差分偏振干涉成像光谱仪__概念原理与操作_穆廷魁
外差式偏振干涉成像光谱技术研究
外差式偏振干涉成像光谱技术研究才啟胜;黄旻;韩炜;丛麟骁;路向宁【摘要】提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.%A novel heterodyne polarization interference imaging spectroscopy (HPIIS) based on a Savart polariscope is proposed in this paper. The HPIIS is modified by introducing a pair of parallel polarization gratings into the static polarization interference imaging spectrometer. Because of the introduced parallel polarization gratings, the lateral displacements of the two beams split by the Savart polariscope vary with wavenumber. The frequency of the interferogram obtained on the detector is related to wavenumber. Like the spatial heterodyne spectrometer where the two end mirrors in a Michelson interferometer are replaced with two matched diffraction gratings, the zero frequency of the interferogram generated in HPIIS corresponds to a heterodyne wavenumber instead of the zero wavenumber in a non-heterodyne spectrometer. Due to the heterodyne characteristics, a high spectralresolution can be achieved using a small number of sampling points. In addition, there is no slit in HPIIS and it is an imaging Fourier transform spectrometer that records a two-dimensional image of a scene superimposed with interference curves. It is a temporally and spatially combined modulated Fourier transform spectrometer and the interferogram of one point from the scene is generated by picking up the corresponding pixels from a sequence of images which are acquired by scanning the scene. As a true imaging spectrometer, HPIIS also has high sensitivity and high signal-to-noise ratio. In this paper, the basic principle of HPIIS is studied. The optical path difference produced by the Savart polariscope and the parallel polarization gratings is calculated. The interferogram expression, the spectral resolution, and the spectrum reconstruction method are elaborated. As the relationship between the frequency of the interferogram and the wavenumber of the incident light is nonlinear, the input spectrum can be recovered using Fourier transform combined with the method of stationary phase. Also, the matrix inversion method can be used to recover the input spectrum. Finally, a design example of HPIIS is given. The interferogram is simulated, and the recovered spectrum shows good agreement with the input spectrum. In the design example, the spectral range is 16667–18182 cm?1(550–600 nm), and the number of sampling points is 500. The spectral resolution of HPIIS is 6.06 cm?1, which is 12 times smaller than that in a non-heterodyne spectrometer with the same spectral range and sampling numbers. HPIIS has the advantages of compact structure, high optical throughput, strongstability, and high spectral resolution. It is especially suitable for hyperspectral detection with ultra-small, high stability, and high sensitivity.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)016【总页数】9页(P58-66)【关键词】傅里叶变换光谱技术;干涉;偏振;空间外差【作者】才啟胜;黄旻;韩炜;丛麟骁;路向宁【作者单位】中国科学院光电研究院, 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094;中国科学院光电研究院, 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094;中国科学院光电研究院, 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094;中国科学院光电研究院, 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094;中国科学院大学, 北京 100049;中国科学院光电研究院, 计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094【正文语种】中文提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.偏振干涉成像光谱技术是以双折射晶体为分光元件的一种干涉成像光谱技术.从20世纪90年代初开始,偏振干涉光谱仪得到广泛的研究.