專利名稱：：基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種成像光譜偏振儀器，尤其涉及一種基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光偏振儀。
背景技術(shù)：
：成像光譜偏振測量(ImagingSpectropolarimetry)技術(shù)是一種能夠獲得目標(biāo)圖像，并且獲得圖像中每一個像元的光譜偏振信息的一種光學(xué)信息獲取技術(shù)，成像光譜偏振儀能夠同時獲得目標(biāo)的圖像、光譜和偏振信息，在工農(nóng)業(yè)、遙感和軍事上具有重要的應(yīng)用價值，是國際上前沿研究課題之一。一般情況下，二維焦平面探測器一次曝光只能獲取二維信息，要獲得目標(biāo)的圖像、光譜和偏振信息，必須經(jīng)歷某種形式的機(jī)械掃描或電調(diào)諧掃描過程。EustaceL.Dereniak等設(shè)計(jì)的計(jì)算層析成像光譜偏振儀EustaceL.Dereniak,NathanA.Hagen,WilliamR.Johnson,et.al.“ImagingSpectropolarimetry".ProceedingsofSPIEVol.5074,272285(2003)能夠在一次曝光中獲取目標(biāo)的空間、光譜和全斯托克斯偏振信息，但受到計(jì)算全息光柵衍射角、焦面陣列探測器大小的影響，光譜分辨率和空間分辨率都受到限制，且存在原理性的“失錐”現(xiàn)象。日本學(xué)者KevinW.Peters提出的在空間調(diào)制成像光譜儀的準(zhǔn)直光路中加入液晶可調(diào)諧相位延遲器的成像光譜偏振儀Kevinff.Peters,TheodoreS.Turner,Jr.et.al."Portablevisibleimagingspectropolarimeterforremotesensingapplications”.SPIEVol.3498，223230(1998)能夠獲得目標(biāo)的全斯托克斯光譜偏振信息，但是需要對同一目標(biāo)進(jìn)行多次掃描成像才能完成，對圖像配準(zhǔn)帶來很大困難。日本國家宇航實(shí)驗(yàn)室提出的基于液晶可調(diào)諧濾光片的成像光譜偏振儀，在獲取目標(biāo)的偏振信息時需要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動液晶可調(diào)諧光片旋轉(zhuǎn)，由于有運(yùn)動部件，穩(wěn)定性有所降低，同時它只能進(jìn)行線偏振態(tài)的測量，不能夠完成全斯托克斯偏振態(tài)的測量。美國重飛行器研究公司研制的快拍式成像光譜偏振儀St印henH.Jones,FrankJ.Iannarilli,andPaulL.Kebabian."Relazationofquantitative-gradefiedablesnapshotimagingspectropolarimeter”O(jiān)pticsExpress,Vol.12,65596573(2004)需要經(jīng)過平臺移動或景物移動來獲得目標(biāo)的二維圖像。
實(shí)用新型內(nèi)容為了解決
背景技術(shù)：
中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種具有無運(yùn)動部件、靜態(tài)測量、全斯托克斯偏振態(tài)測量、高空間分辨率、結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性好的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，包括前置光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡以及與前置光學(xué)系統(tǒng)和準(zhǔn)直鏡同處于同一光軸上的液晶可調(diào)諧濾光片，其特殊之處在于所述基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀還包括相位調(diào)制模塊；所述相位調(diào)制模塊置于準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片之間并與準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片共處于同一光軸上。上述相位調(diào)制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是粘接在一起的。上述相位調(diào)制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是依次設(shè)置在準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光之間的。上述第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面和第二相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面分別與系統(tǒng)光軸垂直。上述第一相位延遲器的快軸方向與液晶可調(diào)諧濾光片的檢偏器偏振方向相同；所述第二相位延遲器的快軸方向與第一相位延遲器的快軸方向的夾角呈45°。上述第一相位延遲器和第二相位延遲器均是由單軸雙折射晶體材料。上述第一相位延遲器和第二相位延遲器是由方解石或石英制成。上述液晶可調(diào)諧濾光片的型號是VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型徹底省卻了機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，能夠在靜態(tài)條件下通過電調(diào)諧的液晶可調(diào)諧濾光片的光譜掃瞄完成目標(biāo)空間、光譜和全斯托克斯偏振信息的獲取。