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基于LCTF与LCVR的偏振高光谱成像系统设计
资料介绍
提出一种基于液晶可调滤光片(LCTF)与两片液晶可调相位延迟器(LCVR)构成的偏振高光谱成像系统,相对于传统LCTF具有转动部件以及无法获取全部偏振态的特点,本系统能够静态凝视成像并且测量目标完整的Stokes参量.通过对两片LCVR取四组不同延迟组合,构造了一个4×4复原矩阵来获取目标的原始全偏振信息.使用干涉光强法,对两片LCVR分别进行了延迟-电压特性的精确测量;在633 nm下验证了全偏振复原算法,通过对误差分析,得到了较好的反演Stokes参数和相应的DoLP与Orient计算值,验证了复原算法的可靠性,可以为全偏振态高光谱遥感成像提供有效的数据.
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第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．８ ２６１０２６１４
ｐｐ
第
卷
３７
ꢀ
期
８
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
－
，
Ａｕｕｓｔ ２０１７
ｇ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ
ｐｙ
２０１７
ꢀꢀꢀ
８
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
基于
与
ＬＣＴＦ ＬＣＶＲ
的偏振高光谱成像系统设计
，
１ ２
，
１ ２
１
勇
１
１
亮
ꢀ
１
， ，
魏儒义 李洪波
，
李
，
，
孔
杨凡超
胡炳樑
ꢀ
，
中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室 陕西 西安
１．
７１０１１９
ꢀ
，
中国科学院大学 北京
２．
１０００４９
ꢀ
（ ）
与两片液晶可调相位延迟器
ＬＣＴＦ
（ ）
构成的偏振高光谱成像
ＬＣＶＲ
摘
要
提出一种基于液晶可调滤光片
ꢀ
ꢀ
，
系统 相对于传统
，
具有转动部件以及无法获取全部偏振态的特点 本系统能够静态凝视成像并且测
ＬＣＴＦ
。
参量 通过对两片
，
量目标完整的
取四组不同延迟组合 构造了一个
复原矩阵来获取目标
Ｓｔｏｋｅｓ
ＬＣＶＲ
４×４
；
分别进行了延迟 电压特性的精确测量 在
６３３ｎｍ
。 ，
的原始全偏振信息 使用干涉光强法 对两片
下验
ＬＣＶＲ
－
， ，
证了全偏振复原算法 通过对误差分析 得到了较好的反演
，
与 计算值 验
ＤｏＬＰ Ｏｒｉｅｎｔ
参数和相应的
Ｓｔｏｋｅｓ
，
证了复原算法的可靠性 可以为全偏振态高光谱遥感成像提供有效的数据
。
； ； ；
关键词 液晶可调滤光片 液晶可调相位延迟器 高光谱偏振 全偏振
ꢀ
：
：
文献标识码
Ａ
： ／ （ ）
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０８２６１００５
ｊ
ꢀꢀꢀ － －
－
中图分类号
ＴＰ７９
ꢀꢀ
（ ）
与两片液
ＬＣＴＦ
本文提出了一种基于液晶可调滤光片
（
，
）
的
ｌｉｕｉｄｃｒｓｔａｌｖａｒｉａｂｌｅｒｅｔａｒｄｅｒ ＬＣＶＲ
ꢀ ｙ
晶可调相位延迟器
引
言
ｑ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
， 、
偏振高光谱成像系统 该 系 统 除 了 具 有 结 构 紧 凑 重 量 轻
、
、 、
偏振高 光 谱 成 像 技 术 是 一 种 涉 及 光 学 计 算 机 电 子