典型的偏振干涉光谱仪如:日本大阪大学1992年研制的基于Savart偏光镜的多通道干涉光谱仪[1],英国圣安德鲁斯大学1996年研制的基于Wollaston偏光镜的具有补偿功能的偏振干涉光谱仪[2−4].1996年,美国华盛顿大学研制出了数字阵列扫描干涉成像光谱仪DASI[5],DASI是一种利用Wollaston棱镜分光的空间调制偏振干涉成像光谱仪,其与变形的Sagnac干涉成像光谱仪原理相似[6],系统中都存在一个狭缝.由于狭缝的存在,使得进入系统的光通量大大降低,为了克服狭缝式偏振干涉成像光谱仪的缺点,2002年,张淳民等[7,8]提出了一种基于Savart偏光镜的稳态偏振干涉成像光谱仪SPIIS.SPIIS是一种点到点的完全成像系统,其直接得到的是叠加了干涉条纹的目标二维图像,通过推扫成像获取目标的完整干涉图,由于系统中不存在狭缝,使得其具有很高的光通量[9],另外,该光谱仪还具有超小型、高稳定性等优点.空间外差光谱技术是20世纪90年代逐渐发展起来的一种具有超高光谱分辨率的干涉光谱技术,该技术通过在干涉仪中加入特定的光学元件降低干涉图的空间频率,从而以较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.1971年,日本大阪大学的Dohi和Suzuki[10]首先提出了空间外差光谱技术的概念.1990年美国威斯康星大学的Roesler与Harlander采用电荷耦合探测器进行了实用型空间外差光谱仪的实验研究[11].其原理是用光栅代替Michelson干涉仪中的两个平面反射镜,使干涉图产生外差的效果.随后,他们在美国海军研究实验室和NASA的支持下开始了中层大气自由基空间外差成像仪SHIMMER系统的研制[12,13].两代SHIMMER系统分别于2002年10月和2007年3月试飞成功,得到的实验数据与理论符合.由于空间外差光谱技术超高光谱分辨率的特点,相继提出了多种形式的空间外差成像光谱仪,如基于Mach-Zehnder干涉仪的空间外差光谱仪MZ-SHS[14],基于Sagnac干涉仪的大孔径空间外差干涉成像光谱仪LASHIS[15],以及基于Wollaston偏光镜的偏振空间外差光谱仪PSHI[16].本文在稳态偏振干涉成像光谱仪SPIIS的基础上提出一种外差式偏振干涉成像光谱仪(heterodyne polarization interference imaging spectrometer,HPIIS),该光谱仪的成像方式与SPIIS相似,继承了SPIIS的高光通量、高稳定性等优点,并利用干涉图外差技术降低干涉图频率,通过较少的采样点数实现高光谱分辨率探测.另外,HPIIS与同样采用了外差技术的偏振空间外差光谱仪PSHI相比具有高光通量优点:PSHI是基于角剪切的Wollaston偏光镜,且系统存在狭缝,是点到面的成像系统;而HPIIS是基于横向剪切的Savart偏光镜,系统中无狭缝,是点到点的完全成像系统,具有更高的光通量.本文对HPIIS的基本原理进行了详细阐述,并给出了设计实例,对系统进行干涉图仿真与光谱复原.外差式偏振干涉成像光谱仪HPIIS的原理如图1所示,其在SPIIS的基础上引入一对偏振光栅来实现波数外差.HPIIS主要由前置镜L0、准直镜L1、起偏器P、Savart偏光镜、1/4波片QWP、偏振光栅对PG 1和PG2[17,18]、检偏器A、成像镜L2、面阵探测器D以及数据处理系统组成.前置镜L0将探测目标成像在视场光阑处,视场光阑位于准直镜L1的前焦面上,目标上某一点发出的光经过L0和L1后变为平行光入射到起偏器P上,起偏器P的偏振方向在XY平面内且与X和Y轴正向成45◦,光线经过起偏器P后变为线偏振光进入Savart偏光镜,Savart偏光镜由两块厚度为t的单轴晶体组成,第一块晶体的光轴在X Z平面内且与X和Z轴正向成45◦;第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y和Z轴正向成45◦.这样,光线进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为寻常光(o光)和非寻常光(e光),o光沿原方向传播,e光发生偏折,之后分开的两束光入射到第二块晶体,原o光变为e光产生偏折,再经过Savart偏光镜的后表面偏折后平行于入射方向射出(oe光).同理,原e光变为o光偏折后平行于入射方向射出(eo光).因此,光线经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直的平行于入射方向且具有一定间距(横向剪切量)的两束线偏振光.这两束振动方向互相垂直的线偏振光经过1/4波片QWP后变为两束旋转方向相反的圆偏振光,然后入射到平行偏振光栅对(PG 1和PG2)中.右旋偏振光和左旋偏振光经过PG1后分别产生+1级衍射和−1级衍射[16],不同波长的入射光其衍射角不同,如图1中所示,红色虚线所表示的光线的衍射角大于蓝色实线所表示的光线的衍射角.偏振光栅PG2的刻线密度与PG1相同,且刻线方向和刻线平面均与PG1平行,由于这对平行光栅的作用,光线经过PG2衍射后,其出射方向与入射PG1时的方向相同,即具有一定剪切量的两束光经过平行光栅对后仍为平行光束,只是其横向剪切量产生了变化,且剪切量与波数相关.随后,两束光经过检偏器A后变为相干光.探测器D位于成像L2的后焦面上,两束平行相干光束经过L2后在探测器上相干叠加,不同的目标点成像在探测器的不同位置处,最终得到叠加了干涉信息的目标图像,经过后续数据处理后,即可复原出目标的光谱信息.系统得到的干涉图与两束光的横向剪切量有关,系统的等效光路图如图2所示,Savart偏光镜与平行光栅对将探测目标分为两个虚像,两虚像之间的剪切量与波数相关,不同的目标点成像在探测器的不同位置处.其横向剪切量由两部分组成,一部分是Savart偏光镜引入的横向剪切量ds,为[19]式中,t为Savart偏光镜晶体的厚度,no与ne分别为寻常折射率与非常折射率,θ为入射光线的视场角.通常情况下,视场角是比较小的,此时,sinθ项与其高阶项相对于常数项可以忽略,Savart偏光镜产生的横向剪切量可以近似为另一部分为平行光栅对引入的横向剪切量,该部分剪切量如图3所示,由于入射到偏振光栅PG1的两束光(光线I与光线II)为旋转方向相反的圆偏振光,因此它们在经过偏振光栅PG1后的衍射光线会在法线的不同侧,其引入的附加剪切量dg的表达式为式中,s为光栅对的间距,β1与β2分别为右旋偏振光与左旋偏振光经过偏振光栅后的衍射角.衍射角大小由光栅方程决定:式中,M1和M2分别为两条光线的衍射级次,g为光栅刻线密度,α1和α2分别为两条光线的入射角,σ为入射光波数.将光栅方程代入(3)式可以得到若给定的两条光线的衍射级次分别为:M1=1,M2=−1,当入射角较小时,上式可近似为:即在中心视场附近,系统总的横向剪切量为可以看到,系统的横向剪切量与波数相关.外差式偏振干涉成像光谱仪中,被测目标经过系统后分为两个具有一定横向剪切量的虚像,经过成像镜后成像在探测器上,探测器上不同位置x处的干涉强度与对应的入射光谱强度关系为式中,I(x)为干涉强度,B(σ)为入射光谱强度,f2为成像镜L2的焦距.从上式可以看出,干涉图的频率frq与波数相关,其与波数的对应关系为将(7)式代入(9)式中可得干涉图的频率为零时所对应的波数为对于传统干涉光谱仪,干涉图的零频分量与零波数相对应,而外差式干涉光谱仪中干涉图的零频分量与某一特定波数σ0相对应,具有了波数外差的特点.干涉图频率与波数的对应关系如图4所示,若所探测的波数范围为σ0—σ1,光谱分辨率为δσ,则根据采样定理,干涉图的采样频率需大于干涉图最高频率的两倍,传统干涉光谱仪对干涉图进行采样时所需的采样点数为N ≥2σ1/δσ,而外差式干涉光谱仪所需的采样点数为N ≥ 2(σ1− σ0)/δσ.与传统的干涉光谱仪相比,在光谱分辨率不变的情况下,外差式干涉光谱仪可以极大地降低干涉图采样点数,降低数据冗余度,或者在采样点数不变的情况下,仪器的光谱分辨能力明显提高[20],这是外差式偏振干涉成像光谱仪的突出优点.需要指出的是,当入射光谱范围较大时,Savart偏光镜的折射率也将随波数变化,(7)式中的Savart偏光镜产生的横向剪切量也与波数相关,但这并不影响系统的波数外差特性,即根据(10)式仍然可以确定一个特定的基准波数,使其对应的干涉图频率为零.但干涉图的空间频率与入射波数不再具有线性对应关系,采用傅里叶变换方法进行光谱复原将会产生波数误差,此时的光谱复原方法将在2.3节进行详细讨论.