[发明专利]基于偏振复用的瞬态多光谱成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于偏振复用的瞬态多光谱成像装置及方法，装置包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、退偏器、偏振片阵列、滤光片阵列、后置成像物镜和偏振相机；偏振片阵列包括M个偏振片，滤光片阵列包括N个滤光片，M、N均为正整数；光阑位于前置成像物镜的成像面，偏振相机的靶面位于后置成像物镜的成像面，准直物镜的前焦面与前置成像物镜的成像面重合。方法基于上述装置实现瞬态多光谱成像。本发明能同时获取探测目标的多个谱段的光谱信息，且采用偏振片阵列、滤光片阵列与偏振相机相组合的方式，能够实现光谱谱段的定制，可扩展性强，整体成像装置结构简单，容易实现。

技术领域

本发明属于光学成像探测领域，特别涉及一种基于偏振复用的瞬态多光谱成像装置及方法。

背景技术

与传统的多光谱成像技术相比，瞬态多光谱成像技术只需采集一帧图像就能够得到探测目标所有的光谱信息和空间信息，并且能够实现对远距离运动目标的光谱成像，因此一直是近几年来的研究热点，在目标侦察、生命状态观测以及环境监测等多个领域也发挥着越来越重要的作用。

目前，常用的瞬态多光谱成像技术主要有两类：分孔径光谱成像技术以及探测器靶面镀膜技术。分孔径光谱成像技术需在系统中加入透镜阵列，每个透镜均为一个成像单元，再将滤光片阵列与透镜阵列相结合，一个透镜覆盖一个谱段来实现瞬态多光谱成像，但是在该类成像仪中，滤光片阵列中每个滤光片的体积都受限于探测器靶面的大小，每个通道对应的透镜体积也很小，透镜阵列和探测器阵列需要严格匹配，实现难度较大；随着微纳加工工艺以及探测器工艺的发展，出现了探测器靶面镀膜技术，即将探测器靶面分为若干块，每一块对应一个谱段，并在探测器的靶面镀制滤光片，以此实现瞬态多光谱成像，该方法虽然克服了滤光片和透镜体积受限的问题，但是在探测器靶面上镀制滤光片的工艺复杂，成本较高且无法实现光谱谱段的自由更换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决传统的瞬态多光谱成像系统复杂度高、成本高等问题的瞬态多光谱成像装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于偏振复用的瞬态多光谱成像装置，包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、退偏器、偏振片阵列、滤光片阵列、后置成像物镜和偏振相机；所述偏振片阵列包括M个偏振片，滤光片阵列包括N个滤光片，M、N均为正整数；所述光阑位于前置成像物镜的成像面，偏振相机的靶面位于后置成像物镜的成像面，准直物镜的前焦面与前置成像物镜的成像面重合。

进一步地，所述M＝N，偏振片与滤光片一一对应。

进一步地，所述偏振片阵列、滤光片阵列均为n×n阵列，n²＝M或N。

基于上述基于偏振复用的瞬态多光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：

步骤1，入射光通过前置成像物镜成像在光阑处，再通过准直物镜形成准直光束并入射至退偏器，形成准直的非偏振光；

步骤2，所述准直的非偏振光经偏振片阵列形成多种不同偏振态的线偏振光，之后经滤光片阵列进一步形成多种不同波段的线偏振光；

步骤3，不同波段的线偏振光经后置成像物镜成像在偏振相机的靶面；

步骤4，采集偏振相机上的偏振图像，利用矩阵反演处理采集到的偏振图像获得多个波段的光谱图像。

进一步地，步骤4所述的矩阵为由多种不同波段的线偏振光在偏振相机靶面的投影获得的系数矩阵；

所述利用矩阵反演处理采集到的图像获得多个波段的光谱图像，具体包括：

求取多个波段的光谱分量，所用公式为：

式中，A为系数矩阵，为第i个波段的光谱分量，为第i个偏振态对应的偏振图像的强度；其中i＝1,2,…,p，p为波段的数目或偏振态的数目；