專利名稱：：基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀的制作方法
技術領域：
：本實用新型屬光學領域，涉及一種成像光譜偏振儀器，尤其涉及一種基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光偏振儀。
背景技術：
：成像光譜偏振測量(ImagingSpectropolarimetry)技術是一種能夠獲得目標圖像，并且獲得圖像中每一個像元的光譜偏振信息的一種光學信息獲取技術，成像光譜偏振儀能夠同時獲得目標的圖像、光譜和偏振信息，在工農業、遙感和軍事上具有重要的應用價值，是國際上前沿研究課題之一。一般情況下，二維焦平面探測器一次曝光只能獲取二維信息，要獲得目標的圖像、光譜和偏振信息，必須經歷某種形式的機械掃描或電調諧掃描過程。EustaceL.Dereniak等設計的計算層析成像光譜偏振儀EustaceL.Dereniak,NathanA.Hagen,WilliamR.Johnson,et.al.“ImagingSpectropolarimetry".ProceedingsofSPIEVol.5074,272285(2003)能夠在一次曝光中獲取目標的空間、光譜和全斯托克斯偏振信息，但受到計算全息光柵衍射角、焦面陣列探測器大小的影響，光譜分辨率和空間分辨率都受到限制，且存在原理性的“失錐”現象。日本學者KevinW.Peters提出的在空間調制成像光譜儀的準直光路中加入液晶可調諧相位延遲器的成像光譜偏振儀Kevinff.Peters,TheodoreS.Turner,Jr.et.al."Portablevisibleimagingspectropolarimeterforremotesensingapplications”.SPIEVol.3498，223230(1998)能夠獲得目標的全斯托克斯光譜偏振信息，但是需要對同一目標進行多次掃描成像才能完成，對圖像配準帶來很大困難。日本國家宇航實驗室提出的基于液晶可調諧濾光片的成像光譜偏振儀，在獲取目標的偏振信息時需要有步進電機驅動液晶可調諧光片旋轉，由于有運動部件，穩定性有所降低，同時它只能進行線偏振態的測量，不能夠完成全斯托克斯偏振態的測量。美國重飛行器研究公司研制的快拍式成像光譜偏振儀St印henH.Jones,FrankJ.Iannarilli,andPaulL.Kebabian."Relazationofquantitative-gradefiedablesnapshotimagingspectropolarimeter”OpticsExpress,Vol.12,65596573(2004)需要經過平臺移動或景物移動來獲得目標的二維圖像。
實用新型內容為了解決
背景技術：
中存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種具有無運動部件、靜態測量、全斯托克斯偏振態測量、高空間分辨率、結構簡單且穩定性好的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀。本實用新型的技術解決方案是本實用新型提供了一種基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，包括前置光學系統、準直鏡以及與前置光學系統和準直鏡同處于同一光軸上的液晶可調諧濾光片，其特殊之處在于所述基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀還包括相位調制模塊；所述相位調制模塊置于準直鏡和液晶可調諧濾光片之間并與準直鏡和液晶可調諧濾光片共處于同一光軸上。上述相位調制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是粘接在一起的。上述相位調制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是依次設置在準直鏡和液晶可調諧濾光之間的。上述第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面和第二相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面分別與系統光軸垂直。上述第一相位延遲器的快軸方向與液晶可調諧濾光片的檢偏器偏振方向相同；所述第二相位延遲器的快軸方向與第一相位延遲器的快軸方向的夾角呈45°。上述第一相位延遲器和第二相位延遲器均是由單軸雙折射晶體材料。上述第一相位延遲器和第二相位延遲器是由方解石或石英制成。上述液晶可調諧濾光片的型號是VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型。