实际上,干涉图是被探测器离散采集的,若探测器像元大小为u,第0个像元与光轴的距离为φ,则第j 个像元处接收到的干涉强度值为系统得到的干涉图空间频率与入射波数相关,且具有非线性的对应关系,光谱范围增大时非线性对应关系越明显,可利用离散傅里叶变换与驻定相位原理相结合的方法实现光谱复原[20].将直流分量去除后对上式做离散逆傅里叶变换,复原出的第k个离散光谱为由于离散光谱数据与波数不是等间隔对应的,可以通过驻定相位原理得到第k个离散光谱数据与波数的对应关系[21].驻定相位原理指出,(12)式中的指数项为零时其求和才显著不为零.即因此,波数与第k个离散光谱数据的对应关系为将k=0代入上式可得到最小波数σ0,将k=N/2代入上式可得到最大波数σ1,即若已知系统的参数,由以上两式即可得到HPIIS的光谱范围;反之,若确定系统的光谱范围可以推导出系统参数.将(14)式写成如下形式:对(17)式求导,可以得到离散光谱数据之间的波数间隔,即光谱分辨率.由于(17)式的非线性关系,光谱分辨率不是一个定值,即不同波数的光谱分辨率不同.系统平均光谱分辨率可用下式求出:当系统工作在大视场情况下时,(2)式和(6)式中的小角度近似不再成立,此时干涉图的空间频率不仅与入射波数有关,还与视场相关,但并不影响系统的波数外差特性,即通过引入平行光栅,仍然降低了干涉图频率,只是对于基准波数而言,仅中心视场附近的干涉图空间频率为零,此时采用傅里叶变换进行光谱复原将会产生误差.实际上,由干涉图到入射光谱信息的复原也是一种矩阵求逆的过程,可以通过确定不同波数的入射光在整个视场处产生的干涉强度,利用矩阵求逆的方法完成光谱复原.将(11)式写成如下矩阵表达式:其中,I为探测器上不同光程差处得到的干涉强度列向量(I1,...,Ij,...,IN),B 为不同波数的光谱强度列向量(B1,...,Bk,...,BM),T 为入射光谱到干涉强度的变换矩阵:通过变换矩阵T即可确定不同波数的入射光在探测器不同位置处的干涉强度,对于这种大视场宽谱段情况下干涉图与入射光谱并非完全傅里叶变换对应关系的偏振干涉光谱成像技术,可采用双折射干涉变换(birefringence interference transform)方法[22],或奇异值分解等矩阵求逆的方法进行光谱复原[23].在给出了HPIIS的基本原理之后,本节将给出一个具体的光谱仪参数设计实例,从而更直观地体现出其低采样点数与高光谱分辨率的特点.光谱仪参数设计如表1所列,设定的光谱范围为:16667—18182 cm−1(550—600 nm),基准波数为σ0=16667 cm−1(600 nm),探测器像元大小为3µm×3µm,面阵为500×500,即干涉图采样点数为N=500,因此平均光谱分辨率可由(18)式求出:δσ=6.06 cm−1(0.2nm).Savart偏光镜由两块的厚度为50 mm的方解石构成,在基准波长600 nm处,寻常折射率与非寻常折射率分别为:no=1.658,ne=1.486[24],根据(2)式,Savart偏光镜引入的横向剪切量为ds=7.7137mm,若光栅刻线密度为g=1500刻线/mm,联立(15)和(16)两式可得:偏振光栅对的间距为s=1.868 mm,成像镜焦距为f2=24.65 mm.根据探测器尺寸,可计算出入射视场角为±1.74o.根据(14)式可以确定光谱反演时第k个离散光谱数据与所对应波数的关系,如图5所示,可以看出干涉图的频率与所对应的波数具有非线性关系,且干涉图的零频分量对应最小波数σ0(600 nm),而传统的干涉光谱仪中干涉图的零频分量对应的波数为零.在同样的波数范围和采样点数情况下,传统干涉光谱仪的光谱分辨率只有δσ=2σ1/N =72.73 cm−1.而外差式偏振干涉光谱仪的光谱分辨率达到δσ =2(σ1−σ0)/N=6.06 cm−1,外差式干涉光谱仪的光谱分辨率提升了σ1/(σ1−σ0)=12倍,可见,采用外差技术使得系统光谱分辨率大幅提高.另外,若同样实现δσ=6.06 cm−1的光谱分辨率,外差式干涉光谱仪所需的干涉图采样点数为N ≥2(σ1−σ0)/δσ=500,而传统干涉光谱仪的干涉图采样点数为N ≥ 2σ1/δσ=6000,可见,在相同的探测光谱范围和光谱分辨率情况下,采用外差技术比非外差探测方式的干涉图采样点数降低了σ1/(σ1− σ0)=12倍.若输入的光谱曲线如图6所示,通过计算机仿真,经过HPIIS后采集到的干涉图如图7所示.对其进行光谱反演,复原的光谱曲线如图8中红色虚线所示.可以看出,复原的光谱曲线与原始光谱曲线完全符合,验证了理论分析的正确性.本文提出了一种新型的外差式偏振干涉成像光谱仪HPIIS,其在现有的基于Savart 偏光镜的偏振干涉成像光谱仪的基础上引入一对平行偏振光栅,使目标干涉图的频率与波数相关,具有了外差的特点,从而降低了干涉图的采样点数,可实现很高的光谱分辨率.另外,外差式偏振干涉成像光谱仪系统中无狭缝、无运动部件,是一种时空联合调制型偏振干涉成像光谱仪,具有光通量高、结构紧凑、稳定性强的特点.文中详细论述了其基本原理、干涉图表达式、光谱复原方法等关键问题,给出了设计实例并进行了干涉图仿真,复原出的光谱与入射光谱相符合.外差式偏振干涉成像光谱仪尤其适用于超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱分辨率探测应用.A novelheterodyne polarization interference iMagingspectroscopy(HPIIS)based on a Savart polariscope is proposed in this paper.The HPIIS ismodified by introducing a pair of parallel polarization gratings into the static polarization interference iMaging spectroMeter.Because of the introduced parallel polarization gratings,the lateral disp laceMents of the two beaMs sp lit by the Savart polariscopevary With wavenumber.The frequency of the interferograMobtained on the detector is related to wavenumber.Like the spatial heterodyne spectrometer where the two end Mirrors in a Michelson interferoMeter are rep laced With two Matched diff raction gratings,the zero frequency of the interferograMgenerated in HPIIS corresponds to a heterodynewavenumber instead of the zero wavenumber in a non-heterodyne spectrometer.Due to the heterodyne characteristics,a high spectral resolution can be achieved using a sMall number of saMp ling points.In addition,there is no slit in HPIIS and it is an iMaging Fourier transforMspectroMeter that records Atwo-diMensional image of a scene superiMposed With interference curves.It is AteMporally and spatially combined modu lated Fourier transforMspectroMeter and the interferograMof one point froMthe scene is generated by picking up the corresponding pixels froMa