜（9）位于第一反射镜（8）的反射光路，空间引擎位于第二反射镜（9）的反射光路。
3.根据权利要求2所述的光谱偏振图像投影装置，其特征在于：所述空间引擎中，共光轴依次设置匀束器（10）、第二准直物镜（11）和第三反射镜（12），匀束器（10）位于第二反射镜（9）的反射光路上，第二数字微镜器件（13）位于第三反射镜（12）的反射光路上，第四反射镜（14）位于第二数字微镜器件（13）的反射光路上，第三成像物镜（15）位于第四反射镜（14）的反射光路上，偏振引擎位于第三成像物镜（15）后方。
4.根据权利要求3所述的光谱偏振图像投影装置，其特征在于：所述偏振引擎中，共光轴依次设置偏振片（16）和第一分光棱镜（17），偏振片（16）位于第三成像物镜（15）后方，第一硅基液晶空间光调制器（18）位于第一分光棱镜（17）的反射光路上，第二分光棱镜（19）位于第一分光棱镜（17）的透射光路上，第二硅基液晶空间光调制器（20）位于第二分光棱镜（19）的反射光路上，第四成像物镜（21）和探测器（22）依次设置在第二分光棱镜（19）的透射光路上。
5.根据权利要求4所述的光谱偏振图像投影装置，其特征在于：来自光源（1）的入射光束通过第一成像物镜（2）成像在其像面上，经光阑（3）后入射至准直物镜（4），形成准直光束，以准直光束形式入射到光栅（5）发生色散；色散后的光束经过第二成像物镜（6）入射到第一数字微镜器件（7），通过电脑传送到第一数字微镜器件（7）的一维光谱信号则控制其微镜的偏转方向，一部分微镜顺时针旋转12°并将实验所需的光束反射到第一反射镜（8），经第一反射镜（8）反射至第二反射镜（9），并进入空间引擎，另部分微镜逆时针旋转12°反射其余光束；
实验所需的光束进入空间引擎的匀束器（10），并经过第二准直物镜（11）形成准直光束，经过第三反射镜（12）的反射到第二数字微镜器件（13）；通过电脑传送到第二数字微镜器件（13）的二维图像信号控制微镜的旋转并反射实验所需的光束到第四反射镜（14），经第四反射镜（14）反射到第三成像物镜（15），并进入偏振引擎；
实验所需的光束通过偏振引擎的偏振片（16），形成偏振光束，经过第一分光棱镜（17）的反射后垂直入射到第一硅基液晶空间光调制器（18）成像并反射，经第一分光棱镜（17）透射到第二分光棱镜（19），经第二分光棱镜（19）反射至第二硅基液晶空间光调制器（20），第二硅基液晶空间光调制器（20）成像并反射经第二分光棱镜（19）透射至第四成像物镜（21）后被探测器（22）接收图像。
6.基于权利要求1所述的光谱偏振图像投影装置的投影方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、来自光源（1）的入射光束通过第一成像物镜（2）成像在其像面上，经光阑（3）后入射至准直物镜（4），形成准直光束，以准直光束形式入射到光栅（5）发生色散；
步骤2、色散后的光束经过第二成像物镜（6）入射到第一数字微镜器件（7），通过电脑传送到第一数字微镜器件（7）的一维光谱信号则控制其微镜的偏转方向，一部分微镜顺时针旋转12°并将实验所需的光束反射到第一反射镜（8），经第一反射镜（8）反射至第二反射镜（9），并进入空间引擎，另部分微镜逆时针旋转12°反射其余光束；
步骤3、上述实验所需的光束进入空间引擎的匀束器（10），并经过第二准直物镜（11）形成准直光束；
步骤4、经过第三反射镜（12）的反射到第二数字微镜器件（13）；通过电脑传送到第二数字微镜器件（13）的二维图像信号控制微镜的旋转并反射实验所需的光束到第四反射镜（14），经第四反射镜（14）反射到第三成像物镜（15），并进入偏振引擎；
步骤5、实验所需的光束通过偏振引擎的偏振片（16），形成偏振光束，经过第一分光棱镜（17）的反射后垂直入射到第一硅基液晶空间光调制器（18）成像并反射，经第一分光棱镜（17）透射到第二分光棱镜（19），经第二分光棱镜（19）反射至第二硅基液晶空间光调制器（20），第二硅基液晶空间光调制器（20）成像并反射经第二分光棱镜（19）透射至第四成像物镜（21）后被探测器（22）接收图像。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| 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: 20180123 |