新型雙通道差分偏振干涉成像系統(tǒng)?

王田 牛明生 步苗苗 韓培高 郝殿中 楊敬順 宋連科

(曲阜師范大學激光研究所,山東省激光偏光與信息技術(shù)重點實驗室,曲阜 273165)

1 引 言

成像光譜儀不僅具有獲取目標空間、光譜信息的能力[1,2],還有高穩(wěn)定性、高通量、高靈敏度等優(yōu)點[3,4],已廣泛應用于航空航天[5]、衛(wèi)星遙感[6]、生物醫(yī)學科學[7]和環(huán)境監(jiān)測[8]等領(lǐng)域.然而,在探測對象和背景類似的復雜環(huán)境下,普通偏振成像光譜儀無法獲取高清晰度的目標圖像,因此如何提高成像系統(tǒng)的探測性能成為探究的熱點[9,10].而偏振差分技術(shù)與成像光譜技術(shù)相結(jié)合,可將獲取的正交偏振圖像用于減弱背景影響,提高探測目標分辨率,使成像系統(tǒng)適應復雜的探測環(huán)境,提高探測能力[11,12].差分信息與空間信息相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)對每個像素點的探測和識別,特別適合于探測復雜背景中的目標.

基于Wollaston棱鏡(WP)和Savart偏光鏡(SP)組合的差分偏振干涉成像光譜系統(tǒng)[13?15],可同時獲取目標的正交偏振分量的光譜圖像,且正交偏振光譜圖像之和為傳統(tǒng)強度光譜,正交偏振光譜圖像之差等效于差分偏振光譜圖像[16,17].在基于SP的成像光譜系統(tǒng)中,SP必須要通過旋轉(zhuǎn)使第一塊晶體的主界面與y-z平面成π/4,才能保證SP剪切出的兩偏振光振幅相等,且從角剪切型WP中出射的偏振光不平行[13],會致使光線溢出.為保證無光線溢出,WP必須是微角分束棱鏡,而微角分束棱鏡的制作工藝和加工成本都比較高.

為避免系統(tǒng)光線溢出,優(yōu)化系統(tǒng)光路,本文提出了一種新型雙通道差分偏振干涉成像光譜系統(tǒng)(DPDIIS).此系統(tǒng)用橫向剪切型寬視場SP[10]代替WP,可有效避免WP導致光線溢出的問題.通過實驗探究和數(shù)據(jù)分析,獲得了正交偏振干涉圖像和白光下的空間圖像,得到了差分偏振空間圖像.另外,同時偏振成像相較于單通道偏振干涉,能提供更詳細的偏振信息.

2 雙通道差分偏振干涉成像系統(tǒng)

DPDIIS的光學結(jié)構(gòu)如圖1所示,橫向剪切型WSP[10]由兩塊冰洲石晶體和一個消色差λ/2波片構(gòu)成,兩塊晶體的主截面都為x-z平面,且光軸方向垂直.用于旋轉(zhuǎn)偏振方向的λ/2波片R,其快軸方向與x軸夾角是π/8.MSP[18,19]由三塊雙折射晶體(I,II固定,III可沿斜面移動)構(gòu)成,晶體I主截面為y-z平面,楔形晶體(II,III)的主截面為x-z平面,用于產(chǎn)生干涉所需要的光程差.線檢偏器PA的方向與x和y正方向夾角都為45?,用于歸化干涉所需的振動方向.最后經(jīng)過成像透鏡,在成像平面上形成干涉圖像.

圖1 新型雙通道差分偏振干涉成像系統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)Fig.1.Optical layout of DPDIIS.

目標光通過前置光學系統(tǒng)(L1,M,L2)準直后,進入WSP棱鏡,通過WSP棱鏡后產(chǎn)生振動方向在x-z平面內(nèi)和垂直于x-z平面的線偏光Ex,Ey.正交線偏光隨后通過R,使線偏光振動方向旋轉(zhuǎn)45?,兩束光經(jīng)過MSP后分別可產(chǎn)生兩束正交的線偏光,經(jīng)LA歸化振動方向后,經(jīng)成像透鏡后兩兩干涉,在成像平面上形成關(guān)于y-z平面對稱的干涉條紋I∥(?,x,y),I⊥(?,x,y). 通過調(diào)節(jié)MSP的厚度來改變相干光的光程差.由于雙光路關(guān)于y-z平面對稱,所以I∥(?,x,y),I⊥(?,x,y)在系統(tǒng)中產(chǎn)生的光程差完全相等.在測量過程中保持MSP的厚度固定不變,可同時獲取正交偏振分量對應的干涉圖像,通過傅里葉變換,進一步得到待測物光譜信息.保持視場相對于系統(tǒng)固定不動,沿斜面移動晶體III的位置,就成為DPDIIS.

