基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学目标探测领域，特别是一种基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置及方法。
【背景技术】
[0002]成像光谱仪能够获取目标的二维空间各点的光谱信息，组成目标场景的三维数据立方体。其中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技术。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系统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t匕，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。成像偏振仪能够获取目标二维空间各点的偏振态信息，主要方法是采用基于穆勒矩阵的Stokes成像偏振技术。现有成像光谱方案和偏振成像方案,只能获取目标的三维信息。简单的将两者功能集成在一个系统中，虽然可以获取目标光谱、偏振、图像信息，如文章“一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法”所述(孙尧等，物理学报，第59卷6期，第3863-3870页，2010年)，但是不能获取目标更加精细的信息，即场景中各点各个谱段的偏振态信息。
[0003]近年来兴起的成像光谱偏振仪，是探测仪器领域的一次跨越，能够获取探测场景更加精确的信息，即能够获取二维空间各点在一定谱段范围内各个光谱段对应的偏振信息，从而将获取二维场景的三维信息扩展到四维信息，获取的目标信息更加精细。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。按照ISP技术中光谱探测原理的不同，可以分为基于液晶调制滤光片(LCTF)的ISP技术、基于声光调制滤光片(AOTF)的ISP技术、基于层析成像光谱技术(CTIS)的ISP技术、基于光栅成像光谱技术(GIS)的ISP技术、基于色散型成像光谱技术(DTSP)和基于干涉成像光谱技术(FTIS)的成像光谱偏振技术等。基于FTIS技术直接探测的是与波数共轭的干涉信息，数据处理过程相对简单，此外还具有高通量、高空间分辨率、结构简单等优点，因此基于FTIS的全偏振ISP技术是当前国际上研究的一个重要内容。现有基于现有FTIS的全偏振ISP技术，主要是采用Oka相位组件，有两个相位延迟片和一个线偏振前后组合而成。在干涉成像光谱仪中引入偏振态信息，该方法能够同步引入全Stokes偏振信息，但是当探测光谱波段为窄带光谱时，相邻偏振干涉图之间会发生混叠，影响复原精度。在干涉成像光谱装置中加入微偏振调制阵列能够解决上述问题。本发明中微偏振调制阵列采用专利号为CN 103063300 A中的微偏振调制阵列，实现目标场景四维信息的精确获取。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高目标分辨率、高通量的基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置及方法。该方法可以实现目标高分辨率光谱偏振成像探测。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物镜、准直物镜、Sagnac横向剪切分束器、成像物镜、微偏振调制阵列、探测器，以及信号处理系统，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；其中前置成像物镜的像面与准直物镜的前焦面重合；微偏振调制阵列贴在探测器的感光面，每个微偏振调制阵列的像素对应探测器的一个探测器象元；Sagnac横向剪切分束器包括共光轴顺时针依次设置的分束器、第一反射镜、第二反射镜，其中分束器与准直物镜的光轴逆时针成45°，第一反射镜与准直物镜的光轴逆时针成22.5°，第二反射镜与准直物镜的光轴逆时针成67.5° ;微偏振调制阵列位于成像物镜的后焦面位置；探测器通过导线与信号处理系统相连；探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜成像在其像面位置，经过准直物镜后形成的准直光束，准直光束经过分束器后形成第一反射光和第一透射光:第一反射光首先入射到第一反射镜，经第一反射镜反射到第二反射镜，再经过第二反射镜反射到分束器，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光进入成像物镜；第一透射光首先入射到第二反射镜，经第二反射镜反射到第一反射镜，再经过第一反射镜反射到分束器，形成第三发射光和第三透射光，其中第三透射光进入成像物镜；从分束器出射的第二反射光和第三透射光存在横向剪切量，随后光束经过成像物镜汇聚到成像物镜的后焦面处微偏振调制阵列上，每个物点对应一组四个微偏振调制阵列的像素，经过调制后形成四组偏振的像点成像在探测器对应的四个象元上面，通过电控旋转平台进行旋转Sagnac色散横向剪切分束器或者旋转整套系统对被测目标进行推扫，获取目标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像，并转化成电信号进入信号处理系统。