本實用新型的優點是本實用新型徹底省卻了機械掃描機構，能夠在靜態條件下通過電調諧的液晶可調諧濾光片的光譜掃瞄完成目標空間、光譜和全斯托克斯偏振信息的獲取。同時還具有結構簡單、體積小、重量輕和穩定性好的優點，具體說來，本實用新型具有以下優點1、能夠獲得全斯托克斯偏振信息，且不需要專門的機械式偏振態掃描。本實用新型利用靜態的相位延遲器和線偏振器將偏振信息調制到光譜中去，然后再從復原光譜中解調出入射光的偏振態信息，能夠獲得全斯托克斯偏振信息，且不需要專門的機械式偏振態掃描。2、穩定性強、分辨率高。本實用新型能夠靜態凝視成像，不需要目標或儀器平臺的移動來獲取目標的空間信息，穩定性大大提高，同時，空間分辨率主要由焦面陣列探測器的像元數限制，利用較大的面陣能夠獲得更高的空間分辨率。3、體積小，成本低廉。本實用新型利用了液晶可調諧濾光片可作為線偏振器特點，省去了偏振-光譜調制型光譜偏振儀中的線偏振器，減小了體積。同時，本實用新型所提供成像光譜偏振儀的前置光學系統、準直鏡、液晶可調諧濾光片、成像鏡、焦面陣列探測器和計算機等都來自現貨商品，大大降低了儀器成本。圖1為本實用新型所提供基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀的結構示意圖；圖2為本實用新型所述的偏振-光譜調制結構示意圖。具體實施方式參見圖1，本實用新型提出的一種基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，是在基于液晶可調諧濾光片的成像光譜儀的液晶可調諧濾光片6前的準直光路中放置相位延遲器的方式實現的，通過相位延遲器和線偏振器將輸入光的全斯托克斯偏振信息調制到光譜中去，最后利用計算機信號處理技術將各斯托克斯分量光譜復原出來，可用于可見光和近紅外譜段。[0021]本實用新型所提供的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，前置光學系統1，將目標成像；準直鏡2將光束準直，在準直光路中放入由相位延遲器3和相位延遲器4組成的相位調制模塊5，以及液晶可調諧濾光片6，再由成像鏡7將目標的像成像于焦面陣列探測器8上，計算機9與液晶可調諧濾光片6和焦面陣列探測器8連接。前置光學系統1用于對感興趣目標成像，成像位置在準直鏡2的前焦面上。準直鏡2將進入光學系統的光束準直，第一相位延遲器3和第二相位延遲器4依次放置于準直鏡后的準直光路中，均由單軸雙折射晶體材料，可以采用方解石(冰洲石)或石英材料制成，為減小體積，兩個相位延遲器可粘接在一起。前置光學系統1、準直鏡2、液晶可調諧濾光片6和計算機都是有現貨供應的商品(COTS)，相位延遲器根據儀器參數進行設計定制。液晶可調諧濾光片6的透過波長由計算機9控制，同時計算機9控制焦面陣列探測器8的曝光和圖像采集，最終在計算機9上利用算法完成目標每個像元的光譜和全斯托克斯偏振態的復原。液晶可調諧濾光片6具有透過光束波長的調諧能力，同時還具有線偏振器的特點，與相位調制模塊5組合可以完成偏振-光譜調制功能，即將入射光的光譜偏振態調制到入射光的波數(波長的倒數)上去，然后經過解調算法從復原光譜中解調出全斯托克斯偏振信息。液晶可調諧濾光片6緊挨相位延遲器4放置，液晶可調諧濾光片可采用美國CRI公司的VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型兩種產品。其中VariSpecVISR的光譜范圍是480720nm，分辨率為0.25nm,VariSpecNIRR的光譜范圍是650llOOnm，分辨率是0.75nm。液晶可調諧濾光片由計算機軟件控制，根據需要可實現透過波長的連續改變；成像鏡7將透過液晶可調諧濾光片6的的平行光再次成像于焦面陣列探測器8上，焦面陣列探測器8也由計算機控制，完成對準單色光圖像的采集，圖像的采集與液晶可調諧濾光片6的波長改變協調，每調整一次透過波長，穩定后采集一幅圖像，采集完圖像后再調整一次波長，按照此方式完成整個圖像序列的采集。計算機9采集完整個圖像序列后將圖像序列組成一個光譜數據立方體，包括二維圖像和一維光譜，圖像中的每一個像元都有一條特定的光譜曲線。對每一個像元的光譜曲線進行傅里葉變換，此時該像元的各斯托克斯光譜分量將在頻域被分開，采用不同的窗函數將每個斯托克斯分量的傅里葉變換曲線分離出來，再對每一個傅里葉變換曲線進行逆傅里葉變換即可復原出全斯托克斯分量的光譜。參見圖2，本實用新型在工作時，其光譜偏振調制詳細過程如下第一相位延遲器3的快軸11和慢軸12組成的平面與光軸10垂直，第二相位延遲器4的快軸13和慢軸14組成的平面也與光軸10垂直；第一相位延遲器3的快軸11方向與液晶可調諧濾光片6的起偏器的線偏振方向15平行，第二相位延遲器4的快軸13的方向與第一相位延遲器3的快軸方向11的夾角為45度，兩相位延遲器膠合在一起，厚度分別是L1和L2；對于任意斯托克斯向量輸入，輸出可以用以下表達式表示上式中s。