同時還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，具體說來，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、能夠獲得全斯托克斯偏振信息，且不需要專門的機(jī)械式偏振態(tài)掃描。本實(shí)用新型利用靜態(tài)的相位延遲器和線偏振器將偏振信息調(diào)制到光譜中去，然后再從復(fù)原光譜中解調(diào)出入射光的偏振態(tài)信息，能夠獲得全斯托克斯偏振信息，且不需要專門的機(jī)械式偏振態(tài)掃描。2、穩(wěn)定性強(qiáng)、分辨率高。本實(shí)用新型能夠靜態(tài)凝視成像，不需要目標(biāo)或儀器平臺的移動來獲取目標(biāo)的空間信息，穩(wěn)定性大大提高，同時，空間分辨率主要由焦面陣列探測器的像元數(shù)限制，利用較大的面陣能夠獲得更高的空間分辨率。3、體積小，成本低廉。本實(shí)用新型利用了液晶可調(diào)諧濾光片可作為線偏振器特點(diǎn)，省去了偏振-光譜調(diào)制型光譜偏振儀中的線偏振器，減小了體積。同時，本實(shí)用新型所提供成像光譜偏振儀的前置光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡、液晶可調(diào)諧濾光片、成像鏡、焦面陣列探測器和計(jì)算機(jī)等都來自現(xiàn)貨商品，大大降低了儀器成本。圖1為本實(shí)用新型所提供基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型所述的偏振-光譜調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式參見圖1，本實(shí)用新型提出的一種基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，是在基于液晶可調(diào)諧濾光片的成像光譜儀的液晶可調(diào)諧濾光片6前的準(zhǔn)直光路中放置相位延遲器的方式實(shí)現(xiàn)的，通過相位延遲器和線偏振器將輸入光的全斯托克斯偏振信息調(diào)制到光譜中去，最后利用計(jì)算機(jī)信號處理技術(shù)將各斯托克斯分量光譜復(fù)原出來，可用于可見光和近紅外譜段。[0021]本實(shí)用新型所提供的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，前置光學(xué)系統(tǒng)1，將目標(biāo)成像；準(zhǔn)直鏡2將光束準(zhǔn)直，在準(zhǔn)直光路中放入由相位延遲器3和相位延遲器4組成的相位調(diào)制模塊5，以及液晶可調(diào)諧濾光片6，再由成像鏡7將目標(biāo)的像成像于焦面陣列探測器8上，計(jì)算機(jī)9與液晶可調(diào)諧濾光片6和焦面陣列探測器8連接。前置光學(xué)系統(tǒng)1用于對感興趣目標(biāo)成像，成像位置在準(zhǔn)直鏡2的前焦面上。準(zhǔn)直鏡2將進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光束準(zhǔn)直，第一相位延遲器3和第二相位延遲器4依次放置于準(zhǔn)直鏡后的準(zhǔn)直光路中，均由單軸雙折射晶體材料，可以采用方解石(冰洲石)或石英材料制成，為減小體積，兩個相位延遲器可粘接在一起。前置光學(xué)系統(tǒng)1、準(zhǔn)直鏡2、液晶可調(diào)諧濾光片6和計(jì)算機(jī)都是有現(xiàn)貨供應(yīng)的商品(COTS)，相位延遲器根據(jù)儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)定制。液晶可調(diào)諧濾光片6的透過波長由計(jì)算機(jī)9控制，同時計(jì)算機(jī)9控制焦面陣列探測器8的曝光和圖像采集，最終在計(jì)算機(jī)9上利用算法完成目標(biāo)每個像元的光譜和全斯托克斯偏振態(tài)的復(fù)原。液晶可調(diào)諧濾光片6具有透過光束波長的調(diào)諧能力，同時還具有線偏振器的特點(diǎn)，與相位調(diào)制模塊5組合可以完成偏振-光譜調(diào)制功能，即將入射光的光譜偏振態(tài)調(diào)制到入射光的波數(shù)(波長的倒數(shù))上去，然后經(jīng)過解調(diào)算法從復(fù)原光譜中解調(diào)出全斯托克斯偏振信息。液晶可調(diào)諧濾光片6緊挨相位延遲器4放置，液晶可調(diào)諧濾光片可采用美國CRI公司的VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型兩種產(chǎn)品。其中VariSpecVISR的光譜范圍是480720nm，分辨率為0.25nm,VariSpecNIRR的光譜范圍是650llOOnm，分辨率是0.75nm。液晶可調(diào)諧濾光片由計(jì)算機(jī)軟件控制，根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)透過波長的連續(xù)改變；成像鏡7將透過液晶可調(diào)諧濾光片6的的平行光再次成像于焦面陣列探測器8上，焦面陣列探測器8也由計(jì)算機(jī)控制，完成對準(zhǔn)單色光圖像的采集，圖像的采集與液晶可調(diào)諧濾光片6的波長改變協(xié)調(diào)，每調(diào)整一次透過波長，穩(wěn)定后采集一幅圖像，采集完圖像后再調(diào)整一次波長，按照此方式完成整個圖像序列的采集。計(jì)算機(jī)9采集完整個圖像序列后將圖像序列組成一個光譜數(shù)據(jù)立方體，包括二維圖像和一維光譜，圖像中的每一個像元都有一條特定的光譜曲線。對每一個像元的光譜曲線進(jìn)行傅里葉變換，此時該像元的各斯托克斯光譜分量將在頻域被分開，采用不同的窗函數(shù)將每個斯托克斯分量的傅里葉變換曲線分離出來，再對每一個傅里葉變換曲線進(jìn)行逆傅里葉變換即可復(fù)原出全斯托克斯分量的光譜。