基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置及方法制造方法及图纸

技术编号:15688629 阅读:185 留言:0更新日期:2017-06-23 23:32
基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置及方法,本发明专利技术包括偏振分束器、半波片、Wollaston棱镜、角锥反射体、成像物镜和探测器,来自目标的入射光在探测器上产生干涉,采用内置式的干涉扫描方式,由探测器获得目标的干涉图像信息,最后经过傅里叶变换光谱复原处理后得到目标的光谱信息。本发明专利技术首次将单个Wollaston棱镜和角锥反射体组合成横向剪切分束器,降低高光谱成像仪的复杂度和制造成本,并且提高系统的稳定性和复原光谱的精度。本发明专利技术提出的高光谱成像装置及方法可为低复杂度、高稳定性、轻小型化、多功能化的高光谱成像仪器提供一种有效的技术途径。

Hyperspectral imaging device and method based on birefringent polarization interference

Hyperspectral imaging device and method of double refraction polarization interference, the invention includes a polarization beam splitter, half wave plate, Wollaston prism, pyramid reflector, imaging lens and detector, the incident light from target generated in the detector using scanning interferometry, built-in interference, interference image information obtained by the target detector, finally the spectral information of the target is obtained by Fourier transform spectral recovery after treatment. The invention will be the first single Wollaston prism and corner cube reflector combined lateral shearing beam splitter, reduce the complexity of hyperspectral imaging spectrometer and the manufacturing cost, and improve the stability and accuracy of the recovered spectrum. The hyperspectral imaging device and method provided by the invention can provide an effective technical approach for hyperspectral imaging instruments with low complexity, high stability, light miniaturization and multifunction.