3 差分偏振干涉成像理論

由圖1可知,WSP等效于兩個正交的偏振器和λ/2波片,瓊斯矩陣分別為:JWSPI(0),JWSP(π/2),JR(π/4). R的瓊斯矩陣JR(π/8),PA的瓊斯矩陣為JPA(π/4).JWSPI(0),JWSP(π/2),JR(π/4),JR(π/8),JPA(π/4)的瓊斯矩陣分別為

若入射光的瓊斯矢量為.則經(jīng)過WSP后線偏光的復振幅為:

其中φ是e光在WSP單板中的相位延遲量,?φ為o光的相位延遲量.(1)和(4)式的振幅為0,說明經(jīng)過WSP后oo光、ee光產(chǎn)生消光現(xiàn)象,與實驗一致.

由于晶體I與II,III的主截面相互垂直,o光變?yōu)閑光,e光變?yōu)閛光.相當于在晶體之間加上旋轉(zhuǎn)矩陣JR(π/4),MSP出射后各偏振光線的振幅為:

其中φo,φe和φoo,φee,φoe,φoe分別為晶體I中o 光、e光和晶體II,III中oo光、ee光、oe光、eo光的相位延遲量.由(9)式可知,平行、垂直分量的oo光、ee光都出現(xiàn)消光現(xiàn)象,共有4束偏振光從MSP射出.

經(jīng)過LA歸化后,其平行、垂直分量的振幅為:

φ=φe?φo+φoe?φeo為兩相干光之間的相位差.其平行、垂直分量的干涉強度為:

其中分別對應入射光平行、垂直分量的光強;σ為波數(shù).

若在前置光學系統(tǒng)后放置一個可以旋轉(zhuǎn)的線偏振器,偏振方向與x軸正向夾角為θ. 則,平行、垂直分量的干涉圖像為:

將(14)和(15)式作差,得偏振差分強度圖像:ID是關(guān)于θ,φ和σ的函數(shù),可以通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)θ,φ和σ來獲取不同的差分強度圖像.獲得偏振差分圖像是提高偏振圖像質(zhì)量的一種有效方法.單通道成像系統(tǒng)必通過旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振方向來獲得不同偏振態(tài)下的干涉圖像,而此系統(tǒng)無需旋轉(zhuǎn)器件便可同時獲得正交偏振分量的干涉圖像,增加了偏振圖像信息的獲取能力.

4 SP,WSP和MSP特性分析

作為偏振成像系統(tǒng)的常用器件,SP和WSP[10]的坐標圖如圖2所示.SP由厚度相同的負單軸晶體(方解石)使用光膠粘劑粘接制成,在SP兩板之間加上一快軸與x軸成45?的λ/2波片,成為WSP.左板主截面在y-z平面內(nèi),光軸與y,z軸正向均成45?角.右板主截面也在y-z平面內(nèi),光軸與y軸負向,z軸正向成45?角.自然光正入射WSP左板后分成o光和e光,o光會沿原入射方向傳播,e光偏折.λ/2波片將經(jīng)過左板產(chǎn)生的o光和e光相位延遲π,再進入右板,o光變?yōu)閑光,e光變?yōu)閛光.出射光為振動方向互相垂直的平行原入射光傳播方向的具有橫向剪切量的兩束線偏振光.WSP產(chǎn)生的光程差和剪切量為[20]:

式中i為入射角,ω為主截面與入射面之間的夾角;t為單板厚度;no,ne為o光和e光折射率.

剪切量dSP和dWSP隨入射角i和單板厚度t的變化如圖3所示.在入射角確定的情況下,SP與WSP剪切量隨厚度t增加而增加.由圖3(a)知,dSP的i數(shù)值與入射角有關(guān),剪切量在入射角為正值時比負值時增加得快.但對于WSP,光線垂直入射(i=0)時,剪切能力最強,剪切能力隨入射角的增大而減弱,且剪切量隨著單板厚度t的變化曲線關(guān)于i=0對稱,即入射角i=π/18或i=?π/18,剪切量隨t的變化曲線是一樣的.

圖2 SP與WSP坐標圖Fig.2.Coordinate systems of the SP and WSP.

圖3 (a)dSP隨i和t的變化;(b)dWSP隨i和t的變化Fig.3.(a)dSPchanges with t and i;(b)dWSPchanges with t and i.

當光線正入射時,?WSP=0,橫向剪切量dWSP可化簡為:

光線垂直入射(i=0),SP與WSP產(chǎn)生的橫向剪切量d隨其單板厚度t變化關(guān)系如圖4(a),可見SP與WSP剪切量d都隨厚度t線性增加,但WSP增加得更快,即WSP相較于SP橫向剪切能力更強.