，
可静态连续获取目标的高光谱图像数据的特点之外 还能够
ꢀꢀ
、 、 、
机械 精 密 机 械 信 号 与 信 息 处 理 等 学 科 的 高 新 技
，
参数的完整偏振信息 包括传统偏振光谱
学
获取目标全
Ｓｔｏｋｅｓ
［
］
１２
。
－
。
，
参数的圆偏振分量 其中
ＬＣＶＲ
术
偏振高光谱成像系统能够在传统的三维高光谱信息
仪无法测量的
作为
Ｓｔｏｋｅｓ
［
］
１１２
－
１
（ ） ，
二维空间信息与一位光谱信息 拓展一维偏振信息 其所提
，
一种新型的具有双折射效应的液晶器件
能够根据其两
，
端的电压不同产生不同的折射率差 在其静态复原完整光强
供的四维 信 息 为 目 标 探 测 和 识 别 提 供 了 更 加 丰 富 的 信 息
［］
３
。
。 ，
信息时起到了重要作用 相对于传统的偏振光谱技术 该系
源
偏振高光谱图像数据除了具有传统高光谱数据在物质
，
鉴别与异常检测方面的特点 还能够通过其偏振信息解决去
、 、 、 、
统具有体积小 功耗低 高光谱分辨率 可凝视成像 能获
［
］
４６
，
－
、
除水面耀光 偏 振 去 雾 以 及 液 体 密 度 测 量 等 问 题
，
参量等优点 能够满足更高的偏振光谱数据的应
Ｓｔｏｋｅｓ
因 此
取全
。
。
用要求
偏振高光谱数据是目前遥感领域的一个研究趋势
，
近年来 液 晶 可 调 滤 光 器
（
，
ｌｉｕｉｄｃｒｓｔａｌｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒ
ꢀ ｙ
ｑ
ꢀ
ꢀ
） ，
作为一种新型的光学滤光器件 凭借其紧凑与重量轻
ＬＣＴＦ
偏振高光谱成像系统设计
１
ꢀ
， 。
的特点 在高光谱成像领域有着一定的研究与应用 日本国
、
本系统由前置准直镜组 两片
、
ＬＣＶＲ ＬＣＴＦ
、
成像镜组
家宇航实验室于 年开展了基于 的成像光谱探测
１９９７ ＬＣＴＦ
ꢀꢀ
以及
［
］
７８
，
－
，
系统研究 并于
。
，
年完成实验样机
该系统具有体积
探测器构成 其中 通过电压控制实现
的多
ＬＣＴＦ
１９９９
ＣＣＤ
。
谱段滤 光 功 能 实 现 整 个 系 统 的 高 光 谱 数 据 采 集 功 能
， 。
重量轻等 特 点 由 于
，
小
本 身 具 有 线 偏 振 滤 光 的 特
ＬＣＴＦ
，
，
一次测量中只能获取目标一个角度的偏振信息 系统加
，
公 司 的 可 见 光 型 号 通 光 孔 径 为
ＶａｒｉＳｅｃ
性
采 用
ＬＣＴＦ
２０
通过在每个
ＬＣＶＲ
ｐ
，
入了机械转动部件 必须通过旋转
，
ｍｍ
；
两片
４００ ７２０ｎｍ
～
在两个垂直的偏振
工作谱段范围为
ＬＣＴＦ
。
，
谱段下调整四组不同的延迟组合 实现对应谱段下的全偏振
方向获取偏振信息从而补全目标的多角度的偏振光谱信息
［］
９
，
，
ＬＣＶＲ
，
公司可见光型号 通
意大利
等研制了基于
的偏振高光谱成像仪
信息的获取
采用
Ｄｕ ｉｎ
ｇｇ
ＬＣＴＦ
ＭｅａｄｏｗＬａｒｋ
，
的结构 但仍无法获
，
；
由于
４５０ ７００ｎｍ
通过旋转薄膜偏振片来代替旋转
光孔径为
工作谱段范围
ＬＣＴＦ
２０ｍｍ
ＬＣＶＲ
～
。
，
与 因此需
５° ７．５°
取目标的圆偏振信息
与
的正常工作要求入射角分别小于
ＬＣＴＦ
：
，
：
修订日期
２０１６０４０５
收稿日期
２０１５１２１６
－ －
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（ ， ， ，
１１５７３０５８ １１３２７３０３ ６１４０５２３９ ６１５０１４５６
）
资助
基金项目 国家自然科学基金项目
：