【技术实现步骤摘要】
基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置及方法
本专利技术属于光谱成像
,涉及基于双折射偏振干涉原理的高光谱成像装置及方法,可用于物体的成像式光谱分析、自由空间光束或光纤导入光束的光谱分析,结合偏振调制技术还可以用于待测目标的光谱和偏振特性分析。
技术介绍
高光谱成像技术将成像技术与光谱技术结合在一起,在获取待测目标的二维空间信息的同时,也获得了精细的光谱信息,该技术的核心意义在于对可见光和红外辐射的细分成像,为物质的特性分析提供一种有效的判定手段,在食品安全、药品检测、生物医疗、农业生产、环境检测、生态监测、材料检测、化学分析、刑事侦查、文物修复、资源勘探等领域具有很大的应用潜力。干涉型高光谱成像技术由于其优异的光通量、光谱分辨率和空间分辨率特性,在众多的光谱成像技术中占有重要位置。目前的干涉型高光谱成像技术主要采用了Michelson、Sagnac、Mach-Zehnder、Fabry–Pérot干涉成像技术,以及以Wollaston和Savart棱镜为主的双折射偏振干涉成像技术。而基于双折射偏振干涉技术的高光谱成像仪具有结构简单、体积紧凑的优点,在实际应用中具有很大潜力。其中,基于Wollaston棱镜的方法需要两个Wollaston棱镜组合成横向剪切分束器,参见A.R.Harvey,D.W.Fletcher-Holmes.BirefringentFourier-transformimagingspectrometer.OpticsExpress,2004,12(22):5368-5374。但在实际加工和装调中,难以保证两个Wollaston棱镜的结构参数完全相同。因此,当入射光束经过它们之后,被剪切开来的两束光束难以保持相同的出射方向,导致干涉条纹信号的混叠和调制度降低,影响复原光谱的精度。为了解决这一问题,一方面需要提高Wollaston棱镜的加工工艺水平,另一方面需要提高Wollaston棱镜的结构支撑精度和稳定性。然而,这两方面的技术途径却增加了系统的复杂度和制造成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是:为了解决高光谱成像装置的复杂度和稳定性问题,提出一种将单个Wollaston棱镜和角锥反射体组合成横向剪切分束器的高光谱成像装置及方法。在光路中加入偏振调制组件,能同时实现待测目标的光谱和偏振特性测量。在系统前端放置散射片,能以扫描方式或静态方式测量自由空间光束或光纤导入光束的光谱和偏振特性。本专利技术的技术方案为:基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,包括沿入射光方向依次放置的偏振分束器、半波片、Wollaston棱镜和角锥反射体,以及在出射光路上依次设置的成像物镜和探测器,偏振分束器、半波片、Wollaston棱镜和角锥反射体共中心轴,称为第一光轴,成像物镜和探测器共中心轴,称为第二光轴;偏振分束器的透振方向与Wollaston棱镜的其中一片楔板的晶体光轴方向相同,并且垂直于第一光轴,平行于第二光轴;半波片的快轴与偏振分束器的透振方向夹角为22.5°或67.5°,且半波片的快轴垂直于第一光轴;角锥反射体的三个反射面与第一光轴的夹角相同;Wollaston棱镜和角锥反射体组成横向剪切分束器,用于入射光束的横向剪切。偏振分束器为偏振分光棱镜或偏振分光平片;角锥反射体为角锥棱镜或中空角锥反射器。作为第一种改进,沿入射光方向,在偏振分束器前还依次设有第一相位延迟器和第二相位延迟器,第一相位延迟器和第二相位延迟器的快轴均垂直于第一光轴。作为第二种改进,沿入射光方向,在偏振分束器前还依次设有第一铁电液晶、第一相位延迟片、第二铁电液晶和第二相位延迟片,第一铁电液晶、第一相位延迟片、第二铁电液晶和第二相位延迟片的快轴均垂直于第一光轴。作为第三种改进,沿入射光方向,在偏振分束器前还依次设有前置成像物镜、视场光阑和准直物镜,视场光阑位于前置成像物镜的像面处,准直物镜的物方焦平面与前置成像物镜的像面重合。第三种改进方案可分别与第一和第二种改进方案结合得到第四、第五种改进方案。作为第六种改进,沿入射光方向,在偏振分束器前还设有散射片,散射片垂直于第一光轴。第六种改进方案可分别与第一至第五种改进方案结合得到新的改进方案。本专利技术基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,包括以下步骤第一步,来自目标的入射光束进入偏振分束器,偏振分束器把入射光分解成垂直于入射面振动的反射线偏振光和平行于入射面振动的透射线偏振光;第二步,透射线偏振光经过半波片后偏振方向旋转45°,与Wollaston棱镜的光轴夹角为45°;第三步,线偏振光经过Wollaston棱镜后被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、出射方向分开的线偏振光;第四步,两束线偏振光入射到角锥反射体后,各自以平行于入射方向反射至Wollaston棱镜;第五步,两束线偏振光再次经过Wollaston棱镜后,变成两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、且相间隔的线偏振光;第六步,两束平行的线偏振光经过半波片后,偏振方向均旋转45°,并再次进入偏振分束器;第七步,两束线偏振光经过偏振分束器后,垂直于入射面振动的线偏振光分量被反射,该反射光经过成像物镜后会聚于探测器靶面上产生干涉,进而由探测器获得目标的干涉图像信息,最后经过傅里叶变换处理后即复原出目标的光谱信息。在此基础上,成像装置具有四种内置式的干涉扫描方式:第一种,旋转Wollaston棱镜和角锥反射体,旋转轴垂直于成像装置底座平面;第二种,平移Wollaston棱镜,平移方向垂直于第一光轴,并且平行于成像装置底座平面;第三种,平移角锥反射体,平移方向垂直于第一光轴,并且平行于成像装置底座平面;第四种,旋转角锥反射体,旋转轴平行于第一光轴,角锥反射体的顶点与旋转轴具有间隔,即角锥反射体是离轴旋转的;采用这四种干涉扫描方式,对应的光学元件每旋转一个角度或平移一个距离,探测器采集一次干涉信息;当扫描完成后获得一个干涉图像序列,对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据,即可组成一个完整的干涉信号数据,对该干涉信号数据进行光谱复原处理即得到该像素位置的光谱信息。上述第一种改进方案所述的高光谱成像装置的成像方法一种为:第一相位延迟器和第二相位延迟器为双折射晶体时,入射光经过这两个相位延迟器以及后续的光学器件后,在探测器靶面上产生干涉;第一相位延迟器和第二相位延迟器将入射光的斯托克斯分量信息调制到不同的波数上,在每步干涉扫描获取的干涉图像中有七组分离开的干涉信号;经过成像装置的干涉扫描后得到一个干涉图像序列,对每个像素位置依次提取每帧图像相同位置上的图像数据,得到一个具有七组分离开的干涉信号,分别截取每组干涉信号进行独立光谱复原,即可获得该像素位置处的在每个斯托克斯分量上的光谱信息。上述第一种改进方案所述的高光谱成像装置的成像方法另一种为:第一相位延迟器和第二相位延迟器为液晶可变相位延迟器时,改变相位延迟器的控制电压值能够改变相位延迟量;每个相位延迟器设置两个输入电压值,即共有四组相位延迟量的组合形式;当成像装置进行每一步干涉扫描时,每个相位延迟器改变两次电压值,即每步干涉扫描时入射光经过四组相位延迟量的调制;经过干涉扫描后得到四个对应于不同相位延迟量组合的干涉图像序列;对每个干涉图像序列中的每个像本文档来自技高网
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基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置及方法

