CN109186763B - 一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，包括：入射狭缝、准直镜、浸入式光栅、偏振分束器、聚焦透镜和探测器；入射狭缝设置在准直镜前方；浸入式光栅设置在准直镜后方；偏振分束器为p级，每级偏振分束器的数量为2p‑1个，p的取值范围为大于等于1；第一级偏振分束器设置在浸入式光栅出射光的光路上；第二至p级中的每个偏振分束器分别对应设置在上一级偏振分束器的每束出射光的光路上；聚焦透镜和探测器的数量均为2p个，第p级偏振分束器中的每个偏振分束器的每束出射光分别经一个聚焦透镜射入一个探测器中。本发明解决了现有偏振光谱设备不能同时获取光谱偏振信息、存在运动部件以及高精度和轻量化矛盾的问题。

Description

一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置
技术领域
本发明属于偏振光谱信息技术领域，特别涉及一种基于浸入式光栅(IG光栅，Immersed Grating)的偏振超光谱成像装置。
背景技术
目前国内外已研究提出了多种偏振光谱图像信息的获取技术方案，其主要思路是将成像光谱技术与偏振测量技术相结合，而如何实现高分辨、自适应和小型轻量化是其研究重点。成像光谱技术按照分光原理可大致分为滤光型、干涉型、色散型三种，每种类型均有其优缺点及适用范围。
基于滤光型的偏振成像光谱仪其光学***中带有滤光元件，传统的是滤光片轮等，这类方案***中有运动部件，光谱通道数量较少，光谱分辨率与工作效率较低，且信息非同时获取，不适合光谱与偏振快速变化的探测场合。基于AOTF(Acousto-Optic TunableFilter，声光可调谐滤波器)的偏振光谱技术具有可电调谐、自由选谱段且分辨率较高的优势，但是对于超精细光谱的应用需求而言，其光谱分辨本领相对较低，并且受器件自身因素的约束，光束接收角、***孔径角很小，一方面导致光能利用率低，另一方面不便于后续光学***安放。
基于干涉型的偏振成像光谱仪，分为空间调制型和时间调制型，空间调制型干涉偏振成像光谱仪因***中存在光瞳分割或者孔径分割等结构，导致光能被分散，信号强度较弱。傅里叶变换偏振成像光谱仪作为时间调制型干涉偏振成像光谱仪的典范，其光谱分辨率高并且具有很宽的光谱覆盖范围，常应用于多种场合，但是该类光谱仪带有运动部件，动镜精度不易保证；对于运动场景探测会使图像质量下降，获得一个场景的一幅干涉图需要很长时间。
以空间色散原理为理论基础的设备，常用的色散元件有棱镜、光栅等。由于光栅具备高分辨率及宽谱段范围(从紫外到红外)的特点，应用于航空航天领域的光谱仪多采用该类分光元件。但是传统的光栅光谱仪需要有大尺寸的光学***与之匹配，存在高精度和轻量化矛盾的问题。
目前的偏振成像光谱设备多种多样，每种方案在具备其独特优势的同时又不可避免的存在诸多问题，亟待解决的是：现有的偏振光谱设备不能同时获取光谱偏振信息、存在运动部件以及高精度和轻量化矛盾的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，以解决现有偏振光谱设备不能同时获取光谱偏振信息、存在运动部件以及高精度和轻量化矛盾的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，包括：入射狭缝、准直镜、浸入式光栅、偏振分束器、聚焦透镜和探测器；入射狭缝设置在准直镜前方，入射光经入射狭缝能够入射入准直镜；浸入式光栅设置在准直镜后方，准直镜的出射光能够射入浸入式光栅；偏振分束器为p级，每级偏振分束器的数量为2p-1个，p的取值范围为大于等于1；第一级偏振分束器设置在浸入式光栅出射光的光路上，浸入式光栅的出射光能够射入第一级偏振分束器；第二至p级中的每个偏振分束器分别对应设置在上一级偏振分束器的每束出射光的光路上，每个偏振分束器均能够接收到一束上一级偏振分束器的出射光；聚焦透镜和探测器的数量均为2p个，第p级偏振分束器中的每个偏振分束器的每束出射光分别经一个聚焦透镜射入一个探测器中，探测器用于收集偏振光的信息。