，
，
年生 中国科学院西安光学精密机械研究所博士研究生
：
ｅｍａｉｌ ｆｒａｎｋａｎ１９８７ １２６．ｃｏｍ
ꢀꢀ ｙ ｇ
作者简介 杨凡超
１９８７
－
＠
第
期
光谱学与光谱分析
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
８
２６１１
；
ＣＣＤ
、
β
，
其具有的
ＬＣＶＲ
要前置镜组将入射光的出射光线控制在 以内
５°
相机采
对于与 夹角为
Ｘ
相位延迟为
的
δ
ꢀꢀ
，
可见光型号 整个系统将在可见光波段进行偏
用
矩阵可以表示为
Ｍｕｅｌｌｅｒ
ＶｉｅＷｏｒｋｓ
Ｔ
， 。
振高光谱数据的获取 如图 所示 为了使整个系统实现偏
１
１
ꢀ
０
ꢀ
０
ꢀ
０
１ ０
ꢀ ꢀ
０
ꢀ
０
熿
燄
熿
燄
，
振高光谱数据的正常获取 需要确定相应的全偏振信息的数
０
ｃｏｓ２
ｓｉｎ２
０
０
１
０ １
ꢀ ꢀ
０
０
ꢀ
β
β
·
·
Ｍ
β
，
＝
δ
，
据复原算法体系 以及对
实际电压延迟 特性的获取
－
ＬＣＶＲ
０
ｓｉｎ２ ｃｏｓ２
－
β
０ ０ ｃｏｓ
ꢀ
ｓｉｎ
δ
δ
β
。
从而实现其相位延迟的精确控制
０
ꢀ
燀
０
ꢀ
０
ꢀ
０ ０
燀
ｓｉｎ ｃｏｓ
－ δ δ
燅
燅
１
ꢀ
０
ꢀ
０
ꢀ
０
熿
燄
０
ｃｏｓ２
ｓｉｎ２
０
０
β
β
（）
３
０
ｓｉｎ２ ｃｏｓ２
－
β β
０
ꢀ
燀
０
ꢀ
０
ꢀ
１
燅
而与 轴夹角为 的线偏振片的
Ｘ
α
矩阵为
Ｍｕｅｌｌｅｒ
图
光学系统示意图
１
ꢀ
１
ｃｏｓ２
０
０
α
熿
燄
２
ｃｏｓ２
Ｆｉ．１ Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｏｔｉｃａｌｓｓｔｅｍ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ
ｐ
ｃｏｓ２
ｃｏｓ２ｓｉｎ２
α
０
α
α
α
（）
４
Ｍα
＝
２
ｓｉｎ２
α
ｓｉｎ２ ｃｏｓ２ｓｉｎ２
α α
０
α
偏振复原算法原理
２
ꢀ
０
０
０
０
燀
燅
，
根据图 所示的光路原理 我们可以得到整个光学系统的总
１
［
］
５
。
１
通常使用
参量来描述 光 的 偏 振 态
参
Ｓｔｏｋｅｓ
Ｓｔｏｋｅｓ
ꢀꢀ
矩阵
Ｍｕｅｌｌｅｒ
ｅｍ 为
Ｍｓｓ
ｔ
ｙ
Ｔ
［ ，
Ｓ＝ Ｓ
０
，
Ｓ
， ］，
其中各个分量的定义如
Ｓ
２ ３
量的定义为
Ｓ
１
（）
５
Ｓｕ
ｏｔ
Ｍ
ｅｍＳｎ
ｉ
Ｍ Ｍ
＝
α
，
δＭ０°
４５°
，
Ｓｎ
ｉ
δ
＝
ｓｓｔ
ｙ
（）
所示
１
。
式
，
，
Ｍ １ Ｍ ２
β
，
与
ＬＣＶＲ１ ＬＣＶＲ２
其中
和
分 别 代 表 系 统
Ｍα
β
Ｓ
０
Ｉ
０°
Ｉ
＋
９０°
＝
。 ，
矩阵 然而 由于探测器直接能接 收 到 目
的
ＬＣＴＦ
Ｍｕｅｌｌｅｒ
烄
烅
烆
Ｓ
Ｉ
０°
Ｉ
－
９０°
＝
＝
＝
１
，
（）
中
５
标的总光强信息
得到经过系统的
可以对两片
因此无法通过一次测量直接从式
Ｓ
０
（）
１
Ｓ
２
Ｉ
４５°
Ｉ
－
１３５°
。
，
矩阵
参量
因为
是
Ｍｓｓ
ｔｅｍ
ｙ
Ｓｔｏｋｅｓ
Ｓｕ
ｏｔ
４×４
进行四次光强 的
Ｉ
～
４
Ｓ
３
Ｉ
， ／
４５°
π
Ｉ
－
， ／
１３５° ２
π
２
延迟组合
与
δ
２
ＬＣＶＲ
Ｉ
１
δ
１
，
，
，
， ，
和 方向
０° ４５° ９０° １３５°
其中
和 分别代表
Ｉ° Ｉ５° Ｉ０° Ｉ３
１５°
０
４
９
。 ，
测量来解决这一问题 为了满足计算要求 必须选择合适的
，
、
延迟
４５° １３５°
测量的偏振光光强
与