sequence of iMageswhich are acquired by scanning the scene.As Atrue iMaging spectroMeter,HPIIS also hashigh sensitivity and high signal-to-noise ratio.In this paper,the basic p rincip le of HPIIS is studied.The optical path diff erence produced by the Savart polariscope and the parallel polarization gratings is calcu lated.The interferograMexp ression,the spectral resolution,and the spectruMreconstruction Method are elaborated.As the relationship between the frequency of the interferograMand the wavenumber of the incident light is nonlinear,the input spectruMcan be recovered using Fourier transforMcombined With the Method of stationary phase.A lso,the Matrix inversion Method can be used to recover the input spectrum.Finally,a design exaMp le of HPIIS isgiven.The interferograMis simulated,and the recovered spectruMshows good agreement With the input spectrum.In the design exaMp le,the spectral range is 16667–18182 cm−1(550–600 nm),and the number of saMp ling poi nts is 500.The spectral resolution of HPIIS is 6.06 cm−1,which is 12 times smaller than that in a non-heterodyne spectrometer With the same spectral range and saMp ling numbers.HPIIS has the advantages of coMpact structure,high optical throughput,strong stability,and high spectral resolution.It is especially suitable for hyperspectral detection With ultra-sMall,high stability,and high sensitivity.【相关文献】[1]HashiMoto M,Kawata S 1992 Appl.Opt.31 6096[2]Padgett MJ,Harvey A R,Duncan A J,Sibbett W1994 Appl.Opt.33 6035[3]Padgett MJ,Harvey A R 1995 Rev.Sci.Instrum.66 2807[4]Cou rtial J,Patterson B A,Harvey A R,SibbettW,Padgett MJ 1996 App l.Opt.35 6698[5]SMith WH,HamMer P D 1996 App l.Opt.35 2902[6]Rafert J B,Sellar R G,B latt J H 1995 Appl.Opt.34 7228[7]Zhang C M,X iang L B,Zhao B C 2000 Proc.SPIE 4087 957[8]Zhang C M,X iang L B,Zhao B C,Yuan X J 2002 Mun.203 21[9]Zhang C M,Zhao B C,X iang L B,Yang J F 2001 Acta Opt.Sin.21 192(in Chinese)[张淳民,赵葆常,相里斌,杨建峰2001光学学报21 192][10]Dohi T,Suzuki T 1971 Appl.Opt.10 1137[11]Roesler F L,Harlander JM1990 Proc.SPIE 1318 234[12]Harlander JM,Roesler F L,Cardon J G,Englert C R,Conway R R 2002 Appl.Opt.41 1343[13]Harlander JM,Roesler F L,Englert C R,Cardon J G,Conway R R,B roWn C M,WiMperis J 2003 Appl.Opt.42 2829[14]Cai Q S,X iang L B,Du S S 2015 Mun.355 239[15]X 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No.61640422).†Corresponding author.E-Mail:************.cn。
干涉成像光谱仪光谱应用技术研究的开题报告
干涉成像光谱仪光谱应用技术研究的开题报告一、研究背景与意义随着科学技术的不断发展，干涉成像光谱仪在空间科学、物理化学、生物医学、环境监测等行业的应用越来越广泛。
干涉成像光谱仪是一种利用干涉原理进行光谱分析的仪器，具有非侵入性、高分辨率、高精度、快速测量等优点。
在高分辨率光谱测量、化学成分分析、物理性质测定、大气环境探测等方面具有重要的应用价值。
干涉成像光谱仪在应用过程中存在一些技术难题，如精度控制、数据处理、信号提取等问题。
因此，本研究旨在深入研究干涉成像光谱仪的光谱应用技术，探究其优化策略和实现方法。
二、研究内容与方法本研究主要从以下三个方面进行深入研究：1、干涉成像光谱仪的光谱采集技术研究。
采用实验室实验和数值模拟的方法，研究干涉成像光谱仪在光源选择、波段控制、光路设计、信号提取等方面的技术问题。
2、干涉成像光谱仪的数据处理技术研究。
采用数据分析与处理的方法，研究干涉成像光谱仪在数据采集、处理和分析方面的技术问题，提出相应的优化策略。
3、干涉成像光谱仪在应用中的优化策略研究。
根据以上两个方面的研究，提出干涉成像光谱仪在特定应用场合下的优化策略，包括气体探测、大气环境监测、生物医学成像等领域。
三、研究进展与成果预期目前，本研究已经完成了干涉成像光谱仪的基础理论研究和实验室实验，初步探究了光源选择、波段控制、信号提取等技术问题。
下一步，将进一步开展数值模拟研究和数据处理技术研究，并结合特定应用场合，提出相应的优化策略和实现方法。
预计研究成果包括：1、干涉成像光谱仪光学系统优化设计方法；2、干涉成像光谱数据处理与分析软件；3、干涉成像光谱仪在特定应用场合优化策略。
四、研究难点与解决方案干涉成像光谱仪的精度控制、数据处理、信号提取等技术问题是本研究的主要难点。
针对这些问题，本研究将采用实验室实验和数值模拟相结合的方法，辅以统计分析和数据处理技术，从多个方面入手，逐步解决技术难题。
五、研究意义和创新点本研究主要探究干涉成像光谱仪的光谱应用技术，最终目标是提高干涉成像光谱仪在气体探测、大气环境监测、生物医学成像等领域的应用效果和实用性。
干涉型光纤传感器偏振衰落动态补偿技术
图 2：混合效率变化图 Fig 2: Mixing efficiency variation graph
零差解调技术较好地消除相位衰落的基础上，利用旋转的半波片可以动态补偿由环境变化引 起的偏振衰落。通过计算模拟证明了理论分析的正确性。该方案具有结构简单，成本低廉的 特点。
二 结构与分析
如图 1 所示，低频振荡的PZT1 用来模拟待测信号，高频振荡的PZT2 结合相位生成载波 零差解调电路用来补偿相位衰落[3]。本装置创新地在参考臂上加入了可旋转控制的半波片， 把干涉信号通过驱动电路反馈给步进电机以控制半波片的旋转，从而达到动态补偿偏振衰落 的目的，以下对其进行理论分析。
