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基于LCTF与LCVR的偏振高光谱成像系统设计

更新时间：2019-12-25 16:45:43 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：偏振高光谱成像系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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