【技术保护点】
基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:包括沿入射光方向依次放置的偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4),以及在出射光路上依次设置的成像物镜(5)和探测器(6),偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)共中心轴,称为第一光轴,成像物镜(5)和探测器(6)共中心轴,称为第二光轴;偏振分束器(1)的透振方向与Wollaston棱镜(3)的其中一片楔板的晶体光轴方向相同,并且垂直于第一光轴,平行于第二光轴;半波片(2)的快轴与偏振分束器(1)的透振方向夹角为22.5°或67.5°,且半波片(2)的快轴垂直于第一光轴;角锥反射体(4)的三个反射面与第一光轴的夹角相同;Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)组成横向剪切分束器,用于入射光束的横向剪切。

【技术特征摘要】
1.基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:包括沿入射光方向依次放置的偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4),以及在出射光路上依次设置的成像物镜(5)和探测器(6),偏振分束器(1)、半波片(2)、Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)共中心轴,称为第一光轴,成像物镜(5)和探测器(6)共中心轴,称为第二光轴;偏振分束器(1)的透振方向与Wollaston棱镜(3)的其中一片楔板的晶体光轴方向相同,并且垂直于第一光轴,平行于第二光轴;半波片(2)的快轴与偏振分束器(1)的透振方向夹角为22.5°或67.5°,且半波片(2)的快轴垂直于第一光轴;角锥反射体(4)的三个反射面与第一光轴的夹角相同;Wollaston棱镜(3)和角锥反射体(4)组成横向剪切分束器,用于入射光束的横向剪切。2.根据权利要求1所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:偏振分束器(1)为偏振分光棱镜或偏振分光平片;角锥反射体(4)为角锥棱镜或中空角锥反射器。3.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8),第一相位延迟器(7)和第二相位延迟器(8)的快轴均垂直于第一光轴。4.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有第一铁电液晶(9)、第一相位延迟片(10)、第二铁电液晶(11)和第二相位延迟片(12),第一铁电液晶(9)、第一相位延迟片(10)、第二铁电液晶(11)和第二相位延迟片(12)的快轴均垂直第一光轴。5.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还依次设有前置成像物镜(13)、视场光阑(14)和准直物镜(15),视场光阑(14)位于前置成像物镜(13)的像面处,准直物镜(15)的物方焦平面与前置成像物镜(13)的像面重合。6.根据权利要求3或4所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,先依次设置前置成像物镜(13)、视场光阑(14)和准直物镜(15),再设置其他光学元件,视场光阑(14)位于前置成像物镜(13)的像面处,准直物镜(15)的物方焦平面与前置成像物镜(13)的像面重合。7.根据权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,在偏振分束器(1)前还设有散射片(16),散射片(16)垂直于第一光轴。8.根据权利要求3-6任一项所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置,其特征在于:沿入射光方向,先设置散射片(16)再设置其他光学元件,散射片(16)垂直于第一光轴。9.权利要求1或2所述的基于双折射偏振干涉的高光谱成像装置的成像方法,其特征在于:第一步,来自目标的入射光束进入偏振分束器(1),偏振分束器(1)把入射光分解成垂直于入射面振动的反射线偏振光和平行于入射面振动的透射线偏振光;第二步,透射线偏振光经过半波片(2)后偏振方向旋转45°,与Wollaston棱镜(3)的光轴夹角为45°;第三步,线偏振光经过Wollaston棱镜(3)后被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、出射方向分开的线偏振光;第四步,两束线偏振光入射到角锥反射体(4)后,各自以平行于入射方向反射至Wollaston棱镜(3);第五步,两束线偏振光再次经过Wollaston棱镜(3)后,变成两束出射方向互相平行、振动方向互相垂直、且有间隔的线偏振光;第六步,两束平行的线偏振光经过半波片(2)后,偏振方向均旋转45°,并再次进入偏振分束器(1);第七步,两束线偏振光经过偏振分束器(1)后,垂直于入射面振动的线偏振光分量被反射,该反射光经过成像物镜(5)后会聚于探测器(6)靶面上产生干涉,进而由探测器(6)获得目标的干涉图像信息,最后经过傅里叶变换处理后即复原出目标的光谱信息。10.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:李建欣
申请(专利权)人:南京衍射光电科技有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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