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对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法

阅读：296发布：2024-01-11

专利汇可以提供对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法，该装置沿光路方向依次放置成像物镜、干涉偏振调制系统、探测器及信号处理系统。方法步骤为：第一步，入射光束经过成像物镜后，进入干涉偏振调制系统；第二步，同一物点的光束经过干涉偏振调制系统，被调制后成像在探测器靶面上；第三步，系统对场景目标进行推扫，获取目标点不同光程差下的干涉信息，并且不同的Stokes偏振参量沿光程差分开；第四步，信号处理系统对采集到的光强信息进行重构，得到场景的二维光强信息、光谱信息及各谱段的全Stokes偏振参量。该方法具有高光通量、高光谱分辨率、光谱偏振信息同步获取以及轻小型化等优点。，下面是对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种对称楔形腔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成像物镜(1)、干涉偏振调制系统(2)、探测器(3)，探测器(3)和信号处理系统(4)连接；其中干涉偏振调制系统(2)包括沿光路方向依次放置的相位延迟器、相位延迟器、线偏振器、对称楔板(21)和平板(22)，对称楔板(21)和平板(22)之间的空气隙为干涉腔；干涉偏振调制系统(2)与探测器(3)靶面的大小相等，平板(22)的后表面贴于探测器(3)的感光面；
所有光学元件相对于基底同轴等高。
2.根据权利要求1所述的对称楔形腔高光谱全偏振成像装置，其特征在于：干涉偏振调制系统(2)由相位延迟器、相位延迟器、线偏振器、对称楔板(21)和平板(22)组成，其中对称楔板(21)的两个楔面沿楔面顶端的棱线对称，该棱线与平板(22)中线接触，二者之间的空气隙形成对称楔形腔，即干涉腔；对称楔板(21)出射面和平板(22)入射面镀制反射膜；相位延迟器、相位延迟器和线偏振器依次贴在一起，的快轴水平放置, 的快轴方向相对的快轴旋转45°, 的透光轴与快轴方向平行。
3.一种基于权利要求1所述的对称楔形腔高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，来自目标点的入射光束进入成像物镜(1)，确定目标视场，消除杂散光；
第二步，从成像物镜(1)出射的光束进入干涉偏振调制系统(2)，光束在干涉偏振调制系统(2)中由相位延迟器、相位延迟器和线偏振器组成的偏振组件进行偏振调制；
在对称楔板(21)出射面处透射和反射，形成第一透射光和第一反射光，第一透射光在干涉偏振调制系统(2)的干涉腔内多次在对称楔板(21)和平板(22)之间透射和反射；
第三步，每个目标点经过干涉偏振调制系统(2)调制后成像在探测器(3)对应的像素上面，在探测器(3)靶面上获取物点的干涉光强信息；通过成像装置对场景目标进行推扫，获取目标点不同光程差下的干涉图像，并且不同的Stokes偏振参量沿光程差分开，光强信息转化成电信号进入信号处理系统(4)；
第四步，信号处理系统(4)从收到的电信号中提取目标点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据提取处理，得到各个Stokes偏振参量下的干涉信息，对其进行傅里叶变换，从而得到目标各点的光谱信息及全偏振信息。
4.根据权利要求3所述的对称楔形腔高光谱全偏振成像装置的成像方法，其特征在于：
所述系统整体推扫的方式，探测器(3)获得的干涉图像序列中的干涉条纹位置不变，探测目标的图像随着推扫产生横向偏移，即探测目标上各物点的干涉信息分布在图像序列的不同位置上，在提取目标点所对应的干涉数据时首先需要进行图像配准处理，确保每幅干涉图上提取的干涉强度值属于同一个目标点。

说明书全文

对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学目标探测领域，具体是一种对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及成像方法。