[0006]上述分束器为半透半反镜。
[0007]基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置的方法，包括以下步骤:
第一步，入射光经过前置成像物镜后将目标成像在其像面位置，随后光束经过准直物镜后以平行光束形式进入Sagnac横向剪切分束器；
第二步，光束经过分束器后形成第一反射光和第一透射光两支:第一反射光首先入射到第一反射镜，发生反射，随后入射第二反射镜，经过第二反射镜反射到分束器，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光进入成像物镜；第一透射光首先入射到第二反射镜，发生反射，然后入射第一反射镜，发生反射后，入射到分束器，形成第三发射光和第三透射光，其中第三透射光进入成像物镜；从分束器出射的第二反射光和第三透射光存在横向剪切量；
第三步，存在横向剪切量的光束经过成像物镜后，到达放置在探测器靶面前面微偏振调制阵列上面，同一个物点对应四个空间上分开的偏振象元，通过系统整体推扫的方式或旋转系统内部Sagnac横向剪切分束器推扫的方式获取场景中各点四组干涉图像，对应四组不同偏振信息，最终在探测器靶面形成随视场角变化的干涉图像；
第四步，探测器获取的偏振干涉图像进入信号处理系统，偏振干涉图像经过傅里叶变换后能够获取每个物点的四个偏振态对应的光谱曲线，通过矩阵运算，可以确定每个物点的四个Stokes参数对应的光谱曲线，进而能够获取目标场景中各点的光谱信息，即第一个Stokes偏振参量的光谱曲线，以及各个谱段的偏振态信息。
[0008]本发明与现有技术相比，其显著的优点:
(O实现探测场景的四维信息获取，获取更加精细的目标数据；
(2)采用微偏振调制阵列能够同步引入四组偏振态的光谱信息，节约探测时间。同时微偏振调制阵列不会增加系统的体积，设备结构紧凑。
【附图说明】
[0009]图1为基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置光路结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0011]结合图1，一种基于微偏振阵列的干涉成像全偏振光谱探测装置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物镜1、准直物镜2、Sagnac横向剪切分束器3、成像物镜4、微偏振调制阵列5、探测器6和信号处理系统7组成，其中探测器6为CCD，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；其中前置成像物镜I的像面与准直物镜2的前焦面重合；微偏振调制阵列5贴在探测器6的感光面，每个微偏振调制阵列5的像素对应一个探测器象兀；Sagnac横向剪切分束器3包括共光轴顺时针依次设置的分束器31、第一反射镜32、第二反射镜33，分束器31与准直物镜2的光轴逆时针成45°。第一反射镜32与准直物镜2的光轴逆时针成22.5°，第二反射镜33与准直物镜2的光轴逆时针成67.5°。第二反射镜33位于第一反射镜32关于分束器31对称位置平移微小距离处。微偏振调制阵列5位于成像物镜4的后焦面位置；探测器6通过导线与信号处理系统7相连。
[0012]本发明装置的光路走向如下:探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜I成像在其像面位置，经过准直物镜2后形成的准直光束，准直光束经过分束器31后形成第一反射光和第一透射光两支:第一反射光首先入射到第一反射镜32，发生反射，随后入射第二反射镜33，经过第二反射镜33反射到分束器31，形成第二反射光和第二透射光，其中第二反射光进入成像物镜4 ;第一透射光首先入射到第二反射镜33，发生反射，然后入射第一反射镜32，发生反射后，入射到分束器31，形成第三反射光和第三透射光，其中第三透射光进入成像物镜4 ;从分束器31出射的第二反射光和第三透射光存在横向剪切量，引入随视场变换的光程差，随后光束经过成像物镜4汇聚到成像物镜4的后焦面处微偏振调制阵列5上，每个物点对应一组四个微偏振调制阵列的像素，经过调制后形