本發(fā)明屬于光學(xué)成像探測的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，光學(xué)探測技術(shù)是人類獲取目標(biāo)信息的重要途徑之一。光學(xué)探測技術(shù)通過探測目標(biāo)的圖像、光譜、偏振等信息可以分析探測目標(biāo)的物理、化學(xué)屬性，提供高對比度的目標(biāo)表面、形貌、陰影等信息，進(jìn)而顯著提高復(fù)雜背景環(huán)境下識別特定目標(biāo)的能力。由此發(fā)展起來的成像光譜偏振技術(shù)通過融合照相機(jī)、光譜儀和偏振儀的功能，形成了一種具有多模式探測能力的前沿光學(xué)成像探測工具，能夠同時提供目標(biāo)場景的空間、光譜和偏振四維光信息。在軍事偵察、農(nóng)業(yè)病蟲害檢測、污染物監(jiān)控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

偏振差分光譜成像技術(shù)屬于一類成像光譜偏振探測技術(shù)。偏振差分光譜成像技術(shù)能夠獲取探測目標(biāo)正交偏振分量的光譜圖像，可以有效的消除背景噪聲，提高特性目標(biāo)(例如：人造目標(biāo))的對比度，在生物醫(yī)學(xué)和軍事目標(biāo)偵察等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。例如：1999年backman等人將色散光柵光譜儀與偏振差分技術(shù)相結(jié)合，檢測早起癌變細(xì)胞的正交偏振散射光譜，研究癌細(xì)胞病變機(jī)理。

作為一種新型光學(xué)成像探測技術(shù)，差分偏振光譜成像技術(shù)的研究主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家。根據(jù)光譜分光組件的不同可以大致分為三類：

(1)采用聲光調(diào)諧濾光片或者液晶調(diào)諧濾光片的差分偏振光譜成像技術(shù)；

(2)采用色散分光譜的差分偏振光譜成像技術(shù)；

(3)采用傅里葉光譜儀的差分偏振光譜成像技術(shù)。

然而，以上三類差分偏振光譜成像技術(shù)都需要對目標(biāo)進(jìn)行推掃才能獲取偏振差分光譜圖像，因此現(xiàn)有方案多是用于對靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行觀測，無法對動態(tài)目標(biāo)場景進(jìn)行實(shí)時探測。

綜上所述，現(xiàn)有差分偏振光譜成像技術(shù)中對于如何進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)場景實(shí)時探測的問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服的現(xiàn)有差分偏振光譜成像技術(shù)中無法對動態(tài)目標(biāo)場景進(jìn)行實(shí)時探測的問題，提供一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法。實(shí)現(xiàn)單次曝光即可獲取目標(biāo)場景高空間分辨率的差分偏振多光譜圖像。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下一種技術(shù)方案：

一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置，該裝置包括：

沿同一光軸依次放置的前置成像系統(tǒng)、第一雙折射分束棱鏡、雙折射濾光組件、后置成像物鏡和面陣探測器；

探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光束經(jīng)過前置成像系統(tǒng)，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡；入射光束經(jīng)過第一雙折射棱鏡分成兩束正交偏振光進(jìn)入雙折射濾光組件，形成至少兩束且為2的n次方束的具有不同頻譜的光束；最后經(jīng)過后置成像物鏡，在面陣探測器上同時獲取兩組正交偏振態(tài)的多光譜圖像。

進(jìn)一步的，所述前置成像系統(tǒng)包括沿光路方向依次設(shè)置的成像物鏡、視場光闌和準(zhǔn)直物鏡；所述成像物鏡的像面位置與所述準(zhǔn)直物鏡的前焦面位置重合，所述視場光闌設(shè)置于成像物鏡的像面位置與所述準(zhǔn)直物鏡的前焦面位置的重合處。

進(jìn)一步的，所述雙折射濾光組件包括沿光路依次設(shè)置的至少一組偏振元件，偏振元件的數(shù)量為n個，其中，n＝1,2,3,…。

進(jìn)一步的，每組所述偏振元件包括沿光路依次設(shè)置的相位延遲片和第二雙折射分束棱鏡。

進(jìn)一步的，所述第一雙折射分束棱鏡與所述第二雙折射分束棱鏡均將入射光束分成兩束正交偏振光束，兩束偏振光束與參考方向夾角為0°和90°。

進(jìn)一步的，多組相鄰所述偏振元件中的相位延遲片的快軸方向與參考方向成45°角。

本發(fā)明為了克服的現(xiàn)有差分偏振光譜成像技術(shù)中無法對動態(tài)目標(biāo)場景進(jìn)行實(shí)時探測的問題，提供一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法。實(shí)現(xiàn)單次曝光即可獲取目標(biāo)場景高空間分辨率的差分偏振多光譜圖像。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下另一種技術(shù)方案：

一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像方法，該方法基于所述系統(tǒng)，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光束經(jīng)過前置成像系統(tǒng)，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡；入射光束經(jīng)過第一雙折射棱鏡分成兩束正交偏振光進(jìn)入雙折射濾光組件，形成至少兩束且為2的n次方束的具有不同頻譜的光束；最后經(jīng)過后置成像物鏡，在面陣探測器上同時獲取兩組正交偏振態(tài)的多光譜圖像。