干涉型光纤传感器偏振衰落动态补偿技术
吴许强 俞本立 孟军 穆姝慧 孙维亚
安徽大学物理系 230039 摘要：由单模光纤制作的光纤传感器常会因外部环境扰动而引起相位衰落和偏振衰落。目前 相位补偿技术已经比较成熟，而偏振衰落已成为阻碍其实用化的重要因素。本文在相位补偿 的基础上提出了一种动态补偿偏振衰落的方法并对其进行了理论分析。本技术的关键是在干 涉仪的参考臂中引入一个可以旋转控制的半波片。把干涉信号的幅值变化通过驱动电路反馈 给步进电机，步进电机旋转该半波片以调整干涉信号的幅值。据此可实现偏振衰落的动态补 偿，可使偏振衰落造成的信号幅度波动不大于 3dB。 关键词：光纤干涉仪 动态补偿 偏振衰落 半波片
Dynamic Compensation Technique for Polarization Fading in
干涉成像光谱技术
干涉成像光谱技术摘要: 干涉成像光谱技术是当今可见光和红外遥感器探测技术的前沿科学，是当今成像技术与光谱技术的有机结合，目前它已成为人们研究和获取目标三维信息（二维空间信息和一维光谱信息）的重要手段和前沿学科。
成像光谱仪把成像技术和光谱技术融为一体，可以在空间以及光谱两个方向上对目标进行识别分析。
关键词: 干涉干涉成像光谱技术傅利叶光学干涉仪1 、前言干涉成像光谱技术始源于干涉光谱学的发展。
1880 年，迈克耳逊发明了以他的名字命名的干涉仪。
1887 年，迈克耳逊与莫雷进行了旨在检验以太风的著名实验: 迈克耳逊一莫雷实验。
这一实验的零结果否定了绝对惯性系以太的存在，确立了后来爱因斯坦创立狭义相对论两条基本假设之一的光速不变原理，迈克耳逊一莫雷实验比爱因斯坦早18 年提出了物质世界的这一基本规律。
20 世纪前半叶，航天技术得到了前所未有的高速发展，为空间探测和地表探测创造了条件，同时也为空间探测技术提出了更多的需求。
人们希望得到的不只是单纯的目标光谱或目标形影信息，而希望能够同时得到目标的形影信息和光谱信息。
这一极大的社会需求导致了成像仪与光谱仪的结合以及成像光谱技术的产生。
成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两大类: 色散型成像光谱仪是利用色散元件（光栅或棱镜等）将复色光色散分成序列谱线, 然后再用探测器测量每一谱线元的强度。
而干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度, 对干涉图进行逆傅里叶变换将得到目标的光谱图。
2、干涉成像光谱仪的原理图 1 是基于迈克耳逊干涉仪基础上的时间调制干涉成像光谱仪原理图。
下面我们将通过迈氏干涉仪的双光束干涉机理产生的干涉图的定量分析及处理来阐明干涉成像光谱技术的基本原理。
设从光源发出的单色光经前置光学系统后成为一束电矢量振幅为 E 。
（ c 为波数）的准直光束射入迈克耳逊干涉仪，任一时刻 t ，位置坐标为z 处的光波表达 式为此光波到达分束板后，被分割成一束透射光和一束反射光， 经M 、MZ 反射后 又返回分束板，分别经透射和反射到达探测器。
干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正技术
第６期光谱学与光谱分析１７１３夏＝赤萎善ｓ（弘），ｋ＝１，２＇２…，Ｋ（１）ＣＣＤ阵列的非均匀性是由阵列中各探测单元响应曲线的不一致引起的，其非均匀性校止就是将阵列中各探测单元的响应曲线做归一化，如图ｌ所示，实线为ＣＣＤ阵列中第（ｉ，＿『）个探测器单元的响应曲线，虚线为阵列所有探测器单元的平均响应曲线，将其作为归一化曲线，其过程即是将Ｓ（馈）映射为Ｓｋ，志＝１，２，…，Ｋ，亦即要求解如下函数关系，Ｓ７ｄ（妒）＝尢ｓ，ｊ（妒）］（２）＆＝尢Ｓｏ（强）］，ｋ＝１，ｚ，…，Ｋ（３）Ｒ目ｐｍｎｌｍＯｆｔｈｅ（Ｊ．力ｕｎｉｔ＞一．．暑扩，’．歹一ｒａｌｌｔｍｌ协。
磁．．吼吼呢％伊Ｒａｄｉａｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ／Ｗ．ｍ一２Ｆ．唔１０ＣＤｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ函数关系厂的求解可利用函数插值或函数拟合来实现，考虑到Ｔ程应用．算法庇要绝对收敛Ｈ计算鼍要小。
由于ＣＣＤ器件各探测单元响应特性的线性度一般较高，最有效的校正算法就是两点校正算法Ｓ’。
（妒）＝Ｕｋ（ｉ，ｊ）Ｓ（ｐ＋Ⅵ（ｉ，歹）（４）其中Ｕ；（ｉ，Ｊ）＝［瓢Ｉ一＆］／ＥＳ，ｊ（阶Ｉ）一Ｓｏ（伫）］（５）Ⅵ（ｉ，ｊ）＝［Ｓ（舛，）＆一ＳｌＪ（体）瓢，］／［Ｓ（钟１）一岛（体）］（６）为非均匀性校正系数矩阵。
特别地，当Ｓ（９）≤Ｓｏ（卿）时，取Ｓ，口（９）一Ｕ（ｉ，歹）ｓ，ｊ（９）＋Ⅵ（ｆ，．ｆ）（７）当Ｓ（ｐ＞Ｓｏ（舛）时，取ｇ口（驴）＝ＵＫ—ｌ（ｉ，Ｊ）Ｓ（９）＋Ｖｋ一１（ｉ，Ｊ）（８）该算法计算量小，适用于探测器单元响应特性为线性或非线性的场合。
成像系统辐射定标及非均匀性校正在系统组装完成后进行，它不仅町以校正ＣＣＤ器件本身的非均匀性，也町以校正其他诸如入射到探测器表面光源分布不均匀等原因引起的非均匀性。
２干涉成像光谱仪ＣＣＤ非均匀性校正方法为解决工程应用，在干涉成像光谱仪系统组装之前，单独对ＣＣＤ进行定标，之后利用定标数据，在系统数据处理部分完成对十涉图的校正处理。
新型双通道差分偏振干涉成像系统
新型双通道差分偏振干涉成像系统王田;牛明生;步苗苗;韩培高;郝殿中;杨敬顺;宋连科【摘要】针对Wollaston棱镜和Savart偏光镜(SP)组合的差分成像光谱系统存在光线溢出和无法改变系统光程等问题,设计了一种新型双通道差分偏振干涉成像系统.此系统不仅可获取正交偏振图像,还可以通过调整Savart偏光镜的厚度来改变系统光程.介绍了该系统的结构、理论原理,并利用琼斯矩阵推导出四束偏振光线的复振幅及其相干光干涉强度表达式.分析了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)的分束特性,得出WSP相较于SP具有更好的剪切能力和WSP可优化系统光路的结论.获得了不同楔形结构角下MSP的光程差、横向剪切量随楔形移动量的变化曲线.通过实验验证,获取了不同剪切量下的干涉图像和复色光下平行、垂直分量的空间图像,进而获得了总的强度图像和差分强度图像.得出差分强度图像相较于偏振强度图像具有较高对比度的结论.研究结果对双通道成像光谱系统的性能优化具有一定的参考意义.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)010【总页数】11页(P8-18)【关键词】成像系统;偏光干涉;同时成像;宽视场Savart偏光镜【作者】王田;牛明生;步苗苗;韩培高;郝殿中;杨敬顺;宋连科【作者单位】曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室, 曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室, 曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜 273165;曲阜师范大学激光研究所, 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,曲阜 273165【正文语种】中文1 引言成像光谱仪不仅具有获取目标空间、光谱信息的能力[1,2],还有高稳定性、高通量、高灵敏度等优点[3,4],已广泛应用于航空航天[5]、卫星遥感[6]、生物医学科学[7]和环境监测[8]等领域.然而,在探测对象和背景类似的复杂环境下,普通偏振成像光谱仪无法获取高清晰度的目标图像,因此如何提高成像系统的探测性能成为探究的热点[9,10].而偏振差分技术与成像光谱技术相结合,可将获取的正交偏振图像用于减弱背景影响,提高探测目标分辨率,使成像系统适应复杂的探测环境,提高探测能力[11,12].差分信息与空间信息相结合,能够实现对每个像素点的探测和识别,特别适合于探测复杂背景中的目标.