背景技术

[0002] 成像光谱偏振(Imaging Spectropolarimeter，ISP)技术主要是在现有成像光谱技术基础上，利用自身器件已有的偏振选择特性或通过加入偏振组件引入偏振信息探测。ISP技术在过去十几年间得到了快速发展，1999年Oka和Kato首次提出了多通道光谱偏振技术，实现了不同波数偏振信息的同时探测，提高了探测设备的稳固性。随后2004年美国重飞行器公司通过在色散型成像光谱装置准直光路前引入Oka 相位延迟组件，对色散图像进行傅里叶变换，提取各个Stokes分量所对应的频谱，然后再进行逆傅里叶变换，即可得到全偏振光谱信息；安徽光机所的宋志平等人研究的基于GIS的IPS技术与其有异曲同工之妙。这两种方法都可以获得目标全Stokes偏振信息，但是都要经过两次傅里叶变换，处理过程较为复杂。2006年美国亚利桑那大学在层析成像光谱技术基础上引入Oka相位延迟组件，单次探测便可得到全部偏振信息和光谱信息，具有实时探测能力。但是数据处理过程复杂，且光谱分辨率较低。2011年中国科学院西安光学精密机械研究所提出了一种基于幅度调制技术和空间调制干涉成像光谱技术的静态成像光谱偏振仪(SISP)，利用干涉成像光谱仪单次曝光获得经光谱偏振调制的干涉图，不同的斯托克斯分量在干涉图上分离，再采用傅里叶变换从干涉图上解调出入射光的光谱偏振信息。但上述光机系统较难实现小型化。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种对称楔形腔高光谱全偏振成像装置及方法，该装置和方法可以实现目标高分辨率光谱偏振成像探测。

[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种对称楔形腔高光谱全偏振成像装置，包括沿光路方向依次放置的成像物镜、干涉偏振调制系统、探测器，探测器和信号处理系统连接；其中干涉偏振调制系统包括沿光路方向依次放置的相位延迟器R1、相位延迟器R2、线偏振器P、对称楔板和平板，对称楔板和平板之间的空气隙为干涉腔；干涉偏振调制系统与探测器靶面的大小相等，干涉偏振调制系统的后表面贴于探测器的感光面；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。

[0005] 干涉偏振调制系统由相位延迟器R1、相位延迟器R2、线偏振器P、对称楔板和平板组成，其中对称楔板中间厚两端薄，对称楔板楔面顶端与平板中线接触，二者之间的空气隙形成对称楔形腔，即干涉腔；对称楔板出射面和平板入射面镀制反射膜；相位延迟器R1、相位延迟器R2和线偏振器P依次贴在一起，R1的快轴水平放置,R2的快轴方向相对的R1快轴旋转45°,P的透光轴与R1快轴方向平行。

[0006] 一种对称楔形腔高光谱全偏振成像装置的成像方法，包括以下步骤：

[0007] 第一步，来自目标各点的入射光束进入成像物镜，确定目标视场，消除杂散光；

[0008] 第二步，从成像物镜出射的光束进入干涉偏振调制系统，光束在干涉偏振调制系统中由相位延迟器R1、相位延迟器R2和线偏振器P组成的偏振组件进行偏振调制；在对称楔板出射面处透射和反射，形成第一透射光和第一反射光，第一透射光在干涉偏振调制系统的干涉腔内多次在对称楔板和和平板之间透射和反射；

[0009] 第三步，每个物点经过干涉偏振调制系统调制后成像在探测器对应的像素上面，在探测器靶面上可以获取物点的干涉光强信息；通过系统对场景目标进行推扫，可以获取目标各点不同光程差下的干涉图像，并且不同的Stokes偏振参量沿光程差分开，光强信息转化成电信号进入信号处理系统；

[0010] 第四步，信号处理系统从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据提取处理，得到各个Stokes偏振参量下的干涉信息，对其进行傅里叶变换，从而得到目标各点的光谱信息及全偏振信息。

