一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像方法

摘要

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像方法属于快照式成像光谱技术领域；在传统成像光谱仪的基础上，在准直镜和微透镜阵列之间设置有偏振分光器一，增加了成像臂光路；在光谱臂光路上，通过设置偏振分光器二，将传统单光路结构改变为平衡光谱臂和非平衡光谱臂的双光路结构；基于上述光谱仪，利用平衡光谱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光谱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；本发明快照式成像方法不仅可以快速地捕捉运动目标的图像和光谱信息，而且可以大幅提高系统的空间分辨率和信噪比，有利于在精细测量领域中应用。

主权项

一种基于偏振分光器的高空间分辨率快照式成像方法，所使用的成像光谱仪为：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)，以及设置在准直镜(3)和微透镜阵列(4)之间的偏振分光器一(51)、成像臂成像镜(52)和成像臂光电探测器及信号处理部件(53)；设置在微透镜阵列(4)后面的光谱臂半波片一(61)、光谱臂诺马斯基棱镜一(62)、光谱臂半波片二(63)、光谱臂诺马斯基棱镜二(64)、光谱臂半波片三(65)、偏振分光器二(71)、平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)和非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)；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)到达偏振分光器一(51)，经偏振分光器一(51)后的反射光线经过成像臂成像镜(52)成像到成像臂光电探测器及信号处理部件(53)；经偏振分光器一(51)后的透射光线到达微透镜阵列(4)，再依次经过光谱臂半波片一(61)、光谱臂诺马斯基棱镜一(62)、光谱臂半波片二(63)、光谱臂诺马斯基棱镜二(64)、光谱臂半波片三(65)、到达偏振分光器二(71)，经偏振分光器二(71)后的透射光线在平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)表面发生干涉；经偏振分光器二(71)后的反射光线在非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)表面发生干涉；所采用的方法为：用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)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；其特征在于，所述用平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(72)得到的干涉信号减去非平衡光谱臂光电探测器及信号处理部件(73)得到的干涉信号，具体为：光谱臂光线波数为σ，在经过光谱臂诺马斯基棱镜二(64)之后，光谱臂光线的p分量和s分量之间存在光程差Δ，此时光谱臂光线的琼斯矢量为：$A=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ e^{-i2\mathrm{\pi \sigma \Delta }}\end{array}\right]$光谱臂半波片三(65)的琼斯矩阵为：$G=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right]$偏振分光器二(71)的平衡光谱臂路和非平衡光谱臂路的琼斯矩阵分别为：$P_1=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$$P_2=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$平衡光谱臂和非平衡光谱臂光线的琼斯矢量为：$C_1=P_1·G·A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}1+\cos \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)-i\sin \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)\\ 0\end{array}\right]$$C_2=P_2·G·A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}0\\ 1-\cos \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)+i\sin \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)\end{array}\right]$考虑因使用光线琼斯矢量而忽略的光谱臂光线光强B_σ，平衡光谱臂和非平衡光谱臂的干涉光强为：$I_1=\frac{1}{2}{B}_{\sigma }[1+\cos \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)]$$I_2=\frac{1}{2}{B}_{\sigma }[1-\cos \left(2\mathrm{\pi \sigma \Delta }\right)]$用平衡光谱臂干涉光强减非平衡光谱臂干涉光强，得到最终干涉光强：I(Δ)＝I₁‑I₂＝B_σcos(2πσΔ)将光谱臂光线由单色光拓展到复色光，则有：$I\left(\Delta \right)={\int }_{-\infty }^{+\infty }{B}_{\sigma }{e}^{2\mathrm{\pi \sigma \Delta }}\mathrm{d\sigma }$所述傅里叶变换处理，具体为：$B_{\sigma }=\frac{1}{2\pi }{\int }_{-\infty }^{+\infty }I\left(\Delta \right)e^{-2\mathrm{\pi \sigma \Delta }}\mathrm{d\Delta }$即光谱臂光线谱密度函数B_σ是干涉光强I(Δ)的傅里叶变换。