紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及方法，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统、微透镜阵列、全偏振调制模块、滤光片阵列和面阵探测器；全偏振调制模块包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜、第一半波片、第二双折射棱镜、第二半波片、第三双折射棱镜、第三半波片、第四双折射棱镜和线偏振片，它们均互相紧贴放置，滤光片阵列紧贴面阵探测器的感光面放置；面阵探测器的感光面垂直于探测装置光轴并置于微透镜阵列的焦面位置；面阵探测器与数据采集处理系统相连接。本发明专利技术快照一帧图像，利用傅里叶解调算法进行处理便可得到全部Stokes偏振参数对应的二维空间偏振光谱图像。

【技术实现步骤摘要】
紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及方法
本专利技术属于光学遥感探测领域，涉及一种用于偏振辐射探测领域的偏振成像装置，特别涉及一种可实时获取二维空间目标全偏振信息的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及探测方法。
技术介绍
物体辐射的电磁波中含有目标的空间、光谱和偏振等重要遥感信息，不仅能用于反演目标的形态及物理化学等特性，还能去除背景噪声提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息。为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，应运而生了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术：偏振光谱成像技术。其数据产品既可视为每个波长对应的多维偏振图像，也视为每个偏振态对应的光谱图像，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。若按获取二维空间目标的偏振和光谱信息的方式来分，偏振调制模块和光谱分光模块均可分为时序式和快照式两大类【1,2】。当前，大多数偏振光谱成像技术都采用时序扫描方式(如画幅式、推扫式或窗扫式)获取二维场景的偏振光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。涉及的技术主要是将时序式偏振调制模块与快照式光谱分光模块结合。根据矢量形式的双向反射分布函数，外场遥感探测中二维空间目标的偏振辐射分布具有时间门和方位角效应。因此时序获取技术的时间分辨率将受限，不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性会影响成像质量，需要精确的空间定位系统。相比之下，快照式成像技术则可以实时探测目标在特定时刻特定方位角的偏振光谱分布，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响，确保图像、光谱、偏振的一致性。当前快照式偏振光谱成像主要采用色散光谱成像配合全偏振调制的方式进行，比如：通道偏振调制计算层光谱成像技术【3】、通道偏振调制图像分割光谱成像技术【4,5】、积分视场光谱偏振成像技术【6,7】等等，这些系统相对比较庞大，结构复杂。基于棱镜的通道偏振调制技术具有结构紧凑微型化的优点【8-10】，但是仅能测量单色光的全偏振信息；基于滤光片阵列的光谱成像技术也具有结构紧凑的优点【11-15】，但是仅能测量光谱信息。参考文献【1】J.S.Tyo,D.L.Goldstein,D.B.Chenault,andJ.A.Shaw,"Reviewofpassiveimagingpolarimetryforremotesensingapplications,"Appl.Opt.45,5453-5469(2006).【2】N.HagenandM.W.Kudenov,"Reviewofsnapshotspectralimagingtechnologies,"Opt.Eng.52,090901(2013).【3】D.S.Sabatke,A.M.Locke,M.R.Descour,E.L.Dereniak,J.P.Garcia,T.K.Hamilton,andR.W.McMillan,"Snapshotimagingspectropolarimeter,"Opt.Eng.41,1048-1054(2002).【4】美国专利技术专利，“Imagemappedspectropolarimetry”，授权公告号：US9239263B2.【5】J.Craven-Jones,B.M.Way,J.Hunt,M.W.Kudenov,andJ.A.Mercier,"Thermallystableimagingchanneledspectropolarimetry,"Proc.SPIE8873,88730J(2013).【6】中国专利技术专利，“快照式积分视场成像全偏振高光谱探测装置”，授权公告号：CN103592030B.【7】H.J.Hoeijmakers,M.L.J.Arts,F.Snik,C.U.Keller,D.M.Stam,andJ.M.Kuiper,"Designtrade-offandproofofconceptforLOUPE,theLunarObservatoryforUnresolvedPolarimetryofEarth,"Opt.Express24,21435-21453(2016).【8】美国专利技术专利，“IMAGINGPOLARIMETRY”，美国专利号：US7,336,360B2.【9】K.OkaandT.Kaneko,"Compactcompleteimagingpolarimeterusingbirefringentwedgeprisms,"Opt.Express11,1510-1519(2003).【10】H.Luo,K.Oka,N.Hagen,T.Tkaczyk,andE.L.Dereniak,"Modelingandoptimizationforaprismaticsnapshotimagingpolarimeter,"Appl.Opt.45,8400-8409(2006).【11】R.Shogenji,Y.Kitamura,K.Yamada,S.Miyatake,J.Tanida,“Multispectralimagingusingcompactcompoundoptics,”Opt.Express12(8),1643(2004).【12】B.Geelen,N.Tack,A.Lambrechts,“ASnapshotMultispectralImagerwithIntegrated,TiledFiltersandOpticalDuplication,”SPIEVol.8613,861314(2013).【13】美国专利技术专利，“Snapshotspectralimagingsystemsandmethods”，美国专利号：US8081244B2.【14】美国专利技术专利，“Snapshotspectralimagingoftheeye”，美国专利号：US8109634B2.【15】P.Lapray,X.Wang,J.Thomas,andP.Gouton,“MultispectralFilterArrays:RecentAdvancesandPracticalImplementation,”Sensors14,21626-21659(2014).
