[發(fā)明專利]快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置及方法

有效

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• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106872037B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設計）人: 穆廷魁;陳澤宇;張淳民
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01J3/447
• 分類號: G01J3/447
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發(fā)明公開一種快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置及方法，裝置包括物鏡、光場調(diào)制單元、微光學陣列、面陣探測器和數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)；物鏡、光場調(diào)制單元、微光學陣列和面陣探測器沿入射光向依次設置；光場調(diào)制單元置于物鏡的孔徑光闌位置，微光學陣列置于物鏡的像面位置，面陣探測器置于微光學陣列的后焦面上，并與數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)相連；光場調(diào)制單元包含偏振調(diào)制模塊和光譜濾光片陣列；偏振調(diào)制模塊包含沿入射光方向依次放置的第一雙楔形延遲板、第二雙楔形延遲板和線偏振器。本發(fā)明的裝置適用于探測動態(tài)或快變目標的全光信息、能有效地避免由目標變化、抖動噪聲、或環(huán)境變化等因素所帶來的負面影響，在天文觀測、空間探測、地球遙感、機器視覺及生物醫(yī)學診斷等領域具有潛在的應用價值。

技術領域

本發(fā)明屬于光學遙感探測領域，特別涉及一種偏振光譜成像裝置。

背景技術

物體輻射的電磁波中含有目標的空間、光譜和偏振等重要遙感信息，不僅能用于反演目標的形態(tài)及物理化學等特性，還能去除背景噪聲提供高對比度的表面、形貌、陰影和粗糙度等信息。為使空間、光譜和偏振三維信息優(yōu)勢互補，增強探測復雜背景中目標的能力，應運而生了集三維信息獲取技能于一體的新型前沿遙感探測技術：偏振光譜成像技術。其數(shù)據(jù)產(chǎn)品既可視為每個波長對應的多維偏振圖像，也視為每個偏振態(tài)對應的光譜圖像，對提高目標探測、識別及分類的效率和精準度具有一定潛力，在軍事偵察、地球資源普查、環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測、自然災害預報、大氣探測、天文觀測、機器視覺仿生、生物醫(yī)學診斷等諸多領域都將具有重要的應用價值和前景。

偏振光譜成像技術是由偏振調(diào)制模塊和光譜分光模塊融合而成，后兩者自身工作特點決定著前者的特性。若按獲取二維空間目標的偏振和光譜信息的方式來分，偏振調(diào)制模塊和光譜分光模塊均可分為時序式和快照式兩大類。當前，大多數(shù)偏振光譜成像技術都采用時序掃描方式(如畫幅式、推掃式、或窗掃式)獲取二維場景的偏振光譜圖像，需要從不同時刻獲取的多幀圖像數(shù)據(jù)中提取并重組二維空間目標的偏振光譜圖像。涉及的技術主要是將時序式偏振調(diào)制模塊與快照式光譜分光模塊結合，或者將時序式偏振調(diào)制模塊與時序式光譜分光模塊結合，或者將快照式偏振調(diào)制模塊與時序式光譜分光模塊結合。時序獲取技術不適于動態(tài)或快速變化目標，大氣或周圍環(huán)境的不穩(wěn)定性也會影響成像質(zhì)量，還需要精確的空間定位系統(tǒng)。

相比之下，將快照式偏振調(diào)制模塊與快照式光譜分光模塊有機融合，可以快速實時探測二維空間目標的偏振光譜圖像，不僅提高了工作效率，還可有效避免多次測量時因環(huán)境變化而帶來的影響，因此快照式偏振光譜成像技術是當前和未來發(fā)展的主要方向，具有重要的應用潛力。當前的快照式全偏振光譜成像裝置主要是基于積分視場成像、壓縮傳感成像、或者計算層析成像技術，不僅系統(tǒng)復雜，還需要繁重的數(shù)據(jù)重建反演算法。

1996年，文獻【1】報道了一種全色的光場相機，系統(tǒng)的光學部分包含了一個主鏡，一個微光學陣列和一套二次成像光學透鏡。其中，微光學陣列可以是微透鏡陣列或者是維孔徑陣列；若在主鏡的孔徑光闌位置處進行光學調(diào)制便可以形成不同性能的快照式偏振和光譜成像裝置，因此光場調(diào)制元件和技術是實現(xiàn)偏振光譜成像關鍵所在。2005年，文獻【2】提出將文獻【1】中的二次成像光學透鏡去除，僅利用主鏡和微透鏡實現(xiàn)手持式的全色光場成像相機，具有簡單緊湊的優(yōu)越特點。2009年，文獻【3】提出在文獻【2】裝置中的主鏡孔徑光闌處放置并列的光譜濾光片陣列和線偏振濾光陣列，利用微孔徑陣列獲得線偏振圖像和多光譜圖像；該裝置不能獲取圓偏振光的信息，而且偏振圖像與光譜圖像是分離的，不能獲取與波長有關的偏振信息。隨后，文獻【4】提出將文獻【3】裝置中的濾光片陣列換成線性漸變光譜濾光片用以提高光譜分辨率。2010年，文獻【5】提出將文獻【4】裝置的微孔徑陣換成微透鏡陣列用以提高光通量，這與文獻【2】使用的方法一致。2013年，文獻【6】提出在文獻【2】裝置中的主鏡孔徑光闌處放置并列的線偏振濾光陣列與線性漸變光譜濾光片，獲取分離的偏振圖像和高光譜圖像。2012年，文獻【7】設計了幾組不同的光譜濾光片陣列用以提高光譜分辨率，并將文獻【3】和【4】中的微孔徑陣列替換為微透鏡陣列，用以提高光通量。