进一步的，还包括：前置光学***；前置光学***设置在入射狭缝前方，入射光经前置光学***射入入射狭缝。
进一步的，还包括：入瞳；入射光穿过入瞳后射入前置光学***。
进一步的，入射狭缝的尺寸根据选择的探测器像元尺寸决定，入射狭缝使得像元之间不发生重叠，像元尺寸的0.8～0.9。
进一步的，浸入式光栅沿垂直于入射面的方向倾斜设置，倾斜的角度范围为2°～9°。
进一步的，浸入式光栅的折射率大于1。
进一步的，p的值为1；偏振分束器设置在浸入式光栅出射光的光路上，浸入式光栅的出射光能够射入偏振分束器；偏振分束器的入射平面垂直于浸入式光栅出射光的主光轴设置；偏振分束器的两束垂直的偏振光束分别经过一个聚焦透镜射入一个探测器中。
进一步的，偏振分束器为Wollaston棱镜、罗雄棱镜、赛拿蒙棱镜、格兰棱镜或Sarvart板。
进一步的，浸入式光栅的出射光垂直射入第一级偏振分束器的入射平面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，通过浸入式光栅获得不同波段的光束，不需要设置运动部件，可提升探测精确度；浸入式光栅的色散能力较强，只需要较小的体积即可获得较大的分辨率，可解决目前的高精度和轻量化矛盾问题；本发明可有效利用目标和背景的光谱、偏振特性差异，显著提高目标探测和场景识别的准确度，探测识别能力更高；通过偏振分束器能够同时获得多束偏振光的信息，适用于光谱与偏振快速变化的探测场合。本发明的基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置结合偏振超光谱图像信息的重要应用价值与浸入式光栅的诸多特点与独特优势，集超光谱、偏振和图像多种探测能力于一体，小型轻量且无运动部件；具备高光谱分辨率，可同时获取多个偏振态信息，具有较高光通量、无通道串扰且小型轻量化等优点。本发明的成像装置中设置有光栅，可获取光谱信息；又设置有偏振分束器，可获取偏振信息；因此可同时获得偏振光谱信息；现有的一些光谱仪从原理上需要运动部件进行推扫或者调谐等实现光谱信号的采集，光栅式光谱仪不需要运动部件；对于普通的光栅光谱仪，其光谱分辨率是与尺寸正相关的，在实现较高的光谱分辨率的应用中，光栅的尺寸会非常大，而浸入式光栅，在实现相同分辨率的条件下，其线尺寸是普通反射光栅的1/n，体积为1/n∧3，大幅减小色散元件的尺寸，也会使与其配套的前置及后续光学元件尺寸减小，从而实现小型轻量下的高光谱分辨率。
进一步的，通过设置前置光学***和入瞳可优化入射到IG上的光线质量。
进一步的，浸入式光栅沿垂直于入射面的方向倾斜设置，入射面为入射光线和法线构成的平面，该倾斜角的目的是分离开入射光与经光栅色散后的出射光，并有足够的空间放置后续光学元件，具体角度因具体结构参数而异。
进一步的，偏振分束器为一个，可同时获得***中振动方向相互垂直的两束线偏振光，分辨本领与自然光一致，不存在通道串扰，结构稳定，光能利用率高。
进一步的，所提及的几种偏振分束器均由左右两块子棱镜胶合而成，第一块(即光线首先到达的那块子棱镜)的光轴平行于入射平面的一条边，垂直入射(即正入射)时，入射光垂直于光轴传播，传播过程中不发生偏折，达到胶合面。
附图说明
图1是一种浸入式光栅的工作结构示意图；
图2是本发明的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置的结构示意图；
图1至图2中，1基底；2棱镜；3光栅；4前置光学***；5入射狭缝；6准直镜；7浸入式光栅；8偏振分束器；9聚焦透镜；10探测器；11入瞳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1和图2，本发明的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，包括：前置光学***4、入射狭缝5、准直镜6、浸入式光栅7、偏振分束器8、聚焦透镜9和探测器10。本发明所选用的浸入式光栅7的工作原理如图1所示，包括基底1、棱镜2和光栅3.