很明顯,由于WP的角剪切特性,必須保證WP為微角分束棱鏡.而微角分束棱鏡對加工工藝要求較高,加工難度較大.WSP為平行分束棱鏡,可有效避免光線溢出問題.另外,當光線垂直入射時,WSP產(chǎn)生的正交光線是等光程的.

可調(diào)光程的Savart偏光鏡(MSP)坐標圖如圖4(b)所示,MSP的最大不同是它的第二塊晶體變成了兩塊楔形(II III)晶體.隨著楔形晶體III的相對移動,MSP的厚度會發(fā)生變化,MSP分束的正交光線的光程就隨之變化,便實現(xiàn)了光程的有效改變.隨著可移動楔形晶體移動,o光與e光的光程差發(fā)生變化[19,20].

當光線正入射時,不同結(jié)構(gòu)角下MSP產(chǎn)生的?MSP和dMSP隨晶體III移動位移L的變化如圖5所示.由圖5(a)知,結(jié)構(gòu)角α一定時,?MSP隨L線性增加;當L保持不變時,結(jié)構(gòu)角α越大,?MSP越大.由圖5(b)知,結(jié)構(gòu)角α越大,dMSP越明顯;α保持不變時,dMSP隨位移成非線性增加.

考慮到加工工藝等因素,本系統(tǒng)采用單板厚底為6.5 mm、結(jié)構(gòu)角為π/4的楔形晶體,由于WSP為平行分束棱鏡,且不產(chǎn)生光程差,系統(tǒng)總光程差和橫向剪切量可以得到一定程度的簡化.則系統(tǒng)總的光程差為[20]?o為經(jīng)L3后產(chǎn)生的光程差.系統(tǒng)光譜分辨率,實現(xiàn)光譜分辨率可調(diào).

圖4 (a)SP與WSP剪切量d隨其單板厚度t的變化;(b)MSP坐標圖Fig.4.(a)d changes with t for SP and WSP;(b)coordinate system of the MSP.

圖5 (a)不同結(jié)構(gòu)角下?MSP隨L的變化;(b)不同結(jié)構(gòu)角下dMSP隨L的變化Fig.5.(a) ?MSPchanges with L for different structure angle α;(b)dMSPchanges with L for different structure angle α.

5 結(jié)果與討論

系統(tǒng)光路如圖6(a)所示,MSP實物如6(b)所示,其中OA為衰減器,透鏡L1,L2,L3的焦距為54 mm.偏振器P和PA為格蘭-泰勒棱鏡,其消光比大于105.WSP的單板厚度為14 mm,其產(chǎn)生的橫向剪切量dPBS=3.052 mm.MSP的單板厚度為7.5 mm.半波片R在λ=480—960 nm波段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較好的消色差.CCD相機的像素為782×582,像素大小為8.3μm×8.3μm.

圖6 (a)系統(tǒng)光路實物圖;(b)MSP實物圖Fig.6.(a)Photograph of the core optics;(b)photograph of the MSP.

圖7 不同偏振態(tài)和空間位置下光強變化曲線 (a,a′)dMSP=1.00 mm;(b,b′)dMSP=1.10 mmFig.7. Light intensitychange with polarization direction θ and spatial position for different dMSP:(a,a′)dMSP=1.00 mm;(b,b′)dMSP=1.10 mm.

入射光在不同偏振態(tài)和空間位置下光強變化曲線如圖7所示,其中(a),(a′)對應dMSP=1.00 mm,(b),(b′)對應dMSP=1.10 mm; 左圖為平行分量強度變化,右圖為垂直分量的強度變化.通過對比可知,當剪切量一定時,左右兩圖的強度變化是互補的,表明左右兩幅干涉圖像是正交的.當入射光偏振態(tài)確定,光強在空間中的分布呈周期性變化,但周期性變化的頻率會隨著剪切量的增大而變快,也就是說剪切量越大,條紋越密集.

當入射光為θ=π/4線偏振光時,圖8為不同剪切量下的正交干涉圖像.干涉圖像(a),(b),(c),(d)分別對應剪切量dMSP=1.00,1.10,1.20,1.30 mm.其中左右部分分別對應平行、垂直分量的干涉.由圖可知,左右兩干涉條紋在空間上是互補的.

當dMSP=1.10 mm,入射光θ=0和θ=π/2條件下的模擬條紋如圖9所示.當入射光θ=0,只有平行方向的偏振干涉圖像而垂直方向出現(xiàn)消光.同理分析入射光θ=π/4,π/2方向的成像效果,與理論一致.