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置及方法，利用通道偏振调制和滤光片光谱调制的紧凑小型化和快照式优势，实现二维空间目标偏振辐射信息的高空间分辨率实时成像，不存在时差和方位角变化引起的信息失配等问题，不受环境变化因素影响。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统、微透镜阵列、全偏振调制模块、滤光片阵列和面阵探测器；全偏振调制模块包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜、第一半波片、第二双折射棱镜、第二半波片、第三双折射棱镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统(10)、微透镜阵列(14)、全偏振调制模块(11)、滤光片阵列(15)和面阵探测器(12)；全偏振调制模块(11)包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜(111)、第一半波片(115)、第二双折射棱镜(112)、第二半波片(116)、第三双折射棱镜(113)、第三半波片(117)、第四双折射棱镜(114)和线偏振片(118)，它们均互相紧贴放置，滤光片阵列(15)的前后两面分别紧贴线偏振片(118)和面阵探测器(12)的感光面放置；面阵探测器(12)的感光面垂直于探测装置光轴并置于微透镜阵列(14)的焦面位置；面阵探测器(12)与数据采集处理系统(13)相连接。

【技术特征摘要】
1.紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，包括沿入射光向依次设置的前置光学系统(10)、微透镜阵列(14)、全偏振调制模块(11)、滤光片阵列(15)和面阵探测器(12)；全偏振调制模块(11)包括沿入射光向依次设置的第一双折射棱镜(111)、第一半波片(115)、第二双折射棱镜(112)、第二半波片(116)、第三双折射棱镜(113)、第三半波片(117)、第四双折射棱镜(114)和线偏振片(118)，它们均互相紧贴放置，滤光片阵列(15)的前后两面分别紧贴线偏振片(118)和面阵探测器(12)的感光面放置；面阵探测器(12)的感光面垂直于探测装置光轴并置于微透镜阵列(14)的焦面位置；面阵探测器(12)与数据采集处理系统(13)相连接。2.根据权利要求1所述的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，滤光片阵列(15)由若干不同中心波长的分立的窄带滤光片单元组成，各窄带滤光片单元的口径与微透镜阵列(14)中各子透镜单元的口径一致，在垂直于探测装置的平面内各窄带滤光片单元的中心和各子透镜单元的中心一一对应。3.根据权利要求1所述的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，滤光片阵列(15)是一个线性渐变滤光片，微透镜阵列(14)中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角，夹角大于0°，小于180°。4.根据权利要求1所述的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，探测装置光轴水平设置，z轴平行于光轴，且z轴正方向由前置光学系统(10)指向面阵探测器(12)；y轴正方向竖直向上；x轴垂直于y轴和z轴，x轴、y轴和z轴构成正交坐标系且符合右手定则；第一双折射棱镜(111)和第二双折射棱镜(112)的主截面均在yz平面内且为长方形，长边沿y方向，短边沿z方向；第三双折射棱镜(113)和第四双折射棱镜(114)的主截面均在xz平面内且为长方形，长边沿x方向，短边沿z方向；第一双折射棱镜(111)和第二双折射棱镜(112)的双折射材料相同且中心总厚度相同，第三双折射棱镜(113)和第四双折射棱镜(114)的双折射材料相同且中心总厚度相同。5.根据权利要求4所述的紧凑微型快照式通道调制全偏振光谱成像探测装置，其特征在于，第一双折射棱镜(111)由第一楔形棱镜(1111)和第二楔形棱镜(1112)组成；第二双折射棱镜(112)由第三楔形棱镜(1121)和第四楔形棱镜(1122)组成；第三双折射棱镜(113)由第五楔形棱镜(1131)和第六楔形棱镜(1132)组成；第四双折射棱镜(114)由第七楔形棱镜(1141)和第八楔形棱镜(1142)组成；第一楔形棱镜(1111)和第四楔形棱镜(1122)的中心厚度相同，沿y正向变窄，沿y负向变宽；第二楔形棱镜(1112)和第三楔形棱镜(1121)的中心厚度相同，沿y正向变宽，沿y负向变窄；第五楔形棱镜(1131)和第八楔形棱镜(1142)的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽；第六楔形棱镜(1132)和第七楔形棱镜(1141)的中心厚度相同，沿x正向变窄，沿x负向变宽；第一楔形棱镜(1111)和第三楔形棱镜(1121)的快轴均在主截面yz平面内与y轴成大小相等方向相反的夹角；第二楔形棱镜(1112)和第四楔形棱镜(1122)的快轴均在xz平面内与x轴平行；第五楔形棱镜(1131)和第七楔形棱镜(1141)的快轴均在主截面xz平面内与x轴成大小相等方向相反的夹角；...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆廷魁，陈泽宇，张淳民，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61