CN102426058B - 一种静态干涉成像偏振仪及获得目标的偏振信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静态干涉成像偏振仪，其装置包括沿入射光方向依次设置的前置望远系统、调制延迟器、偏振干涉仪、光学收集透镜、面阵探测器和计算机处理系统，所述调制延迟器由第一延迟器和第二延迟器组成；所述偏振干涉仪由起偏器、Savart偏光镜和检偏器组成。本发明具有同时测得形影信息、光谱信息及偏振信息的优点。

Description

一种静态干涉成像偏振仪及获得目标的偏振信息的方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种静态干涉成像偏振仪的结构及利用该静态干涉成像偏振仪获得目标的偏振信息的方法。

背景技术

近几十年来，随着信息科学及空间遥感技术的飞速发展，诞生了一种利用偏振技术对目标进行多方面探测的新方法。光波是一种横电磁波，其电矢量与光的传播方向相互垂直，电场振动方向相对于光传播方向的不对称性即称为偏振。当光波在某种介质中或界面上发生反射、散射、透射和吸收时，其出射光都将表现出由目标自身性质所决定的特征偏振，不同物体或同一物体的不同状态将产生不同的偏振。那么探测和获取物体的这一偏振信息并加以分析，就可以得到物体的材质、形貌、状态等特征。

偏振信息探测能够提供传统辐射测量不能提供的有关目标发射和辐射光的偏振信息，而且与辐射测量相比，偏振信息探测具有更高的准确度、清晰度和对比度。因此这一技术在诞生之初便得到了世界各国的高度重视，其相关理论及器件的研究一直是各国空间技术竞相研究的热点。

目前研究比较成熟的偏振信息探测方法有两种：第一种是电光、磁光、光弹调制法。入射光通过一系列的检测光学元件(如检偏器和相位延迟器等)通过机械转动或连续的周期性调制改变检测光学元件的状态(如起偏振角或相位延迟角等)，测出一组出射光的光强值，并对之作傅立叶分析，进而得到描述光偏振态的Stokes矢量的4个参数。这种传统的测量方式具有运动部件，不利于精密控制和测量，且只适用于稳恒光束或缓变的连续辐射光束，对于快速变化的偏振态无法进行实时探测。第二种是四探测器振幅分割法，采用波前分割或者振幅分割的方式，将待测光源分割成若干分立小光源，进行通道探测，同时完成对目标某一瞬时四个Stokes参数的测量。这种方法无机械转动主要适用于脉冲光源或者瞬变的偏振态测量，但是其系统中部件过多、结构复杂不紧凑，非常不利于航天、航空和遥感探测中的应用。

K.Oka曾提出一种通道光谱探测方法，具有实时探测光谱和偏振信息的能力，但是不能获得图像信息。本课题组曾提出了一种自行研制的基于Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪，可以同时获得目标的光谱和图像信息，但是不能获得的偏振信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时测得目标的形影信息、光谱信息及偏振信息的静态干涉成像偏振仪及利用该静态干涉成像偏振仪获得目标的偏振信息的方法。

为达到上述目的，本发明提供一种静态干涉成像偏振仪，包括沿入射光方向依次设置的前置望远系统、调制延迟器、偏振干涉仪、光学收集透镜、面阵探测器和计算机处理系统，所述调制延迟器由第一延迟器和第二延迟器组成；所述偏振干涉仪由起偏器、Savart偏光镜(萨瓦尔偏光镜)和检偏器组成；其中由目标发出的入射光经前置望远系统准直后进入调制延迟器，经过调制延迟器后成为加载有调制信息的出射光，该出射光再通过偏振干涉仪变成两束振动平行且传播方向平行于入射光方向的线偏振光，该线偏振光经过收集透镜后发生干涉并汇聚于面阵探测器上，再经计算机处理系统处理获得目标的形影信息、光谱信息和偏振信息。

优选的，所述的第一延迟器与第二延迟器的厚度比例为1∶2。

优选的，所述的第一延迟器的快轴方向与第二延迟器的快轴方向的夹角为45°。

优选的，所述起偏器和检偏器的透光方向与第一延迟器的快轴方向平行。

本发明还提供一种根据上述静态干涉成像偏振仪获得目标的偏振信息的方法，按照以下步骤进行：

步骤一：由公式(1)获得静态干涉成像偏振仪的Mueller矩阵M：

$M=\frac{1}{4}[1+\cos \mathrm{\δ}]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(1\right);$

其中δ＝2πΔσ，为Savart偏光镜中两束光之间的相位差；Δ为Savart偏光镜中两束光之间的光程差；σ＝1/λ为波数，取决于光谱仪的波长响应范围；

步骤二：由公式(2)获得入射光经过调制延迟器前后的Stokes矢量：

S_out＝M_SavartM_ПM_IS_in                  (2)；

式中M_I、M_П和M_Savart分别为第一延迟器、第二延迟器和偏振干涉仪的Mueller矩阵，设M＝M_SavartM_ПM_I为总的Mueller矩阵；S_out代表入射光经过调制延迟器后的Stokes矢量；S_in代表入射光经过调制延迟器前的Stokes矢量；

