基于flc的高光譜全偏振成像裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學目標探測領域，具體涉及一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置和方法。
【背景技術】
[0002]成像光譜技術和偏振成像技術是空間成像技術與光譜分析及偏振測量技術的有機結合，是近年發展起來的新型光學遙感探測技術。
[0003]成像光譜技術獲取目標的二維空間信息和一維光譜信息。地表、海洋和天空中的任何物體在反射、透射和輻射光波的過程中都會表現出不同的光譜特性，對這些特征光譜進行分析，可識別出目標的種類、材質及物質組成。干涉成像光譜技術主要包括時間調制型、空間調制型和時空聯合調制型三大類。其中，時空聯合調制型技術是光譜成像領域中發展非常活躍的光譜探測技術。它通過在無限遠成像系統中加入橫向剪切分束器引入探測目標的干涉信息，利用傅里葉變換反演處理得到探測目標的二維空間光強信息和各點光譜信息，與時間調制型干涉成像光譜儀相比，像面干涉成像光譜儀內部可以去掉推掃運動部件，具有結構緊湊、穩定性能高的特點；與空間調制型干涉成像光譜儀相比，它沒有狹縫的限制，具有高光通量、高空間分辨率的優點。
[0004]利用偏振成像技術獲取目標的二維空間信息和偏振信息，偏振信息為獨立于光強度和光譜的信息，它能反映目標形貌取向、表面粗糙度、致密度、電導率、含水量等材料理化特征，不同的物體由于其表面特征不同，偏振度會有很大的差異。通過這些差異可增強圖像的對比度，也能用于物質的分類與識別。美國學者Pezzaniti和Chenault提出一種基于孔徑分割思想的偏振成像技術，可以在探測器靶面上形成四個視場相同、偏振態不同的目標場景圖像，這種方案受限于探測器靶面的大小，降低了系統的空間分辨率。Goldstein提出一種分時調制的偏振探測轉置，通過旋轉相位延遲器的光軸方向，改變系統穆勒調制矩陣，最后解調出探測目標的偏振信息。該系統需要動態調制，無法實現偏振信息的快速探測。孟鑫等人提出的高光譜全偏振傅里葉成像光譜儀，通過使用一個波片和一個線偏振實現偏振調制，由于系統要旋轉波片和線偏振片，單次測量不能同時獲取四個stokes矢量的偏振信息。
[0005]
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置和方法，通過采用兩個鐵電液晶進行偏振調制，即可實現高光譜分辨率、高通量，同時單次測量即能獲取全偏振信息，實現了對目標高分辨的光譜和偏振的同時探測。
[0007]實現本發明目的的技術解決方案為:一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物鏡、光闌、準直物鏡、偏振調制系統、Sagnac干涉器、后置成像物鏡和探測器;前置成像物鏡的成像面與準直物鏡的前焦面重合，光闌位于前置成像物鏡的成像面上;偏振調制系統包括沿光路依次設置的第一鐵電液晶、第一相位延遲片、第二鐵電液晶、第二相位延遲片和線偏振器，第一鐵電液晶、第一相位延遲片、第二鐵電液晶和第二相位延遲片的快軸及線偏振器的透光軸均位于與光路垂直的平面上;探測器(7)的靶面位于后置成像物鏡的像面位置。
[0008]一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置的成像方法，方法步驟如下:
步驟一:來自目標各點的光進入前置成像物鏡，通過光闌限制前置成像物鏡的像面形狀和尺寸，消除雜散光，再由準直物鏡準直，出射平行光束;光闌位于前置成像物鏡的成像面處，準直物鏡的物方焦平面與前置成像物鏡的像面重合。
[0009]步驟二:從準直物鏡出射的光束進入偏振調制系統，光束依次通過第一鐵電液晶、第一相位延遲片、第二鐵電液晶、第二相位延遲片和線偏振器;第一鐵電液晶、第二鐵電液晶在電壓的控制下，快軸角度發生0°和45°切換，第一鐵電液晶、第二鐵電液晶組合后共有四組快軸角度變化的形式；當偏振調制系統每進行一步干涉掃描時，每個鐵電液晶的快軸角度改變兩次，即每步干涉掃描時入射光經過四組快軸角度狀態的調制，并獲得四幅干涉圖像。
[0010]步驟三:經過偏振調制后的光束進入Sagnac干涉器，Sagnac干涉器包括分束鏡、第一反射鏡和第二反射鏡，光線經過分束鏡分為反射光和透射光，反射光依次經過第一反射鏡和第二反射鏡，再經分束鏡反射后出射至后置成像物鏡;透射光依次經過第二反射鏡和第一反射鏡后，再經分束鏡透射后出射至后置成像物鏡。
[0011]步驟四:由Sagnac干涉器出射的光束，經后置成像物鏡后成像在探測器上。
[0012]步驟五:每個物點經過偏振調制系統和Sagnac干涉器調制后形成的像點成像在探測器對應的象元上，在探測器的靶面上獲取物點的干涉光強信息，并對干涉光強信息進行處理，得到目標各點的光譜信息及全偏振信息。
[0013]上述步驟五中，對干涉光強信息進行處理，具體方法如下:
通過采用內置掃描或者系統整體掃描的方式對探測目標進行推掃，獲取目標各點不同光程差下的干涉信息的目標干涉圖像，并轉化為電信號，對獲取的電信號提取目標各點不同光程差下的干涉數據，提取各stokes偏振矢量下的干涉數據，對其進行傅里葉變換，從而獲取目標各點的光譜信息及全偏振信息。
[0014]上述采用內置掃描方式具體步驟為:轉動Sagnac干涉器，旋轉軸經過分束鏡中心，平行于y軸。
[0015]上述整體掃描方式具體步驟為:平移或旋轉整個基于FLC的高光譜全偏振成像裝置。
[0016]本發明對比已有技術具有以下顯著優點:
1.采用畫幅式干涉成像的方式，可以提高光通量和復原圖譜信噪比。同時，由于沒有像面狹縫結構，能夠實現更高的空間分辨率；
2.系統采用鐵電液晶(FLC)進行偏振調制，調制速度更快，單次測量即可實現同時探測目標的光譜和偏振信息。
【附圖說明】
[0017]圖1為基于FLC的高光譜全偏振成像光路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0019]結合圖1，本發明所述的一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置，包括沿光路方向依次放置的前置成像物鏡1、光闌2、準直物鏡3、偏振調制系統4、Sagnac干涉器5、后置成像物鏡6和探測器7;前置成像物鏡I的成像面與準直物鏡3的前焦面重合，且在前置成像物鏡I的成像面上放置光闌2;探測器7的靶面位于后置成像物鏡6的像面位置;其中偏振調制系統包括沿光路依次放置的第一鐵電液晶41、第一相位延遲片42、第二鐵電液晶43、第二相位延遲片44和線偏振器45;所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。
[0020]光路走向如下:探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡1、光闌2、準直物鏡3后，進入由第一鐵電液晶41、第一相位延遲片42、第二鐵電液晶43、第二相位延遲片44和線偏振器45組成的偏振調制系統4，光束經偏振調制系統4相位調制后，進入Sagnac干涉器5進行干涉調制，經干涉偏振調制后由后置成像物鏡6成像在探測器7上，每一個物點成像在對應的像元上;通過內置掃描或者整體掃描，可以獲取目標各點不同光程差下攜帶有干涉偏振信息的目標圖像。
[0021 ] 一種基于FLC的高光譜全偏振成像裝置的成像方法，方法步驟如下:
步驟一:來自目標各點的光進入前置成像物鏡1，通過光闌2限制前置成像物鏡I的像面形狀和