參見圖2，本實(shí)用新型在工作時，其光譜偏振調(diào)制詳細(xì)過程如下第一相位延遲器3的快軸11和慢軸12組成的平面與光軸10垂直，第二相位延遲器4的快軸13和慢軸14組成的平面也與光軸10垂直；第一相位延遲器3的快軸11方向與液晶可調(diào)諧濾光片6的起偏器的線偏振方向15平行，第二相位延遲器4的快軸13的方向與第一相位延遲器3的快軸方向11的夾角為45度，兩相位延遲器膠合在一起，厚度分別是L1和L2；對于任意斯托克斯向量輸入，輸出可以用以下表達(dá)式表示上式中s。ut為輸出光束的斯托克斯向量，sin=(s0,Sl，s2,s3)T為輸入光束的斯托克斯向量。等式右邊三個矩陣依次是液晶可調(diào)諧濾光片6的起偏器、第一相位延遲器3、第二相位延遲器4的米勒矩陣。S工和S2分別是第一相位延遲器3和第二相位延遲器4的相位延遲量，它們都是波數(shù)o(波長的倒數(shù))的函數(shù)，由式(2)確定6(o)=23idAno(2)上式中，d為延遲器材料的厚度，An為尋常光和異常光的折射率之差。將式(1)中的矩陣相乘得到由于探測器本身只對光強(qiáng)度信號有響應(yīng)，而對偏振態(tài)無響應(yīng)，探測器接收到的fi號為透過線偏振器的光的全部強(qiáng)度，對應(yīng)于輸出斯托克斯向量的第一個元素。因此，探測器接收到的光強(qiáng)是波數(shù)o的函數(shù)，如下式。2I(o)=s0+s1cos(82)+s2sin(82)sin(82)-s3cos(81)sin(82)(4)上述等式描述了偏振調(diào)制模塊將隨波數(shù)變化的全斯托克斯分量調(diào)制進(jìn)光譜儀輸出光譜的機(jī)理。采用歐拉方程eix=cosx+isinx對上述等式進(jìn)行修改，可得由式(5)可知探測器接收到的強(qiáng)度包含有7個基于延遲器的不同的頻率分量0、士S2、士(S2+S)和士(S2-S》。如果兩個探測器采用同樣的材料，當(dāng)?shù)诙辔谎舆t器4的厚度是第一相位延遲器3的兩倍時，那么上述七個頻率通道將會等間隔分開。通過對光譜儀采集到的強(qiáng)度譜進(jìn)行傅里葉變換將會得到七個相互分開的頻率通道。將每個通道進(jìn)行分離，經(jīng)過逆傅里葉變換即可達(dá)到S(l(0)、Sl(0)、s2(0)和s3(o)。權(quán)利要求一種基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，包括前置光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡以及與前置光學(xué)系統(tǒng)和準(zhǔn)直鏡處于同一光軸上的液晶可調(diào)諧濾光片，其特征在于所述基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀還包括相位調(diào)制模塊；所述相位調(diào)制模塊置于準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片之間并與準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片處于同一光軸上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述相位調(diào)制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是粘接在一起的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述相位調(diào)制模塊包括第一相位延遲器和第二相位延遲器，所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是依次設(shè)置在準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光之間的。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面和第二相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面分別與系統(tǒng)光軸垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器的快軸方向與液晶可調(diào)諧濾光片的檢偏器偏振方向相同；所述第二相位延遲器的快軸方向與第一相位延遲器的快軸方向的夾角呈45°。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器和第二相位延遲器均是由單軸雙折射晶體材料。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述第一相位延遲器和第二相位延遲器是由方解石或石英制成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀，其特征在于所述液晶可調(diào)諧濾光片的型號是VariSpecVISR型或VariSpecNIRR型。專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光偏振儀，包括前置光學(xué)系統(tǒng)、準(zhǔn)直鏡以及與前置光學(xué)系統(tǒng)和準(zhǔn)直鏡同處于同一光軸上的液晶可調(diào)諧濾光片，還包括相位調(diào)制模塊；相位調(diào)制模塊置于準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片之間并與準(zhǔn)直鏡和液晶可調(diào)諧濾光片共處于同一光軸上。本實(shí)用新型提供了一種具有無運(yùn)動部件、靜態(tài)測量、全斯托克斯偏振態(tài)測量、高空間分辨率、結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性好的基于液晶可調(diào)諧濾光片的靜態(tài)全斯托克斯成像光譜偏振儀。文檔編號G02F1/01GK201622116SQ20102002052公開日2010年11月3日申請日期2010年1月21日優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日發(fā)明者張林,王新全,胡亮,黃旻申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所