基于Wollaston棱镜(WP)和Savart偏光镜(SP)组合的差分偏振干涉成像光谱系统[13−15],可同时获取目标的正交偏振分量的光谱图像,且正交偏振光谱图像之和为传统强度光谱,正交偏振光谱图像之差等效于差分偏振光谱图像[16,17].在基于SP的成像光谱系统中,SP必须要通过旋转使第一块晶体的主界面与y-z平面成π/4,才能保证SP剪切出的两偏振光振幅相等,且从角剪切型WP中出射的偏振光不平行[13],会致使光线溢出.为保证无光线溢出,WP必须是微角分束棱镜,而微角分束棱镜的制作工艺和加工成本都比较高.为避免系统光线溢出,优化系统光路,本文提出了一种新型双通道差分偏振干涉成像光谱系统(DPDIIS).此系统用横向剪切型宽视场SP[10]代替WP,可有效避免WP导致光线溢出的问题.通过实验探究和数据分析,获得了正交偏振干涉图像和白光下的空间图像,得到了差分偏振空间图像.另外,同时偏振成像相较于单通道偏振干涉,能提供更详细的偏振信息.2 双通道差分偏振干涉成像系统DPDIIS的光学结构如图1所示,横向剪切型WSP[10]由两块冰洲石晶体和一个消色差λ/2波片构成,两块晶体的主截面都为x-z平面,且光轴方向垂直.用于旋转偏振方向的λ/2波片R,其快轴方向与x轴夹角是π/8.MSP[18,19]由三块双折射晶体(I,II固定,III可沿斜面移动)构成,晶体I主截面为y-z平面,楔形晶体(II,III)的主截面为x-z平面,用于产生干涉所需要的光程差.线检偏器PA的方向与x和y正方向夹角都为45◦,用于归化干涉所需的振动方向.最后经过成像透镜,在成像平面上形成干涉图像.图1 新型双通道差分偏振干涉成像系统的光学结构Fig.1.Optical layout of DPDIIS.目标光通过前置光学系统(L1,M,L2)准直后,进入WSP棱镜,通过WSP棱镜后产生振动方向在x-z平面内和垂直于x-z平面的线偏光Ex,Ey.正交线偏光随后通过R,使线偏光振动方向旋转45◦,两束光经过MSP后分别可产生两束正交的线偏光,经LA 归化振动方向后,经成像透镜后两两干涉,在成像平面上形成关于y-z平面对称的干涉条纹I∥(∆,x,y),I⊥(∆,x,y). 通过调节MSP的厚度来改变相干光的光程差.由于双光路关于y-z平面对称,所以I∥(∆,x,y),I⊥(∆,x,y)在系统中产生的光程差完全相等.在测量过程中保持MSP的厚度固定不变,可同时获取正交偏振分量对应的干涉图像,通过傅里叶变换,进一步得到待测物光谱信息.保持视场相对于系统固定不动,沿斜面移动晶体III的位置,就成为DPDIIS.3 差分偏振干涉成像理论由图1可知,WSP等效于两个正交的偏振器和λ/2波片,琼斯矩阵分别为:JWSPI(0),JWSP(π/2),JR(π/4). R的琼斯矩阵JR(π/8),PA的琼斯矩阵为JPA(π/4).JWSPI(0),JWSP(π/2),JR(π/4),JR(π/8),JPA(π/4)的琼斯矩阵分别为若入射光的琼斯矢量为.则经过WSP后线偏光的复振幅为:其中φ是e光在WSP单板中的相位延迟量,−φ为o光的相位延迟量.(1)和(4)式的振幅为0,说明经过WSP后oo光、ee光产生消光现象,与实验一致.由于晶体I与II,III的主截面相互垂直,o光变为e光,e光变为o光.相当于在晶体之间加上旋转矩阵JR(π/4),MSP出射后各偏振光线的振幅为:其中φo,φe和φoo,φee,φoe,φoe分别为晶体I中o 光、e光和晶体II,III中oo 光、ee光、oe光、eo光的相位延迟量.由(9)式可知,平行、垂直分量的oo光、ee 光都出现消光现象,共有4束偏振光从MSP射出.经过LA归化后,其平行、垂直分量的振幅为:φ=φe−φo+φoe−φeo为两相干光之间的相位差.其平行、垂直分量的干涉强度为:其中分别对应入射光平行、垂直分量的光强;σ为波数.若在前置光学系统后放置一个可以旋转的线偏振器,偏振方向与x轴正向夹角为θ. 则,平行、垂直分量的干涉图像为:将(14)和(15)式作差,得偏振差分强度图像:ID是关于θ,φ和σ的函数,可以通过调整系统参数θ,φ和σ来获取不同的差分强度图像.获得偏振差分图像是提高偏振图像质量的一种有效方法.单通道成像系统必通过旋转起偏器的偏振方向来获得不同偏振态下的干涉图像,而此系统无需旋转器件便可同时获得正交偏振分量的干涉图像,增加了偏振图像信息的获取能力.4 SP,WSP和MSP特性分析作为偏振成像系统的常用器件,SP和WSP[10]的坐标图如图2所示.SP由厚度相同的负单轴晶体(方解石)使用光胶粘剂粘接制成,在SP两板之间加上一快轴与x轴成45◦的λ/2波片,成为WSP.左板主截面在y-z平面内,光轴与y,z轴正向均成45◦角.右板主截面也在y-z平面内,光轴与y轴负向,z轴正向成45◦角.自然光正入射WSP 左板后分成o光和e光,o光会沿原入射方向传播,e光偏折.λ/2波片将经过左板产生的o光和e光相位延迟π,再进入右板,o光变为e光,e光变为o光.出射光为振动方向互相垂直的平行原入射光传播方向的具有横向剪切量的两束线偏振光.WSP 产生的光程差和剪切量为[20]:式中i为入射角,ω为主截面与入射面之间的夹角;t为单板厚度;no,ne为o光和e 光折射率.剪切量dSP和dWSP随入射角i和单板厚度t的变化如图3所示.在入射角确定的情况下,SP与WSP剪切量随厚度t增加而增加.由图3(a)知,dSP的i数值与入射角有关,剪切量在入射角为正值时比负值时增加得快.但对于WSP,光线垂直入射(i=0)时,剪切能力最强,剪切能力随入射角的增大而减弱,且剪切量随着单板厚度t的变化曲线关于i=0对称,即入射角i=π/18或i=−π/18,剪切量随t的变化曲线是一样的.图2 SP与WSP坐标图Fig.2.Coordinate systems of the SP and WSP.图3 (a)dSP随i和t的变化;(b)dWSP随i和t的变化Fig.3.(a)dSPchanges with t and i;(b)dWSPchanges with t and i.当光线正入射时,∆WSP=0,横向剪切量dWSP可化简为:光线垂直入射(i=0),SP与WSP产生的横向剪切量d随其单板厚度t变化关系如图4(a),可见SP与WSP剪切量d都随厚度t线性增加,但WSP增加得更快,即WSP 相较于SP横向剪切能力更强.很明显,由于WP的角剪切特性,必须保证WP为微角分束棱镜.而微角分束棱镜对加工工艺要求较高,加工难度较大.WSP为平行分束棱镜,可有效避免光线溢出问题.另外,当光线垂直入射时,WSP产生的正交光线是等光程的.可调光程的Savart偏光镜(MSP)坐标图如图4(b)所示,MSP的最大不同是它的第二块晶体变成了两块楔形(II III)晶体.随着楔形晶体III的相对移动,MSP的厚度会发生变化,MSP分束的正交光线的光程就随之变化,便实现了光程的有效改变.随着可移动楔形晶体移动,o光与e光的光程差发生变化[19,20].当光线正入射时,不同结构角下MSP产生的∆MSP和dMSP随晶体III移动位移L 的变化如图5所示.由图5(a)知,结构角α一定时,∆MSP随L线性增加;当L保持不变时,结构角α越大,∆MSP越大.由图5(b)知,结构角α越大,dMSP越明显;α保持不变时,dMSP随位移成非线性增加.考虑到加工工艺等因素,本系统采用单板厚底为6.5 mm、结构角为π/4的楔形晶体,由于WSP为平行分束棱镜,且不产生光程差,系统总光程差和横向剪切量可以得到一定程度的简化.则系统总的光程差为[20]∆o为经L3后产生的光程差.系统光谱分辨率,实现光谱分辨率可调.图4 (a)SP与WSP剪切量d随其单板厚度t的变化;(b)MSP坐标图Fig.4.(a)d changes with t for SP and WSP;(b)coordinate system of the MSP.图5 (a)不同结构角下∆MSP随L的变化;(b)不同结构角下dMSP随L的变化Fig.5.(a) ∆MSPchanges with L for different structure angleα;(b)dMSPchanges with L for different structure angle α.5 结果与讨论系统光路如图6(a)所示,MSP实物如6(b)所示,其中OA为衰减器,透镜L1,L2,L3的焦距为54 mm.偏振器P和PA为格兰-泰勒棱镜,其消光比大于105.WSP的单板厚度为14 mm,其产生的横向剪切量dPBS=3.052 mm.MSP的单板厚度为7.5 mm.