本發(fā)明屬于光學遙感探測領(lǐng)域，特別涉及一種偏振光譜成像裝置。

背景技術(shù)：

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(yīng)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(shù)：偏振光譜成像技術(shù)。其數(shù)據(jù)產(chǎn)品既可視為每個波長對應(yīng)的多維偏振圖像，也視為每個偏振態(tài)對應(yīng)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(zāi)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(lǐng)域都將具有重要的應(yīng)用價值和前景。

偏振光譜成像技術(shù)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(shù)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(shù)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(jié)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(jié)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(jié)合。時序獲取技術(shù)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(shù)是當前和未來發(fā)展的主要方向，具有重要的應(yīng)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(shù)，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(shù)是實現(xiàn)偏振光譜成像關(guān)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(guān)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(shè)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。

2012年，中國發(fā)明專利“一種快照式高通量的光譜成像方法和光譜成像儀”(授權(quán)公告號：CN 102944305B)【8】也提出將文獻【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，這與文獻【5】的方法一致。2013年，中國發(fā)明專利“多光譜光場相機的成像方法”(授權(quán)公告號：CN 103234527B)【9】提出在中國發(fā)明專利“一種快照式高通量的光譜成像方法和光譜成像儀”(授權(quán)公告號：CN 102944305B)【8】的裝置后面引入組合接力透鏡，將微光學陣列的后焦平面二次轉(zhuǎn)移到探測器光敏面上，以利于布置探測器；但是這種方法會增加系統(tǒng)的體積，不利于小型化；而且這種二次成像方法與文獻【1】在1996年報道的方法一樣，文獻【2】的創(chuàng)新之處就在于去除文獻【1】的后置二次成像光學以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化。2013年中國發(fā)明專利“一種快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像儀”(授權(quán)公告號：CN 103472592B)【10】提出在主鏡處放置四分區(qū)的線偏振濾光片陣列(0°，45°，90°，135°，)，這種方法類似于將文獻【3】和【6】中的光譜濾光片去掉，僅實現(xiàn)線偏振成像；2015年中國發(fā)明專利申請“一種光場偏振成像系統(tǒng)的偏振定標方法”(申請公開號：CN 105300523 A)【11】和中國發(fā)明專利申請“一種偏振多光譜成像系統(tǒng)的偏振通道定標方法”(申請公開號：CN 105890761 A)【12】，報道了一種用于定標中國發(fā)明專利“一種快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像儀”(授權(quán)公告號：CN 103472592B)【10】所報道偏振成像系統(tǒng)的方法。

可以看出，現(xiàn)有的基于光場成像的緊湊型快照式偏振與光譜成像裝置或方法，只能獲得線偏振光的信息，而且線偏振光圖像與光譜圖像是分離不相關(guān)的。2012年，中國發(fā)明專利，“干涉光場成像高光譜全偏振探測裝置”(授權(quán)公告號：CN102680101 B)【13】和中國發(fā)明專利，“同步偏振調(diào)制干涉成像光譜偏振探測裝置及方法”(申請公開號：CN102680101A)【14】，均提出利用成像式的橫向剪切干涉儀接收文獻【2】裝置中微透鏡后焦面的分離像點，并在主鏡的孔徑光闌處放置四分區(qū)的全偏振調(diào)制元件，用以獲取全Stokes偏振參數(shù)的光譜圖像；但是由于橫向剪切干涉儀需要掃描目標才能獲得全部光程差對應(yīng)的干涉圖，因此兩個發(fā)明專利報道的裝置都需要采用時序獲取方式，不能實現(xiàn)快照式獲取，而且系統(tǒng)復雜，體積較大。

參考文獻

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【7】K.Berkner,S.A.Shroff,“Design framework for a spectral mask for a plenoptic camera,”SPIE Vol.8743,87430R-1(2013).

【8】中國發(fā)明專利，“一種快照式高通量的光譜成像方法和光譜成像儀”，授權(quán)公告號：CN 102944305B.

【9】中國發(fā)明專利，“多光譜光場相機的成像方法”，授權(quán)公告號：CN 103234527B.

【10】中國發(fā)明專利，“一種快照式高通量的偏振成像方法和偏振成像儀”，授權(quán)公告號：CN 103472592B.

【11】中國發(fā)明專利申請，“一種光場偏振成像系統(tǒng)的偏振定標方法”，申請公開號：CN 105300523 A.

【12】中國發(fā)明專利申請，“一種偏振多光譜成像系統(tǒng)的偏振通道定標方法”，申請公開號：CN 105890761A.

【13】中國發(fā)明專利，“干涉光場成像高光譜全偏振探測裝置”，授權(quán)公告號：CN102680101B.

