[发明专利]快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法

说明书

本发明公开一种快照式紧凑小型化光场成像全偏振光谱探测装置及方法，装置包括物镜、光场调制单元、微光学阵列、面阵探测器和数据采集处理显示系统；物镜、光场调制单元、微光学阵列和面阵探测器沿入射光向依次设置；光场调制单元置于物镜的孔径光阑位置，微光学阵列置于物镜的像面位置，面阵探测器置于微光学阵列的后焦面上，并与数据采集处理显示系统相连；光场调制单元包含偏振调制模块和光谱滤光片阵列；偏振调制模块包含沿入射光方向依次放置的第一双楔形延迟板、第二双楔形延迟板和线偏振器。本发明的装置适用于探测动态或快变目标的全光信息、能有效地避免由目标变化、抖动噪声、或环境变化等因素所带来的负面影响，在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于光学遥感探测领域，特别涉及一种偏振光谱成像装置。

背景技术

物体辐射的电磁波中含有目标的空间、光谱和偏振等重要遥感信息，不仅能用于反演目标的形态及物理化学等特性，还能去除背景噪声提供高对比度的表面、形貌、阴影和粗糙度等信息。为使空间、光谱和偏振三维信息优势互补，增强探测复杂背景中目标的能力，应运而生了集三维信息获取技能于一体的新型前沿遥感探测技术：偏振光谱成像技术。其数据产品既可视为每个波长对应的多维偏振图像，也视为每个偏振态对应的光谱图像，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。

偏振光谱成像技术是由偏振调制模块和光谱分光模块融合而成，后两者自身工作特点决定着前者的特性。若按获取二维空间目标的偏振和光谱信息的方式来分，偏振调制模块和光谱分光模块均可分为时序式和快照式两大类。当前，大多数偏振光谱成像技术都采用时序扫描方式(如画幅式、推扫式、或窗扫式)获取二维场景的偏振光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。涉及的技术主要是将时序式偏振调制模块与快照式光谱分光模块结合，或者将时序式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合，或者将快照式偏振调制模块与时序式光谱分光模块结合。时序获取技术不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性也会影响成像质量，还需要精确的空间定位系统。

相比之下，将快照式偏振调制模块与快照式光谱分光模块有机融合，可以快速实时探测二维空间目标的偏振光谱图像，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响，因此快照式偏振光谱成像技术是当前和未来发展的主要方向，具有重要的应用潜力。当前的快照式全偏振光谱成像装置主要是基于积分视场成像、压缩传感成像、或者计算层析成像技术，不仅系统复杂，还需要繁重的数据重建反演算法。

1996年，文献【1】报道了一种全色的光场相机，系统的光学部分包含了一个主镜，一个微光学阵列和一套二次成像光学透镜。其中，微光学阵列可以是微透镜阵列或者是维孔径阵列；若在主镜的孔径光阑位置处进行光学调制便可以形成不同性能的快照式偏振和光谱成像装置，因此光场调制元件和技术是实现偏振光谱成像关键所在。2005年，文献【2】提出将文献【1】中的二次成像光学透镜去除，仅利用主镜和微透镜实现手持式的全色光场成像相机，具有简单紧凑的优越特点。2009年，文献【3】提出在文献【2】装置中的主镜孔径光阑处放置并列的光谱滤光片阵列和线偏振滤光阵列，利用微孔径阵列获得线偏振图像和多光谱图像；该装置不能获取圆偏振光的信息，而且偏振图像与光谱图像是分离的，不能获取与波长有关的偏振信息。随后，文献【4】提出将文献【3】装置中的滤光片阵列换成线性渐变光谱滤光片用以提高光谱分辨率。2010年，文献【5】提出将文献【4】装置的微孔径阵换成微透镜阵列用以提高光通量，这与文献【2】使用的方法一致。2013年，文献【6】提出在文献【2】装置中的主镜孔径光阑处放置并列的线偏振滤光阵列与线性渐变光谱滤光片，获取分离的偏振图像和高光谱图像。2012年，文献【7】设计了几组不同的光谱滤光片阵列用以提高光谱分辨率，并将文献【3】和【4】中的微孔径阵列替换为微透镜阵列，用以提高光通量。