圖8 不同剪切量下的模擬正交偏振圖像 (a,a′)dMSP=1.00 mm;(b,b′)dMSP=1.10 mm;(c,c′)dMSP=1.20 mm;(d,d′)dMSP=1.30 mmFig.8.Reconstructed orthogonal interferograms for different lateral displacement:(a,a′)dMSP=1.00 mm;(b,b′)dMSP=1.10 mm;(c,c′)dMSP=1.20 mm;(d,d′)dMSP=1.30 mm.

圖9 入射光在不同偏振態(tài)下的模擬干涉圖像 (a),(b)θ=0;(c),(d)θ=π/2Fig.9.Reconstructed interferograms for the incident light in different polarization direction in dMSP=1.10 mm:(a),(b)θ=0;(c),(d)θ=π/2.

當入射光為θ=π/4的線偏振光時,實驗獲得的正交偏振圖像(a),(b),(c),(d)對應剪切量dMSP=1.00,1.10,1.20,1.30 mm下的干涉圖,干涉圖(a),(b),(c),(d)分別包含了平行和垂直部分的偏振干涉圖像,如圖10所示.由圖10知,剪切量dMSP增大,干涉條紋越細,光譜分辨率隨著剪切量的增加而提高.進而說明此系統(tǒng)光譜分辨率可調(diào),可以適用于不同的探測環(huán)境.

不同剪切量的光強變化曲線如圖11所示,圖(a),(b)分別對應剪切量dMSP=1.20 mm,1.10 mm,左圖和右圖分別為I⊥和I∥的變化曲線.通過圖11(a),(b)對比,可得出MSP剪切量越大,干涉條紋越密集.通過左右圖像的對比,可看出兩曲線有大致相同的變化周期和峰值,表明兩光路光強近似相等且系統(tǒng)對兩通道光程的改變相等,說明系統(tǒng)工作的可行性,與理論分析一致.

圖10 CCD獲得的不同剪切量下的正交偏振圖像 (a)dMSP=1.30 mm;(b)dMSP=1.20 mm;(c)dMSP=1.10 mm;(d)dMSP=1.0 mmFig.10.Orthogonal interferograms obtained by experiment for different dMSP:(a)dMSP=1.30 mm;(b)dMSP=1.20 mm;(c)dMSP=1.10 mm;(d)dMSP=1.0 mm.

圖11 不同剪切量的光強變化曲線 (a)dMSP=1.20 mm;(b)dMSP=1.10 mmFig.11.Light intensity I changes curves for different dMSP:(a)dMSP=1.20 mm;(b)dMSP=1.10 mm.

圖12 CCD獲得的目標偏振圖 (a)平行分量;(b)垂直分量;(c)總強度;(d)差分強度Fig.12.Polarization images obtained by CCD:(a)Parallel component image;(b)vertical component image;(c)total intensity image;(d)polarization-difference imaging.

實驗獲得的目標偏振圖如圖12所示,其中(a),(b),(c),(d)分別對應平行分量強度圖像、垂直分量強度圖像、總強度圖像、差分強度圖像.由圖12(a)和圖12(b)知,盡管“程”字依稀可辨,由于背景光的影響,“程”字清晰度不是很高.總強度圖像為平行圖像和垂直分量之和,雖然“程”字強度加倍,但背景光強度亦加倍,所以“程”字清晰度依然不是很高,而差分偏振強度圖像可以將部分背景影響去除掉,所以“程”字清晰度相對較高.由此可知,獲得正交偏振分量的目標圖像,可提高目標圖像信息的獲取能力.

6 結(jié) 論

本文提出了寬視場Savart偏光鏡(WSP)和可調(diào)光程的Savart偏光鏡(MSP)組合的可調(diào)光程的差分偏振干涉成像光譜系統(tǒng).通過分析偏振分束器件SP,WSP和MSP分束特性,給出了系統(tǒng)采用橫向剪切型WSP替代角剪切型WP作為偏振分束器件的原因.通過模擬圖像與實驗圖像的對比,驗證了系統(tǒng)同時獲取正交干涉圖像的可行性.對比復色光下獲得的正交偏振圖像和偏振差分圖像,得出差分圖像相較于偏振具有高對比、高信噪比等結(jié)論.與單通道偏振系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)增強了偏振圖像的獲取能力.與基于WP和SP組合的差分偏振干涉成像系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)從光學結(jié)構(gòu)上避免了光線溢出,具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約成本等優(yōu)點,為偏振干涉成像光譜技術(shù)的性能優(yōu)化提供了一種新思路,具有重要的理論指導意義和應用前景.

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