【14】中國發(fā)明專利，“同步偏振調(diào)制干涉成像光譜偏振探測裝置及方法”申請公開號：CN102680101A.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供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，利用光場調(diào)制成像的優(yōu)勢，壓縮系統(tǒng)尺寸，后期數(shù)據(jù)處理簡單快捷，避免繁重的數(shù)據(jù)重建算法，減少反演計算時間，實現(xiàn)二維空間目標的偏振光譜輻射的實時獲取和視頻監(jiān)視。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置，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(shè)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。

進一步的，第一雙楔形延遲板與第二雙楔形延遲板的材料相同，厚度不同，它們的楔角所在平面相互平行。

進一步的，第一雙楔形延遲板包含兩個楔角相同方向相反的楔形，兩個楔形的快軸方向分別與線偏振器的偏振方向成45度和135度角；第二雙楔形延遲板包含兩個楔角相同方向相反的楔形，兩個楔形的快軸方向分別與線偏振器的偏振方向成0度和90度角。

進一步的，光譜濾光片陣列包含多個不同中心波長的窄帶濾光片或者線性漸變?yōu)V光片，光譜調(diào)制方向與第一雙楔形延遲板的楔角所在平面正交。

進一步的，微光學陣列是微透鏡陣列或者微孔徑陣列或者微光纖陣列或者微二元光學陣列。

進一步的，第一雙楔形延遲板、第二雙楔形延遲板、線偏振器和光譜濾光片陣列均緊貼著先后放置。

快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置的探測方法，包括：二維空間目標中的任意一點發(fā)出一束光進入物鏡，經(jīng)過光場調(diào)制單元進行偏振與光譜調(diào)制后，形成各方向攜帶不同偏振和光譜信息的光束，然后該光束聚于物鏡像面處的微光學陣列上，接著透過微光學陣列繼續(xù)傳輸，在其后焦面上形成攜帶不同光學信息的分離像點陣列，數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)控制面陣探測器快照一幀攜帶不同偏振和光譜信息的像點陣列圖像，經(jīng)過提取和處理該幀圖像數(shù)據(jù)得到被測二維目標的空間形貌、一維光譜、全Stokes偏振參數(shù)三方面的信息。

進一步的，經(jīng)過光場調(diào)制單元的光束分成沿水平方向分布光線和沿豎直方向分布光線；沿水平方向分布光線首先被偏振調(diào)制模塊進行空間漸變的偏振調(diào)制，然后被光譜濾光片陣列進行空間不變的光譜調(diào)制，出射光線具有相同的波長；沿豎直方向分布光線首先被偏振調(diào)制模塊進行空間不變的偏振調(diào)制，然后被光譜濾光片陣列進行空間漸變的光譜調(diào)制，出射光線具有不同的波長。

進一步的，對面陣探測器獲取的相同波長下不同δ值的分離像點陣列進行傅里葉分析或者最小二乘求解，得到目標點在該波長下的全Stokes偏振參數(shù)圖像；對每一波長都做相同處理，得到目標點的全Stokes偏振參數(shù)光譜圖像；對所有目標點對應(yīng)的分離像點陣列都做相同的處理，得到二維空間目標的全Stokes偏振參數(shù)光譜圖像。

進一步的，第二雙楔形延遲板的厚度和第一雙楔形延遲板的厚度之比決定著出射光線的光強表達式；當?shù)诙p楔形延遲板的厚度是第一雙楔形延遲板的兩倍時，出射光線的光強表達式為：

式中，(u,v)是光線入射到光場調(diào)制單元上的空間坐標位置，λ是波長，S₀，S₁，S₂，S₃是目標光的四個Stokes偏振參數(shù)，θ是線偏振器與水平方向的夾角，它取使式中每個Stokes偏振參數(shù)所乘系數(shù)不為零的任意一個值，δ是第一雙楔形延遲板中單個楔形引起的相位延遲。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、快照二維空間目標的一幀圖像，即可得到各目標元的偏振光譜信息，同時保留各目標元的空間信息，時間分辨率高，避免了多次測量時因環(huán)境變化而帶來的影響，二維空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)有效，工作效率高。

2、只在主鏡孔徑位置處設(shè)置光場調(diào)制單元，沒有后置的二次成像裝置，具有簡單緊湊小型化的優(yōu)越性。

3、數(shù)據(jù)重組處理簡單明快，可在監(jiān)視器上對目標進行實時監(jiān)視。

本發(fā)明相對于采用時序獲取模式的畫幅型、推掃型、或窗掃型偏振光譜成像裝置來說，無需旋轉(zhuǎn)、調(diào)諧或步進掃描裝置及相關(guān)精密定位裝置，具有實時快速獲取的優(yōu)越特征。相對于采用大量繁重復雜重建算法的壓縮傳感或計算層析型快照式偏振光譜成像裝置來說，具有實時快速重建的優(yōu)越特點。相當于積分視場光譜成像裝置，具有簡單緊湊小型化，空間取樣密度高的特點。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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中的光場調(diào)制單元示意圖。