步骤三：将调制延迟器的相位差

和波数σ之间的关系由(3)式表示：

其中

和

分别表示光线经过第一延迟器、第二延迟器的相位延迟量，σ＝1/λ为波数取决于光谱仪的波长响应范围；Δn为延迟器中o光和e光之间的折射率差；d_j为延迟器的厚度；

步骤四：令

$S_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}I\\ M\\ C\\ S\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{out}}=\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ M^{\′}\\ C^{\′}\\ S^{\′}\end{array}\right]$

其中I代表入射光的总光强；M代表水平方向、垂直方向的分量强度差；C代表入射光45°方向与135°方向的分量强度差；S代表入射光右旋方向与左旋方向的分量强度差；I′代表出射光的总光强；M′代表出射光水平方向、垂直方向的分量强度差；C′代表出射光45°方向与135°方向的分量强度差；S′代表出射光右旋方向与左旋方向的分量强度差；由式S_out＝M_SavartM_ПM_IS_in获得出射光的强度谱I′为：

步骤五：对I′进行傅立叶变换即可获得入射光的Stokes矢量，从而获得目标的偏振信息。

本发明具有以下有益效果：

静态干涉成像偏振仪与现有的偏振信息探测方法相比，其最大的优势在于整个系统中没有任何机械转动或者可动的部件，也没有任何电光、声光或者磁光控制的装置，从而实现了偏振信息的完全静态实时探测。其次，使用了视场补偿型Savart偏振干涉仪，它在分光干涉的同时也起到了检偏器的作用，同时视场补偿型Savart偏光镜的横向剪切分束原理使得整个偏振仪的直条纹视场更大，光谱分辨率更高。第三，整个系统结构简单紧凑，是一个单轴共光路系统，仅有望远准直系统、调制延迟器、偏振干涉仪、成像镜和探测器五部分组成，这非常有利于静态干涉成像偏振仪的设计、加工、实验和工程化，从而大大促进了偏振信息探测技术的迅速推广和发展；第四，可实现目标形影信息、光谱信息和偏振信息的同时获取。

附图说明

图1是静态干涉成像偏振仪的结构示意图；

图2是模拟得到的目标入射光Stokes矢量的四个参量波形图。

具体实施方式

符合本发明的静态干涉成像偏振仪，其包括沿入射光方向依次设置的前置望远系统1、调制延迟器2、偏振干涉仪3、光学收集透镜4、面阵探测器5和计算机处理系统6。所述调制延迟器2由第一延迟器21和第二延迟器22组成。所述偏振干涉仪3由起偏器31、Savart偏光镜32和检偏器33组成。其中由目标发出的入射光经前置望远系统1准直后进入调制延迟器2，经过调制延迟器2后成为加载有调制信息的出射光，该出射光再通过偏振干涉仪3变成两束振动平行且传播方向平行于入射光方向的线偏振光，该线偏振光经过收集透镜4后发生干涉并汇聚于面阵探测器5上，再经计算机处理系统6处理获得目标的形影信息、光谱信息和偏振信息。

第一延迟器21与第二延迟器22的厚度比例为1∶2。第一延迟器21的快轴方向与第二延迟器22的快轴方向的夹角为45°。所述起偏器31和检偏器33的透光方向与第一延迟器21的快轴方向平行。

根据上述的静态干涉成像偏振仪获得目标的偏振信息按照以下步骤进行：

步骤一：由公式(1)获得静态干涉成像偏振仪的Mueller矩阵M：

$M=\frac{1}{4}[1+\cos \mathrm{\δ}]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(1\right);$

其中δ＝2πΔσ，为Savart偏光镜中两束光之间的光程差；Δ为Savart偏光镜中两束光之间的光程差；σ＝1/λ为波数，取决于光谱仪的波长响应范围。

步骤二：由公式(2)获得入射光经过调制延迟器前后的Stokes矢量：

S_out＝M_SavartM_ПM_IS_in         (2)；

式中M_I、M_П和M_Savart分别为第一延迟器、第二延迟器和偏振干涉仪的Mueller矩阵，设M＝M_SavartM_ПM₁为总的Mueller矩阵；S_out代表入射光经过调制延迟器后的Stokes矢量；S_in代表入射光经过调制延迟器前的Stokes矢量。