半波片R在λ=480—960 nm波段内能够实现较好的消色差.CCD相机的像素为782×582,像素大小为8.3µm×8.3µm.图6 (a)系统光路实物图;(b)MSP实物图Fig.6.(a)Photograph of the core optics;(b)photograph of the MSP.图7 不同偏振态和空间位置下光强变化曲线(a,a′)dMSP=1.00mm;(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.入射光在不同偏振态和空间位置下光强变化曲线如图7所示,其中(a),(a′)对应dMSP=1.00 mm,(b),(b′)对应dMSP=1.10 mm; 左图为平行分量强度变化,右图为垂直分量的强度变化.通过对比可知,当剪切量一定时,左右两图的强度变化是互补的,表明左右两幅干涉图像是正交的.当入射光偏振态确定,光强在空间中的分布呈周期性变化,但周期性变化的频率会随着剪切量的增大而变快,也就是说剪切量越大,条纹越密集.当入射光为θ=π/4线偏振光时,图8为不同剪切量下的正交干涉图像.干涉图像(a),(b),(c),(d)分别对应剪切量dMSP=1.00,1.10,1.20,1.30 mm.其中左右部分分别对应平行、垂直分量的干涉.由图可知,左右两干涉条纹在空间上是互补的.当dMSP=1.10 mm,入射光θ=0和θ=π/2条件下的模拟条纹如图9所示.当入射光θ=0,只有平行方向的偏振干涉图像而垂直方向出现消光.同理分析入射光θ=π/4,π/2方向的成像效果,与理论一致.图8 不同剪切量下的模拟正交偏振图像(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 lateraldisplacement:(a,a′)dMSP=1.00 mm;(b,b′)dMSP=1.10 mm;(c,c′)dMSP=1.20 mm;(d,d′)dMSP=1.30 mm.图9 入射光在不同偏振态下的模拟干涉图像(a),(b)θ=0;(c),(d)θ=π/2Fig.9.Reconstructed interferograms for the incident light in different polarization direction in dMSP=1.10mm:(a),(b)θ=0;(c),(d)θ=π/2.当入射光为θ=π/4的线偏振光时,实验获得的正交偏振图像(a),(b),(c),(d)对应剪切量dMSP=1.00,1.10,1.20,1.30 mm下的干涉图,干涉图(a),(b),(c),(d)分别包含了平行和垂直部分的偏振干涉图像,如图10所示.由图10知,剪切量dMSP增大,干涉条纹越细,光谱分辨率随着剪切量的增加而提高.进而说明此系统光谱分辨率可调,可以适用于不同的探测环境.不同剪切量的光强变化曲线如图11所示,图(a),(b)分别对应剪切量dMSP=1.20 mm,1.10 mm,左图和右图分别为I⊥和I∥的变化曲线.通过图11(a),(b)对比,可得出MSP剪切量越大,干涉条纹越密集.通过左右图像的对比,可看出两曲线有大致相同的变化周期和峰值,表明两光路光强近似相等且系统对两通道光程的改变相等,说明系统工作的可行性,与理论分析一致.图10 CCD获得的不同剪切量下的正交偏振图像 (a)dMSP=1.30mm;(b)dMSP=1.20 mm;(c)dMSP=1.10 mm;(d)dMSP=1.0mmFig.10.Orthogonal interferograms obtained by experiment for different dMSP:(a)dMSP=1.30 mm;(b)dMSP=1.20 mm;(c)dMSP=1.10mm;(d)dMSP=1.0 mm.图11 不同剪切量的光强变化曲线 (a)dMSP=1.20 mm;(b)dMSP=1.10 mmFig.11.Light intensity I changes curves for differentdMSP:(a)dMSP=1.20 mm;(b)dMSP=1.10 mm.图12 CCD获得的目标偏振图 (a)平行分量;(b)垂直分量;(c)总强度;(d)差分强度Fig.12.Polarization images obtained by CCD:(a)Parallel component image;(b)vertical component image;(c)total intensity image;(d)polarization-difference imaging.实验获得的目标偏振图如图12所示,其中(a),(b),(c),(d)分别对应平行分量强度图像、垂直分量强度图像、总强度图像、差分强度图像.由图12(a)和图12(b)知,尽管“程”字依稀可辨,由于背景光的影响,“程”字清晰度不是很高.总强度图像为平行图像和垂直分量之和,虽然“程”字强度加倍,但背景光强度亦加倍,所以“程”字清晰度依然不是很高,而差分偏振强度图像可以将部分背景影响去除掉,所以“程”字清晰度相对较高.由此可知,获得正交偏振分量的目标图像,可提高目标图像信息的获取能力.6 结论本文提出了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)组合的可调光程的差分偏振干涉成像光谱系统.通过分析偏振分束器件SP,WSP和MSP分束特性,给出了系统采用横向剪切型WSP替代角剪切型WP作为偏振分束器件的原因.通过模拟图像与实验图像的对比,验证了系统同时获取正交干涉图像的可行性.对比复色光下获得的正交偏振图像和偏振差分图像,得出差分图像相较于偏振具有高对比、高信噪比等结论.与单通道偏振系统相比,该系统增强了偏振图像的获取能力.与基于WP和SP组合的差分偏振干涉成像系统相比,该系统从光学结构上避免了光线溢出,具有结构紧凑、节约成本等优点,为偏振干涉成像光谱技术的性能优化提供了一种新思路,具有重要的理论指导意义和应用前景.参考文献[1]Meng X,Li J,Liu D,Zhu R H 2013 Opt.Lett.38 778[2]Meng X,Li J X,Xu T T,Liu D F,Zhu R H 2013 Opt.Express 21 32071[3]Zhang C M,Xiang L B,Zhao B C,Yuan X 2002 mun.23 21[4]Zhang C M,Yan X,Zhao B C 2008 mun.281 2050[5]Zhao B C,Yang J F,Chang L Y 2009 Acta Photon.Sin.38 497(in Chinese)[赵葆常,杨建峰,常凌颖2009光子学报38 497][6]Wu H Y 2011 Opt.Eng.50 066201[7]Xiang L B,Wang Z H,Liu X B 2009 Remote Sens.Technol.Appl.24 257(in Chinese)[相里斌,王忠厚,刘学斌2009遥感技术与应用24 257][8]Zeng N,Jiang X Y,Gao Q,He Y H,Ma H 2009 Appl.Opt.48 6734[9]Zhang C M,Li W Q,Yan T Y,Mu T K,Wei Y T 2016 Opt.Express.24 23314[10]Zhang C M,Zhao B C,Xiang L B 2004 Appl.Opt.43 6090[11]Quan N C,Zhang C M,Mu T K 2016 Acta Phys.Sin.65 080703(in Chinese)[权乃承,张淳民,穆廷魁 2016物理学报65 080703][12]Yu H,Zhang R,Li K W,Xue R,Wang Z B 2017 Acta Phys.Sin.66 054201(in Chinese)[于慧,张瑞,李克武,薛瑞,王志斌2017物理学报66 054201][13]Mu T K,Zhang C M,Ren W Q,Jia C L 2012 Opt.Lett.37 3507[14]Dai H S,Ren W W,Zhang C M,Mu T K,Gao H W C N 102297722A[2011-12-28][15]Mu T K,Zhang C M,Li Q W 2014 Acta Phys.Sin.63 110705(in Chinese)[穆廷魁,张淳民,李祺伟2014物理学报63 110705][16]Zhu Y C,Shi J H,Yang Y,Zeng G H 2015 Appl.Opt.54 1279[17]Arnaud B,Mehdi A,Francois G,DolfiD 2009 Appl.Opt.48 5764[18]Wang T,Niu M S,Bu M M,Han P G,Hao D Z,Ma L L,Song L K 2017 Acta Opt.Sin.37 107(in Chinese)[王田,牛明生,步苗苗,韩培高,郝殿中,马丽丽,宋连科2017光学学报37 107][19]Mu T K,Zhang C M,Zhao B C 2009 Appl.Opt.48 2333[20]Mu T K,Zhang C M,Zhao B C 2009 mun.282 1984。