進(jìn)一步的，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光束經(jīng)過前置成像系統(tǒng)，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡的具體步驟為：

來自目標(biāo)場景的入射光束進(jìn)入前置成像系統(tǒng)，首先通過前置成像系統(tǒng)中的成像物鏡成像在其像面位置，視場光闌用于限制探測視場的大小；

隨后目標(biāo)光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡的作用，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡，經(jīng)過第一雙折射分束棱鏡后，分成第一偏振光束和第二偏振光束；

第一偏振光束的振動方向與參考方向成0°，第二偏振光束的振動方向與參考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分開一定的角度。

進(jìn)一步的，兩束正交偏振光進(jìn)入雙折射濾光組件，形成至少兩束且為2的n次方束的具有不同頻譜的光束的具體步驟為：

第一偏振光束和第二偏振光束進(jìn)入雙折射濾光組件；

第一組偏振光束經(jīng)過第一組偏振元件后分成兩束頻譜不同的光束，經(jīng)過第二組偏振元件后分成四束頻譜不同的光束，經(jīng)過第n(n＝1,2,3…)組偏振元件后，第一偏振光束共分成2的n次方束具有不同頻譜的光束，且每束光具有不同的方向角；

第二組偏振光束經(jīng)過第一組偏振元件后分成兩束頻譜不同的光束；經(jīng)過第二組偏振元件后分成四束頻譜不同的光束，經(jīng)過第n(n＝1,2,3…)組偏振元件后，第二偏振光束也分成2的n次方束具有不同頻譜的光束；且每束光的頻譜特性與第一偏振光束分成的2的n次方束光束中的一束光對應(yīng)相同，但是光束發(fā)散角方向不同。

進(jìn)一步的，經(jīng)過后置成像物鏡，在面陣探測器上同時獲取兩組正交偏振態(tài)的多光譜圖像束的具體步驟為：

經(jīng)過第一雙折射分束棱鏡和雙折射濾光組件后，目標(biāo)場景光束被分成2的(n+1)次方束光束，且每束光具有不同的發(fā)散角；

經(jīng)過成像物鏡的會聚作用后在其后焦面位置的面陣探測器的靶面上生成2的(n+1)次方個目標(biāo)圖像，記錄了目標(biāo)2的n次方個譜段的偏振差分圖像；

其中第一偏振光束生成與參考方向成0°的目標(biāo)偏振光的2的n次方個多光譜圖像；第二偏振光束生成與參考方向成90°的目標(biāo)偏振光的光譜圖像，其光譜譜段與第一偏振光束生成的多光譜圖像的譜段相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，單次曝光即可獲取探測目標(biāo)的差分多光譜圖像，能夠?qū)μ綔y目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時探測；

(2)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，系統(tǒng)內(nèi)無狹縫，獲取的偏振差分光譜圖像具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)；

(3)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調(diào)制、方法簡單實(shí)用。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明探測器靶面獲取的探測目標(biāo)場景示意圖；

其中：1-前置成像系統(tǒng)：11-成像物鏡，12-視場光闌，13-準(zhǔn)直物鏡；2-第一雙折射分束棱鏡；3-雙折射濾光組件：31-第一組偏振元件：311-相位延遲片，312-第二雙折射分束棱鏡，32-第二組偏振元件：321-相位延遲片，322-第二雙折射分束棱鏡；4-成像物鏡；5-面陣探測器。

具體實(shí)施方式：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有差分偏振光譜成像技術(shù)中存在無法對于動態(tài)目標(biāo)場景進(jìn)行實(shí)時探測的問題，提供一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法。實(shí)現(xiàn)單次曝光即可獲取目標(biāo)場景高空間分辨率的差分偏振多光譜圖像。

本申請的一種典型的實(shí)施方式中，采用如下技術(shù)方案：

一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置，如圖1所示，該裝置包括：

沿同一光軸依次放置的前置成像系統(tǒng)1、第一雙折射分束棱鏡2、雙折射濾光組件3、后置成像物鏡4和面陣探測器5；

在本實(shí)施例中，前置成像系統(tǒng)1包括沿光路方向依次設(shè)置的成像物鏡11、視場光闌12和準(zhǔn)直物鏡13，且視場光闌13位于成像物鏡11的像面位置，該位置也是準(zhǔn)直物鏡13的前焦面位置。

雙折射濾光組件3包含沿光路依次設(shè)置的n(n＝1,2,3,…)組偏振元件31、32…組成，每組偏振元件包括沿光路依次設(shè)置的相位延遲片和第二雙折射分束棱鏡。

在本實(shí)施例中，雙折射濾光組件3包含沿光路依次設(shè)置的2組偏振元件：第一組偏振元件31和第二組偏振元件32。第一組偏振元件31由沿光路依次設(shè)置的相位延遲片311和第二雙折射分束棱鏡312組成，第二組偏振元件32由沿光路依次設(shè)置的相位延遲片321和第二雙折射分束棱鏡322組成。