ut為輸出光束的斯托克斯向量，sin=(s0,Sl，s2,s3)T為輸入光束的斯托克斯向量。等式右邊三個矩陣依次是液晶可調諧濾光片6的起偏器、第一相位延遲器3、第二相位延遲器4的米勒矩陣。S工和S2分別是第一相位延遲器3和第二相位延遲器4的相位延遲量，它們都是波數o(波長的倒數)的函數，由式(2)確定6(o)=23idAno(2)上式中，d為延遲器材料的厚度，An為尋常光和異常光的折射率之差。將式(1)中的矩陣相乘得到由于探測器本身只對光強度信號有響應，而對偏振態無響應，探測器接收到的fi號為透過線偏振器的光的全部強度，對應于輸出斯托克斯向量的第一個元素。因此，探測器接收到的光強是波數o的函數，如下式。2I(o)=s0+s1cos(82)+s2sin(82)sin(82)-s3cos(81)sin(82)(4)上述等式描述了偏振調制模塊將隨波數變化的全斯托克斯分量調制進光譜儀輸出光譜的機理。采用歐拉方程eix=cosx+isinx對上述等式進行修改，可得由式(5)可知探測器接收到的強度包含有7個基于延遲器的不同的頻率分量0、士S2、士(S2+S)和士(S2-S》。如果兩個探測器采用同樣的材料，當第二相位延遲器4的厚度是第一相位延遲器3的兩倍時，那么上述七個頻率通道將會等間隔分開。通過對光譜儀采集到的強度譜進行傅里葉變換將會得到七個相互分開的頻率通道。將每個通道進行分離，經過逆傅里葉變換即可達到S(l(0)、Sl(0)、s2(0)和s3(o)。權利要求一種基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，包括前置光學系統、準直鏡以及與前置光學系統和準直鏡處于同一光軸上的液晶可調諧濾光片，其特征在于所述基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀還包括相位調制模塊；所述相位調制模塊置于準直鏡和液晶可調諧濾光片之間并與準直鏡和液晶可調諧濾光片處于同一光軸上。2.根據權利要求1所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述相位調制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是粘接在一起的。3.根據權利要求1所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述相位調制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是依次設置在準直鏡和液晶可調諧濾光之間的。4.根據權利要求2或3所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面和第二相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面分別與系統光軸垂直。5.根據權利要求4所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器的快軸方向與液晶可調諧濾光片的檢偏器偏振方向相同；所述第二相位延遲器的快軸方向與第一相位延遲器的快軸方向的夾角呈45°。6.根據權利要求5所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器和第二相位延遲器均是由單軸雙折射晶體材料。7.根據權利要求6所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是由方解石或石英制成。8.根據權利要求1所述的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述液晶可調諧濾光片的型號是VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型。專利摘要本實用新型涉及一種基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光偏振儀，包括前置光學系統、準直鏡以及與前置光學系統和準直鏡同處于同一光軸上的液晶可調諧濾光片，還包括相位調制模塊；相位調制模塊置于準直鏡和液晶可調諧濾光片之間并與準直鏡和液晶可調諧濾光片共處于同一光軸上。本實用新型提供了一種具有無運動部件、靜態測量、全斯托克斯偏振態測量、高空間分辨率、結構簡單且穩定性好的基于液晶可調諧濾光片的靜態全斯托克斯成像光譜偏振儀。文檔編號G02F1/01GK201622116SQ20102002052公開日2010年11月3日申請日期2010年1月21日優先權日2010年1月21日發明者張林,王新全,胡亮,黃旻申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所