[0011] 所述采用整体推扫的方式，即探测器获得的干涉图像序列中的干涉条纹位置不变，而探测目标的图像随着推扫产生横向偏移，即探测目标上各物点的干涉信息分布在图像序列的不同位置上，在提取物点所对应的干涉数据时首先需要进行图像配准处理，确保每幅干涉图上提取的干涉强度值属于同一个物点。

[0012] 本发明对比已有技术具有以下显著优点：

[0013] (1)系统采用直光路，相当于在照相系统的探测器前面添加一组微型调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大，可实现超轻小型化；

[0014] (2)添加了干涉偏振调制系统，可以实现探测场景的四维信息获取，获取更加精细的目标数据。附图说明

[0015] 附图1为对称楔形腔高光谱全偏振成像光路结构示意图。

具体实施方式

[0016] 本发明一种轻对称楔形腔高光谱全偏振成像装置，系统采用直光路，将干涉调制组件和偏振调制组件集成在一起，相当于在照相系统的探测器前面添加一组微型调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大，为高光谱成像轻小型化应用提供一种有效技术途径。可同步获得目标二维空间光强信息、各点光谱信息和全Stokes偏振信息。

[0017] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0018] 本发明对称楔形腔高光谱全偏振成像装置，包括沿光路方向依次放置的成像物镜1、干涉偏振调制系统2、探测器3，探测器3和信号处理系统4连接；其中干涉偏振调制系统2包括沿光路方向依次放置的相位延迟器R1、相位延迟器R2、线偏振器P、对称楔板21和平板
22，对称楔板21和平板22之间的空气隙为干涉腔；干涉偏振调制系统2与探测器3靶面的大小相等，干涉偏振调制系统2的后表面贴于探测器3的感光面；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。

[0019] 本发明对称楔形腔高光谱全偏振成像装置的探测步骤为：

[0020] 第一步，成像目标发射或者反射的光束通过成像物镜1，消除杂散光，进入干涉偏振调制系统2；

[0021] 第二步，光束在干涉偏振调制系统2中由相位延迟器R1、相位延迟器R2和线偏振器P组成的偏振组件进行偏振调制；在对称楔板21出射面处透射和反射，形成第一透射光和第一反射光，第一透射光在干涉偏振调制系统2的干涉腔内多次在对称楔板21和和平板22之间透射和反射；

[0022] 光束在干涉偏振调制系统2的干涉腔内发生多光束干涉，光强关系满足：

[0023]

[0024] 式中，Ii为入射光束光强，R为干涉腔面的反射率，δ为相邻两支光的相位差，其中相位差δ满足：

[0025]

[0026] 式中，n为腔内传输媒质折射率，θ为光束进入对称楔形腔时的折射角，λ为波长，a为腔的宽度(a是关于x的函数，x轴垂直于光轴)。

[0027] 入射光的Stokes向量为[S0(σ),S1(σ),S2(σ),S3(σ)]，经过偏振调制后光束Stokes向量为[SI0(σ),SI1(σ),SI2(σ),SI3(σ)]，经过干涉腔后，在探测器靶面上得到的光强为[0028]

[0029] 和分别是R1和R2的相位延迟量。由上述公式可知，不同Stokes偏振参量组成的干涉条纹沿光程差分为七组条纹。

[0030] 第三步，系统推扫获取场景目标各点不同光程差下的携带有干涉信息和偏振信息的目标图像，并转化成电信号进入信号处理系统4，信号处理系统4为装有信号处理软件的计算机；

[0031] 第四步，信号处理系统4提取各物点同一偏振态不同光程差下的干涉数据，进行傅里叶变换可以获取目标各点高分辨率的光谱信息及偏振信息。

[0032] 本发明对称楔形腔高光谱全偏振成像系统采用直光路，相当于在照相系统的探测器前面添加一组集成干涉调制和偏振调制的微型调制器件，对整个系统的体积和重量影响不大，可实现探测场景的四维信息同步获取，得到更加精细的目标数据。

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