分别代表
Ｉ３ ， ／
２
π
Ｉ５°， ／
４
π
２
１５
°
。 ，
的满秩矩阵 具体计算时 需要固
４×４
和
来构造一个
２
β
１
β
／
２
π
。
后测量的偏振光光强
，
轴 的 夹 角 并 取
Ｘ １ ＝０°
，
＝
２
定两片
与
ＬＣＶＲ ＬＣＴＦ
与
β
β
，
对于一个 特 定 的 光 学 系 统 可 以 使 用
矩 阵 和
Ｍｕｅｌｌｅｒ
， ，
以及特定的
４５° ＝０°
α
与
ＬＣＶＲ１ ＬＣＶＲ２
的四组延迟组合
［
］
１
。
１
参数一起来描述其偏振态的改变
Ｓｔｏｋｅｓ
对于一个
Ｍｕｅｌ
－
与
如下
δ
２
δ
１
，
的 光 学 系 统 其 入 射 光 与 出 射 光 的
矩阵为
ｌｅｒ
参
Ｓｔｏｋｅｓ
Ｍ０
／
３ ２
＝ π
／
ｘ
１
ｘ
３ ２
＝ π
２
，
，
量
与
Ｓｎ Ｓｕ
ｏ
ｔ之间的关系为
ｉ
｛
ｙ１
｛
＝π
ｙ２
２
＝ π
（）
２
Ｓｕ
ｏｔ
Ｍ Ｓ
０ ｉｎ
＝
／
ｘ
３
ｘ
３ ２
＝ π
４
＝π
，
（）
６
，
对于多个光学器件组成的光学系统 我们可以求得其整
ꢀꢀ
／
３ ２
＝ π
／
｛
ｙ３
｛
３ ２
＝ π
ｙ４
，
再通过测量到的出射光
Ｓｕ
个系统的总
矩阵
Ｍｕｅｌｌｅｒ
Ｍｓｓ
ｔｅｍ
ｙ
ｏｔ
（）
中的四组延迟代入式
６
（ ）— （ ） ，
式 中 可以得到入射
２ ４
将式
。
来反演入射光的原始
参量
Ｓｎ
ｉ
Ｓｔｏｋｅｓ
光
与四次测量的光强
之间的关系如下
Ｉ
～
４
Ｓｎ
ｉ
Ｉ
１
图
是基于
与
ＬＣＴＦ ＬＣＶＲ
的全 参数反演系统
Ｓｔｏｋｅｓ
２
Ｉ
１
Ｓ
０
１
ꢀ
１
ꢀ
０ ０
ꢀ
熿 燄
熿
燄熿 燄
。 ，
的测量原理 入射光沿 轴传播 经过快轴与 轴具有不同
Ｘ
Ｚ
Ｉ
２
Ｓ
１
１
１ ０ ０
－ ꢀ ꢀ
１
（）
７
＝
， 、
再 经 过 具 有 线 偏 振 特 性 的
夹角
和
的两 片
２
β
后
ＬＣＶＲ
１
β
２
Ｉ
３
１
ꢀ
０
ꢀ
０ １
－
Ｓ
２
。
后成像
偏振方向与 轴夹角为
Ｘ
的
ＬＣＴＦ
α
１
ꢀ
燀
０
ꢀ
１
ꢀ
０
Ｉ
４
燀 燅
Ｓ
３
燅燀 燅
Ｓ
０
Ｉ
１
１
ꢀ
１
ꢀ
０ ０
ꢀ
熿 燄 熿
燄熿 燄
Ｓ
１
Ｉ
２
１
１
－ ꢀ
０
ꢀ
０
（）
８
Ｓｎ
ｉ
＝
＝
Ｓ
２
１
－
１
－ ꢀ
０ ２ Ｉ
ꢀ
３
１
ꢀ
１
ꢀ
２ ０
－ ꢀ
Ｉ
４
Ｓ
３
燀 燅 燀
燅燀 燅
，
参数之后 就可进一步计算出
在获取了目标的全
Ｓｔｏｋｅｓ
ꢀꢀ
目标的线偏振度
与线偏振角
ＤｏＬＰ
Ｏｒｉｅｎｔ
２
Ｓ
槡 １
２
Ｓ
２
＋
烄
ＤｏＬＰ
＝
Ｓ
０
（）
９
烅
Ｓ
２
１
Ｏｒｉｅｎｔ
ａｒｃｔａｎ
＝
图
基于
与
ＬＣＶＲ ＬＣＴＦ
的偏振光谱成像系统原理示意图
２
ꢀ
Ｓ
１
（ ）
２
烆
Ｆｉ．２ ＴｈｅＰｒｉｎｃｉｌｅｄｉａｒａｍｏｆｔｈｅｈ ｅｒｓｅｃｔｒａｌ ｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉｍ
ꢀ ꢀꢀ ꢀ ꢀ ꢀ －
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｐ
ｇ
ｙｐ ｐ
ａｉｎ ｓｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＬＣＶＲｓａｎｄＬＣＴＦ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ｇ ｇ ｙ
ꢀ
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