在本實(shí)施例中，第一折射分束棱鏡2和雙折射濾光組件3中的第二雙折射分束棱鏡312、322可以采用渥拉斯頓棱鏡、微角偏振分束棱鏡等；其作用是將入射光束分成兩束正交偏振光束，兩束偏振光束與參考方向夾角為0°和90°，即第一偏振光束的振動方向與參考方向成0°，第二偏振光束的振動方向與參考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分開一定的角度。

如圖1所示，雙折射濾光組件3中的相位延遲片311、321的快軸方向與參考方向成45°角。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下另一種技術(shù)方案：

一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像方法，該方法基于所述系統(tǒng)，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光束經(jīng)過前置成像系統(tǒng)1，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡2；入射光束經(jīng)過第一雙折射棱鏡2分成兩束正交偏振光進(jìn)入雙折射濾光組件3，形成4束的具有不同頻譜的光束；最后經(jīng)過后置成像物鏡4，在面陣探測器5上同時獲取兩組正交偏振態(tài)的多光譜圖像。

一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像方法，具體包括以下步驟：

第一步，來自目標(biāo)場景的入射光束進(jìn)入前置成像系統(tǒng)1，首先通過前置成像系統(tǒng)1中的成像物鏡11成像在其像面位置，視場光闌12用于限制探測視場的大??；隨后目標(biāo)光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡13的作用，以平行光的形式入射第一雙折射分束棱鏡2，經(jīng)過第一雙折射分束棱鏡2后，分成第一偏振光束和第二偏振光束，第一偏振光束的振動方向與參考方向成0°，第二偏振光束的振動方向與參考方向成90°，且第一偏振光束和第二偏振光束分開一定的角度；

第二步，第一偏振光束和第二偏振光束進(jìn)入雙折射濾光組件3；在本實(shí)施例中，雙折射濾光組件3包括兩組；

第一組偏振光束經(jīng)過第一組偏振元件31后分成兩束頻譜不同的光束，經(jīng)過第二組偏振元件32后分成四束頻譜不同的光束，但本發(fā)明不僅限于兩組雙折射濾光組件3，以此類推，經(jīng)過第n(n＝1,2,3…)組偏振元件后，第一偏振光束共分成2的n次方束具有不同頻譜的光束，且每束光具有不同的方向角；

第二組偏振光束經(jīng)過第一組偏振元件31后也分成兩束頻譜不同的光束；經(jīng)過第二組偏振元件32后也分成四束頻譜不同的光束，但本發(fā)明不僅限于兩組雙折射濾光組件3，以此類推，經(jīng)過第n(n＝1,2,3…)組偏振元件后，第二偏振光束也分成2的n次方束具有不同頻譜的光束，且每束光的頻譜特性與第一偏振光束分成的2的n次方束光束中的一束光對應(yīng)相同，但是光束發(fā)散角方向不同。

第三步，經(jīng)過第一雙折射分束棱鏡2和雙折射濾光組件3后，目標(biāo)場景光束被分成2的(n+1)次方束光束，且每束光具有不同的發(fā)散角。經(jīng)過成像物鏡4的會聚作用后在其后焦面位置的面陣探測器5的靶面上生成2的(n+1)次方個目標(biāo)圖像，記錄了目標(biāo)2的n次方個譜段的偏振差分圖像；其中第一偏振光束生成與參考方向成0°的目標(biāo)偏振光的2的n次方個多光譜圖像；第二偏振光束生成與參考方向成90°的目標(biāo)偏振光的光譜圖像，其光譜譜段與第一偏振光束生成的多光譜圖像的譜段相同。

如圖2所示，當(dāng)本發(fā)明裝置中的雙折射濾光組件3只包含兩組偏振元件31、32時，面陣探測器5的靶面上共生成目標(biāo)場景的8幅片差分多光譜圖像，分為四個光譜波段。

模擬目標(biāo)場景如圖2(a)所示；2(b)為面陣探測器獲取的圖像，圖像中第一個小圖像(1)狀態(tài)為(λ1，p//)，第二個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ2，p//)，第三個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ3，p⊥)，第四個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ4，p⊥)，第五個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ4，p//)，第六個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ3，p//)，第七個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ2，p⊥)，第八個小圖像(8)的狀態(tài)為(λ1，p⊥)(其中λ1、λ2、λ3、λ4表示四個光譜波段，p//表示第一偏振光束生成的與參考方向成0°的目標(biāo)偏振光的四幅光譜圖像；p⊥表示第二偏振光束生成的與參考方向成90°的目標(biāo)偏振光的四幅光譜圖像)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，單次曝光即可獲取探測目標(biāo)的差分多光譜圖像，能夠?qū)μ綔y目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時探測；

(2)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，系統(tǒng)內(nèi)無狹縫，獲取的偏振差分光譜圖像具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)；

(3)本發(fā)明的一種用于實(shí)時探測的偏振差分多光譜成像裝置及方法，探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調(diào)制、方法簡單實(shí)用。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改、等同替換或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。