入射光穿过入瞳11后射入前置光学***4，入瞳11设置在前置光学***4处；前置光学***4设置在入射狭缝5前方，入射光经前置光学***4射入入射狭缝5。入射狭缝5设置在准直镜6前方，入射光经入射狭缝5能够入射入准直镜6；浸入式光栅7设置在准直镜6后方，准直镜6的出射光能够射入浸入式光栅7；偏振分束器8为p级，每级偏振分束器8的数量为2p-1个，p的取值范围为大于等于1；第一级偏振分束器8设置在浸入式光栅7出射光的光路上，浸入式光栅7的出射光能够射入第一级偏振分束器8；第二至p级中的每个偏振分束器8分别对应设置在上一级偏振分束器8的每束出射光的光路上，每个偏振分束器8均能够接收到一束上一级偏振分束器8的出射光；聚焦透镜9和探测器10的数量均为2P个，第p级偏振分束器8中的每个偏振分束器8的每束出射光分别经一个聚焦透镜9射入一个探测器10中，探测器10用于收集偏振光的信息。入射狭缝5的尺寸由所选择的探测器10(CCD)像元尺寸决定，为了保证成像质量，像元之间不发生重叠，一般为像元尺寸的0.8～0.9。浸入式光栅7沿垂直于入射面(入射光线和法线构成的平面)倾斜设置，倾斜的角度范围为2°～9°；该倾斜角的目的是分离开入射光与经光栅色散后的出射光，并有足够的空间放置后续光学元件，具体角度因具体结构参数而异。浸入式光栅7的出射光垂直射入第一级偏振分束器8的入射平面。浸入式光栅7的折射率大于1。偏振分束器8为Wollaston棱镜、罗雄棱镜、赛拿蒙棱镜、格兰棱镜或Sarvart板以及能实现同样功能的棱镜。
具体的，p的值为1；偏振分束器设置在浸入式光栅出射光的光路上，浸入式光栅的出射光能够射入偏振分束器；偏振分束器的入射平面垂直于浸入式光栅出射光的主光轴设置；偏振分束器的两束垂直的偏振光束分别经过一个聚焦透镜射入一个探测器中。
本发明的成像装置中经前置光学组件或前置光学***准直的光束入射到由该高射率材料制备而成的浸入式光栅，该浸入式光栅的入射平面垂直于主光轴，并且在垂直于入射面(即入射光线与入射平面的法线所构成的平面)的方向有一定角度的倾斜(该角度的取值原则为可有效分离入射光及出射光，便于后续光学组件的安装放置，但又不过于浪费空间)。经光栅色散后的出射光入射到偏振分束器，偏振分束器的入射平面垂直于浸入式光栅出射光的主光轴。光线经偏振分束器分为振动方向相互垂直的两束线偏振光，这两束光线均带有光谱及偏振信息，各自经过其子光路的成像透镜，到达探测器。至此，整个设备可获得光谱偏振图像。本发明的整个设备中既有光栅(可获取光谱信息)，又有偏振分束器(可获取偏振信息)，因此可同时获得偏振光谱信息；有的光谱仪从原理上就需要运动部件进行推扫或者调谐等实现光谱信号的采集，而光栅式光谱仪是不需要的；对于普通的光栅光谱仪，其光谱分辨率是与尺寸正相关的，在实现较高的光谱分辨率的应用中，光栅的尺寸会非常大，而浸入式光栅，在实现相同分辨率的条件下，其线尺寸是普通反射光栅的1/n，体积为1/n∧3，大幅减小色散元件的尺寸，也会使与其配套的前置及后续光学元件尺寸减小，从而实现小型轻量下的高光谱分辨率。本发明可模块化，即在原光路的偏振分束器出射光的子光路上各自再放置一块偏振分束器2及偏振分束器3，这两块偏振分束器的光轴与其相对应的入射线偏振光的振动方向夹角45°，从而设备可获得0°，45°，90°以及135°四个方向的线偏振光。在需要获得场景目标更多偏振信息的应用场合，可在偏振分束器后端再加入一组偏振分束元件等器件，从而可获得目标更多的偏振信息。
本发明的信息采集原理如下：
浸入式光栅原理由Fraunhofer首次提出，Longhurst对浸入式光栅进行了较为详细的讨论。最早的高分辨率浸入式光栅光谱仪由Hulthen提出，首次出现于天文著作中是在80年代后期，其相较于普通反射光栅可将光谱的角色散大幅提高(增大色散角)，在相对孔径F/数相同的情况下，作为光瞳的光栅尺寸也随焦距的减小而线性减小，与此同时仍然能够达到指标要求的光谱分辨本领。本发明实施例的基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置由前置光学***、入射狭缝、准直镜、浸入式光栅、反射镜以及偏振棱镜(偏振分束器)组成。入瞳位于前置光学***处，光束由前置光学***入射，经狭缝到达准直镜，将入射光束实施准直，以准直光束入射到浸入式光栅。浸入式光栅与普通反射式光栅的不同之处在于色散发生于高折射率介质内部，可将色散本领(光谱分辨率)提高n倍(n为该介质折射率)。经色散分光之后的光束入射到偏振分束器，分别产生两束振动方向相互垂直的线偏振光，即S光和P光。同时，一路光束经偏振分束器后分为两子光路，对应S线偏振光和P线偏振光，各子光路分别经聚焦透镜成像于探测器。每一个探测器可获得该偏振光束的全部光谱信息。