一种差分快照式成像方法

摘要

一种差分快照式成像方法属于快照式成像光谱技术领域；该成像方法基于增加有偏振分光器，并将传统单光路结构改变为平衡臂和非平衡臂的双光路结构的光谱仪；利用平衡臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号减去非平衡臂光电探测器及信号处理部件得到的干涉信号，再经过傅里叶变换处理，得到目标的图像和光谱信息；本发明不仅可以快速地捕捉运动目标的图像和光谱信息，而且在理论上可以减少系统的共模误差，减少系统50％的光学损失，使系统的理论光学效率从25％上升到50％，大幅提高系统的信噪比，使本发明有利于在精细测量领域中应用。

主权项

一种差分快照式成像方法，所使用的差分快照式成像光谱仪沿光线传播方向依次设置成像镜(1)、入射光阑(2)、准直镜(3)、微透镜阵列(4)，还包括偏振分光器(5)、平衡臂半波片一(61)、平衡臂诺马斯基棱镜一(62)、平衡臂半波片二(63)、平衡臂诺马斯基棱镜二(64)、平衡臂检偏器(65)、平衡臂光电探测器及信号处理部件(66)、非平衡臂半波片一(71)、非平衡臂诺马斯基棱镜一(72)、非平衡臂半波片二(73)、非平衡臂诺马斯基棱镜二(74)、非平衡臂半波片三(75)、非平衡臂检偏器(76)和非平衡臂光电探测器及信号处理部件(77)；来自目标物的光线经过成像镜(1)汇聚在入射光阑(2)上，再经过准直镜(3)到达微透镜阵列(4)，光线经过微透镜阵列(4)后射入偏振分光器(5)，光线经过偏振分光器(5)后分成沿原传播方向继续传播的平衡臂光线，和与平衡臂光线垂直的非平衡臂光线，所述的平衡臂光线和非平衡臂光线均为线偏振光；定义平衡臂光线的传播方向为z轴方向，非平衡臂光线的传播方向为x轴方向，以x轴和z轴方向为基准，按照右手螺旋定则定义y轴方向；沿光线的传播方向看，平衡臂光线的偏振方向沿x轴方向，非平衡臂光线的偏振方向沿y轴方向；平衡臂光线经过偏振分光器(5)后射入快轴位于xoy平面内并与x轴成22.5°的平衡臂半波片一(61)，平衡臂光线经过平衡臂半波片一(61)后，偏振方向变为与x轴y轴均成45°角，再经过平衡臂诺马斯基棱镜一(62)后，分成偏振方向分别沿x轴方向和y轴方向的两束线偏振光，再经过平衡臂半波片二(63)后，偏振方向互换，分别沿y轴和x轴方向，再经过平衡臂诺马斯基棱镜二(64)折射，到达透光轴方向为与x轴y轴均成45°角的平衡臂检偏器(65)，此时两束光线的偏振方向均与平衡臂检偏器(65)的透光轴方向相同，最后到达平衡臂光电探测器及信号处理部件(66)并发生干涉；非平衡臂光线经过偏振分光器(5)后射入快轴位于yoz平面内并与y轴成22.5°的非平衡臂半波片一(71)，非平衡臂光线经过非平衡臂半波片一(71)后，偏振方向变为与y轴z轴均成45°角，再经过非平衡臂诺马斯基棱镜一(72)后，分成偏振方向分别沿y轴方向和z轴方向的两束线偏振光，再经过非平衡臂半波片二(73)后，偏振方向互换，分别沿z轴和y轴方向，再经过非平衡臂诺马斯基棱镜二(74)折射，并经非平衡臂半波片三(75)，到达透光轴方向为与y轴z轴均成45°角的非平衡臂检偏器(76)，此时两束光线的偏振方向均与非平衡臂检偏器(76)的透光轴方向相同，最后到达非平衡臂光电探测器及信号处理部件(77)并发生干涉；所述的非平衡臂半波片三(75)的快轴沿y轴方向，非平衡臂半波片三(75)并没有改变两光线的偏振方向，只将s偏振光的相位相对于p偏振光延迟了π；所述非平衡臂中的器件与平衡臂中的器件材质尺寸相对位置完全相同，即：平衡臂半波片一(61)和非平衡臂半波片一(71)材质尺寸相对位置完全相同；平衡臂诺马斯基棱镜一(62)和非平衡臂诺马斯基棱镜一(72)材质尺寸相对位置完全相同；平衡臂半波片二(63)和非平衡臂半波片二(73)材质尺寸相对位置完全相同；平衡臂诺马斯基棱镜二(64)和非平衡臂诺马斯基棱镜二(74)材质尺寸相对位置完全相同；平衡臂检偏器(65)和非平衡臂检偏器(76)材质尺寸相对位置完全相同；平衡臂光电探测器及信号处理部件(66)和非平衡臂光电探测器及信号处理部件(77)材质尺寸相对位置完全相同；其特征在于：入射光为平面单色光，复振幅为A＝e^iwt，偏振分光器(5)的p偏振光反射率为r_p，s偏振光透射率为t_s，p偏振光的振幅为A_p，s偏振光的振幅为A_s；则平衡臂的M×N个子图像上相同位置点的复振幅为：其中Δ为平衡臂图像上某一点的光程差，由于非平衡臂多了非平衡臂半波片三75，故相干涉的两束光多了π的相位差，故非平衡臂的M×N个子图像上相同位置点的复振幅为：平衡臂和非平衡臂的M×N个子图像上相同位置点的干涉光强分别为：将平衡臂和非平衡臂的干涉图做去直流和归一化处理，用平衡臂的干涉光强减去非平衡臂的干涉光强可得：I(Δ)＝I_平‑I_非～cos(2πσΔ)式中，～表示正比于；再将入射光由单色光拓展到复色光，则有：$I\left(\Delta \right)={\int }_{-\infty }^{+\infty }B\left(\sigma \right)e^{2\pi \sigma \Delta }d\sigma$式中，B(σ)为入射光的谱密度函数；上式可化为：$B\left(\sigma \right)=\frac{1}{2\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }I\left(\Delta \right)e^{-2\pi \sigma \Delta }d\Delta$由上式可以看出，M×N个子图像的干涉光强I(Δ)与入射光的谱密度函数B(σ)互为傅里叶变换对，则通过对I(Δ)傅里叶变换，即可得到入射光的谱密度函数B(σ)。