圖中，1為物鏡、2為光場調(diào)制單元、3為微光學陣列、4為面陣探測器、5為數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)，21為偏振調(diào)制模塊，22為光譜濾光片陣列，211為第一雙楔形延遲板，212為第二雙楔形延遲板，213為線偏振器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1，本發(fā)明一種快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置，由沿入射光向依次設(shè)置的物鏡1、光場調(diào)制單元2、微光學陣列3、面陣探測器4、數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)5組成；其中，光場調(diào)制單元2置于物鏡1的孔徑光闌位置，微光學陣列3置于物鏡1的像面位置，面陣探測器4置于微光學陣列3的后焦面上，并與數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)5相連。

如圖2，光場調(diào)制單元2包含偏振調(diào)制模塊21和光譜濾光片陣列22；偏振調(diào)制模塊21包含沿入射光方向依次放置的第一雙楔形延遲板211、第二雙楔形延遲板212和線偏振器213；第一雙楔形延遲板211與第二雙楔形延遲板212的材料相同，厚度不同，它們的楔角所在平面相互平行；第一雙楔形延遲板211包含兩個楔角相同方向相反的楔形，兩個楔形的快軸方向分別與線偏振器213的偏振方向成45度和135度角；第二雙楔形延遲板212包含兩個楔角相同方向相反的楔形，兩個楔形的快軸方向分別與線偏振器213的偏振方向成0度和90度角；光譜濾光片陣列22包含多個不同中心波長的窄帶濾光片或者線性漸變?yōu)V光片，光譜調(diào)制方向與第一雙楔形延遲板211的楔角所在平面正交；微光學陣列3是微透鏡陣列或者微孔徑陣列或者微光纖陣列或者微二元光學陣列；第一雙楔形延遲板211、第二雙楔形延遲板212、線偏振器213和光譜濾光片陣列22均緊貼著先后放置。

如圖1，物鏡1是望遠物鏡、顯微物鏡或者普通物鏡。

如圖1，微光學陣列3是微透鏡陣列、微孔徑陣列、微光纖陣列、微二元光學陣列，并置于物鏡1的像面上；

如圖1，面陣探測器4置于微光學陣列3的后焦面上，并與數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)5相連接；

如圖2，光場調(diào)制單元2的接收端為第一雙楔形延遲板211，出射端是光譜濾光片陣列22，并置于物鏡1的孔徑光闌上。

如圖2，偏振調(diào)制模塊21包含第一雙楔形延遲板211、第二雙楔形延遲板212和線偏振器213；

如圖2，第一雙楔形延遲板211中兩個楔形的快軸方向正交，分別與線偏振器213的偏振方向成45度角和135度角，第二雙楔形延遲板212中兩個楔形的快軸方向正交，分別與線偏振器213的偏振方向成0度和90度角。

本發(fā)明一種快照式緊湊小型化光場成像全偏振光譜探測裝置的探測方法為：二維空間目標中的任意一點發(fā)出一束光進入物鏡，經(jīng)過光場調(diào)制單元進行偏振與光譜調(diào)制后，形成各方向攜帶不同偏振和光譜信息的光束，然后該光束會聚于物鏡像面處的微光學陣列上，接著透過微光學陣列繼續(xù)傳輸，在其后焦面上形成攜帶不同光學信息的分離像點陣列，數(shù)據(jù)采集處理顯示系統(tǒng)控制面陣探測器快照一幀攜帶不同偏振和光譜信息的像點陣列圖像，經(jīng)過提取和處理該幀圖像數(shù)據(jù)即可得到被測二維目標的空間形貌、一維光譜、全Stokes偏振參數(shù)三方面的信息；其中經(jīng)過光場調(diào)制單元的光束可分成沿水平方向分布光線和沿豎直方向分布光線；沿水平方向分布光線首先被偏振調(diào)制模塊進行空間漸變的偏振調(diào)制，然后被光譜濾光片陣列進行空間不變的光譜調(diào)制，出射光線具有相同的波長；沿豎直方向分布光線首先被偏振調(diào)制模塊進行空間不變的偏振調(diào)制，然后被光譜濾光片陣列進行空間漸變的光譜調(diào)制，出射光線具有不同的波長；第二雙楔形延遲板212的厚度和第一雙楔形延遲板211的厚度之比決定著出射光線的光強表達式；當?shù)诙p楔形延遲板212的厚度是第一雙楔形延遲板211的兩倍時，出射光線的光強表達式為：

式中，(u,v)是光線入射到光場調(diào)制單元2上的空間坐標位置，λ是波長，S₀，S₁，S₂，S₃是目標光的四個Stokes偏振參數(shù)，θ是線偏振器與水平方向的夾角，它取使式中每個Stokes偏振參數(shù)所乘系數(shù)不為零的任意一個值，δ是第一雙楔形延遲板211中單個楔形引起的相位延遲；對面陣探測器獲取的相同波長下不同δ值的分離像點陣列進行傅里葉分析或者最小二乘求解，即可得到目標點在該波長下的全Stokes偏振參數(shù)圖像；對每一波長都做相似處理，即可得到目標點的全Stokes偏振參數(shù)光譜圖像；對所有目標點對應(yīng)的分離像點陣列都做相同的處理，即可得到二維空間目標的全Stokes偏振參數(shù)光譜圖像。