步骤三：将调制延迟器的相位差

和波数σ之间的关系由(3)式表示：

其中

和

分别表示光线经过第一延迟器、第二延迟器的相位延迟量，σ＝1/λ为波数取决于光谱仪的波长响应范围；Δn为延迟器中o光和e光之间的折射率差；d_j为延迟器的厚度。

步骤四：令

$S_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}I\\ M\\ C\\ S\end{array}\right],$ $S_{\mathrm{out}}=\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ M^{\′}\\ C^{\′}\\ S^{\′}\end{array}\right]$

其中I代表入射光的总光强；M代表入射光水平方向、垂直方向的分量强度差；C代表入射光45°方向与135°方向的分量强度差；S代表入射光右旋方向与左旋方向的分量强度差；I′代表出射光的总光强；M′代表出射光水平方向、垂直方向的分量强度差；C′代表出射光45°方向与135°方向的分量强度差；S′代表出射光右旋方向与左旋方向的分量强度差；

由式S_out＝M_SavartM_ПM_IS_in获得出射光的总光强I′为：

其中出射光的总光强I′为入射光Stokes矢量元素谱经不同频率载波调制后的线性叠加。

步骤五：对I′进行傅立叶变换即可获得目标入射光的Stokes矢量(请参照图2)，从而获得目标的偏振信息。

Claims (3)

1.一种静态干涉成像偏振仪，其特征在于：包括沿入射光方向依次设置的前置望远系统（1）、调制延迟器（2）、偏振干涉仪（3）、光学收集透镜（4）、面阵探测器（5）和计算机处理系统（6），所述调制延迟器（2）由第一延迟器（21）和第二延迟器（22）组成；所述偏振干涉仪（3）由起偏器（31）、萨瓦尔偏光镜（32）和检偏器（33）组成；所述的第一延迟器（21）与第二延迟器（22）的厚度比例为1：2；所述的第一延迟器（21）的快轴方向与第二延迟器（22）的快轴方向的夹角为45°

其中由目标发出的入射光经前置望远系统（1）准直后进入调制延迟器（2），经过调制延迟器（2）后成为加载有调制信息的出射光，该出射光再通过偏振干涉仪（3）变成两束振动平行且传播方向平行于入射光方向的线偏振光，该线偏振光经过收集透镜（4）后发生干涉并汇聚于面阵探测器（5）上，再经计算机处理系统（6）处理获得目标的形影信息、光谱信息和偏振信息。

2.根据权利要求1所述的静态干涉成像偏振仪，其特征在于：所述起偏器（31）和检偏器（33）的透光方向与第一延迟器（21）的快轴方向平行。

3.一种根据权利要求1所述的静态干涉成像偏振仪获得目标的偏振信息的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：

步骤一：由公式（1）获得静态干涉成像偏振仪的Mueller矩阵M：

$M=\frac{1}{4}[1+\cos \mathrm{\δ}]\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(1\right);$

其中δ=2πΔσ，为Savart偏光镜中两束光之间的相位差；Δ为Savart偏光镜中两束光之间的光程差；σ=1/λ为波数，取决于光谱仪的波长响应范围；

步骤二：由公式（2）获得入射光经过调制延迟器和偏振干涉仪前后的Stokes矢量：

S_out=M_SavartM_ΠM_ΙS_in  （2）；

式中M_Ι、M_Π和M_Savart分别为第一延迟器、第二延迟器和偏振干涉仪的Mueller矩阵，设M=M_SavartM_ΠM_Ι为总的Mueller矩阵；S_out代表入射光经过偏振干涉仪后的Stokes矢量；S_in代表入射光经过调制延迟器前的Stokes矢量；

步骤三：将调制延迟器的相位差

和波数σ之间的关系由（3）式表示：

（i=j；i=1,2；j=1,2）  (3)；

其中

和

分别表示光线经过第一延迟器、第二延迟器的相位延迟量，σ=1/λ为波数取决于光谱仪的波长响应范围；Δn为延迟器中o光和e光之间的折射率差；d_j为延迟器的厚度；

步骤四：令

$S_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}I\\ M\\ C\\ S\end{array}\right],S_{\mathrm{out}}=\left[\begin{array}{c}{I}^{\′}\\ M^{\′}\\ C^{\′}\\ S^{\′}\end{array}\right]$

其中I代表入射光的总光强；M代表水平方向、垂直方向的强度差；C代表入射光45°方向与135°方向的强度差；S代表入射光右旋方向与左旋方向的强度差；I′代表出射光的总光强；M′代表出射光水平方向、垂直方向的强度差；C′代表出射光45°方向与135°方向的强度差；S′代表出射光右旋方向与左旋方向的强度差；由式S_out=M_SavartM_ΠM_ΙS_in获得出射光的强度谱I′为：

其中强度谱I′为入射光Stokes矢量元素谱经不同频率载波调制后的线性叠加；

步骤五：对I′进行傅立叶变换即可获得入射光的Stokes矢量，从而获得目标的偏振信息。

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