本发明可同时获得两个振动方向相互垂直的线偏振光的光谱信息。本发明的基于浸入式光栅的偏振光谱成像***可同时获得***中振动方向相互垂直的两束偏振光，分辨本领与自然光一致，不存在通道串扰，结构稳定，光能利用率高；可有效利用目标和背景的光谱、偏振特性差异，显著提高目标探测和场景识别的准确度，探测识别能力更高，优势更加明显；本发明为“模块化”设计，在需要获得场景目标更多偏振信息的应用场合，可在偏振分束器后端再加入一组偏振分束元件等器件，从而可获得目标更多的偏振信息。本发明的基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，结合偏振超光谱图像信息的重要应用价值与浸入式光栅的诸多特点与独特优势，集超光谱、偏振和图像多种探测能力于一体，小型轻量且无运动部件。综上，本发明是一种具备高光谱分辨率、可同时获取多个偏振态信息、具有较高光通量、无通道串扰且小型轻量化等优势的偏振成像光谱仪。
本发明一种实施例的具体实施例参数：
浸入式光栅(IG，Immersed Grating)的材料：常用材料为Si(折射率3.4左右)，Ge(折射率4左右)，Znse(折射率2.4左右)等，折射率用n表示，参数根据具体情况和设备设计选取。闪耀角：63.5°。光栅常数：d＝0.061982853mm；刻槽数：16.1335线对/mm。前置光学***：f′＝38.2mm，F/4，2up＝0.075°×0.375°；狭缝：缝宽0.05mm，长0.25mm；准直镜：f′1＝128mm，F/4；偏振分束器：Wollaston棱镜；2个聚焦透镜：f′2＝128mm，F/4；经准直镜准之后的光束垂直入射到IG，为了保证入射IG的光束与色散后出射的光束在空间上分离，IG在垂直纸面的方向即沿垂直于入射面的方向向外有2.7°倾斜。偏振分束器的摆放角度垂直于主光轴。

Claims (5)

1.一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，其特征在于，包括：入射狭缝（5）、准直镜（6）、浸入式光栅（7）、偏振分束器（8）、聚焦透镜（9）和探测器（10）；
入射狭缝（5）设置在准直镜（6）前方，入射光经入射狭缝（5）能够入射入准直镜（6）；
浸入式光栅（7）设置在准直镜（6）后方，准直镜（6）的出射光能够射入浸入式光栅（7）；
偏振分束器（8）为p级，每级偏振分束器（8）的数量为2p-1个，p的取值范围为大于等于1；
第一级偏振分束器（8）设置在浸入式光栅（7）出射光的光路上，浸入式光栅（7）的出射光能够射入第一级偏振分束器（8）；第二至p级中的每个偏振分束器（8）分别对应设置在上一级偏振分束器（8）的每束出射光的光路上，每个偏振分束器（8）均能够接收到一束上一级偏振分束器（8）的出射光；
聚焦透镜（9）和探测器（10）的数量均为2p个，第p级偏振分束器（8）中的每个偏振分束器（8）的每束出射光分别经一个聚焦透镜（9）射入一个探测器（10）中，探测器（10）用于收集偏振光的信息；
浸入式光栅（7）沿垂直于入射平面的方向倾斜设置，倾斜的角度范围为2°~9°；
浸入式光栅（7）的折射率大于1；
还包括：前置光学***（4）；
前置光学***（4）设置在入射狭缝（5）前方，入射光经前置光学***（4）射入入射狭缝（5）；
入射狭缝（5）的尺寸根据选择的探测器（10）像元尺寸决定，入射狭缝（5）使得像元之间不发生重叠，入射狭缝（5）的尺寸为像元尺寸的0.8~0.9倍。
2.根据权利要求1所述的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，其特征在于，还包括：入瞳（11）；入射光穿过入瞳（11）后射入前置光学***（4）。
3.根据权利要求1所述的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，其特征在于，p的值为1；
偏振分束器（8）设置在浸入式光栅（7）出射光的光路上，浸入式光栅（7）的出射光能够射入偏振分束器（8）；
偏振分束器（8）的入射平面垂直于浸入式光栅（7）出射光的主光轴设置；
偏振分束器（8）的两束垂直的偏振光束分别经过一个聚焦透镜（9）射入一个探测器（10）中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，其特征在于，偏振分束器（8）为Wollaston棱镜、罗雄棱镜、赛拿蒙棱镜、格兰棱镜或Sarvart板。
5.根据权利要求4所述的一种基于浸入式光栅的偏振超光谱成像装置，其特征在于，浸入式光栅（7）的出射光垂直射入第一级偏振分束器（8）的入射平面。
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