偏振干涉成像技术在医学检测中的应用研究
偏振干涉成像技术在医学检测中的应用研究偏振干涉成像技术（Polarization Interferometry Imaging，PII）是一种新兴的医学检测技术，可以用于抑制相干伪影，提高检测灵敏度。
该技术采取了红外成像技术中的技术原理，通过控制光的偏振状态，将透过样本光的极化状态变化与样本的生物化学变化相联系，实现对组织和细胞结构的高分辨率成像。
本文将对PII 技术在医学检测中的应用展开探讨。
1. PII技术的基本原理PII技术利用成像光学的干涉原理，使用了线性偏振分束器对待测样品进行照射，通过利用样品中的光学介质对光线的旋转、吸收、散射和反射等现象观察光线在样品中的干涉情况，即透过光样品的干涉图像。
通过对这些干涉图像进行后处理，如相位检测、解缠和计算，可以获得高分辨率和均匀测量深度的组织和细胞结构图像，实现对样品生物化学变化的信息提取，从而为临床诊断提供定量化的数据。
2. PII技术在癌症诊断中的应用PII技术可以准确识别癌细胞，通过分析干涉图像，可以实现对癌细胞和健康细胞之间的差异进行检测。
例如，PII技术可以检测并量化乳腺癌细胞中的DNA含量，实现对癌细胞的快速诊断，从而更好地指导治疗方案。
此外，PII技术还可以应用于胃癌、肝癌、肾癌等多种癌症的诊断和治疗。
3. PII技术在神经科学中的应用PII技术也可以用于神经科学领域。
例如，PII技术可以实现对蛋白质聚集的检测与分析，从而为阿尔兹海默病等神经系统疾病的诊断和治疗提供新的思路。
此外，PII技术还可以检测神经元和脑片切片的连接方式，了解神经元之间的连接和相互作用，为神经元间的信息传递和适应性行为提供支持。
4.PII技术在生物医学工程中的应用PII技术还有生物医学工程方面的应用。
例如，PII技术可以应用于糖尿病和心血管疾病的检测和治疗。
针对糖尿病患者，PII技术可以检测血红蛋白中糖化程度的变化，从而量化病情。
针对心血管疾病，PII技术可以检测血管内皮细胞的积聚部位，了解血管中心腔和血管壁之间的结构关系。
一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪[发明专利]
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专利名称：一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪专利类型：发明专利
发明人：张淳民,穆廷魁,高宏文,任文艺,代海山申请号：CN201110260041.0
申请日：20110905
公开号：CN102297722A
公开日：
20111228
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种双通道差分偏振干涉成像光谱仪，包括准直透镜、渥拉斯顿棱镜、萨瓦尔偏光镜、线偏振器、成像透镜、面阵探测器、连接导线及计算机处理系统；其中目标发出的光经过该双通道差分偏振干涉成像光谱仪后，利用面阵探测器即可获得目标的平行分量和垂直分量的干涉图像；经连接导线输入计算机处理系统，分别对两幅干涉图进行傅里叶变换和图像融合处理，即可反演出目标的平行分量和垂直分量的光谱图像；两光谱图像之差即为目标的差分偏振光谱图像；两光谱图像之差与两光谱图像之和的比值即为目标的线偏振度光谱图像。
本发明具有结构简单紧凑、取样精确度高、稳定性好、无旋转部件、可获取目标的差分偏振光谱图像和线偏振度光谱图像的优点。
申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市咸宁西路28号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：田洲
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偏振干涉成像光谱仪中CCD的成像分析
偏振干涉成像光谱仪中CCD的成像分析
白鹏;李洁;姚香檀
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2010(000)013
【摘要】光谱仪采集目标像的干涉图最终需要通过CCD系统来成像,为了能得到更高的图像分辨率和成像质量,需要不断优化CCD成像系统,偏振干涉成像光谱仪CCD成像系统一般包含两个部分:一是通常所说的光学成像系统,另一部分是CCD 图像传感器采样记录系统.本文通过分析和描述CCD的采样过程,来讨论光谱在CCD成像过程中的频谱传输特性,并论述由于离散采样过程带来的频谱混迭对CCD 成像系统中成像质量的影响.
【总页数】2页(P452,458)
【作者】白鹏;李洁;姚香檀
【作者单位】西安工业大学数理系,陕西西安710032;西安工业大学数理系,陕西西安710032;西安工业大学数理系,陕西西安710032
【正文语种】中文
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Vol. 63, No. 11 (2014) 110704
差分偏振干涉成像光谱仪 I. 概念原理与操作∗
穆廷魁 † 张淳民 1)‡ 李祺伟 魏宇童 陈清颖 贾辰凌
710049) (西安交通大学理学院, 空间光学研究所, 物质非平衡合成与调控教育部重点实验室, 西安
2 原理方案
2.1 基本原理
PDIIS 的光学结构如图 1 所示: 前置 Wollaston 棱镜 (WP) 的主截面分别平行于 x 和 y 轴, 用于 分开入射光中的正交偏振分量. 改型 Savart 偏光镜 (SP) 的主截面与 x 轴分别成 ±45◦ 角, 用于产生干 涉所需的光程差. 后置线分析器 (LA) 的偏振方向 平行于 x 轴, 用于归化相干所需的透振方向. 面阵 CCD 探测器放置在成像透镜 L2 的后焦平面上, 用 于接收干涉强度图像. 由目标 S 发出的光场 (Ex , Ey ) 经物镜 L0 成像 于视场光阑 M 处. 中间像面经 L1 准直后通过 WP 后, 沿 y 轴方向被角剪切为两束正交线偏振光 E x 和 E y . 其中 E x 分量被 SP 横向剪切为两束振幅相 等的正交线偏振光, 经 LA 归化透振方向后被 L2 会聚到 CCD 上半部分, 产生平行分量的干涉图像 I∥ (∆, x, y ). 同样, E y 分量被 SP 横向剪切为两束振 幅相等的正交线偏振光, 经 LA 归化透振方向后被 L2 会聚到 CCD 下半部分, 产生垂直分量的干涉图 像 I⊥ (∆, x, y ). 两干涉图像对应像点光程差 ∆ 在平 行于 y 轴方向是相等的, 在平行于 x 轴方向随入射 角同步变化.
( 2014 年 1 月 3 日收到; 2014 年 2 月 20 日收到修改稿 )
本文介绍了一种基于 Wollaston 棱镜角剪切和 Savart 偏光镜横向剪切组合的静态、 紧凑型、 高通量差分偏 振干涉成像光谱技术. 其显著特点是无运动部件, 可同时获取目标正交偏振组分的干涉图和二维空间图像. 干涉图经傅里叶变换和图像融合算法可得到正交偏振组分的偏振光谱图像, 正交偏振光谱图像之和等效于传 统强度光谱图像, 正交偏振光谱图像之差称为差分偏振光谱图像. 高对比度的差分偏振光谱不仅能刻画目标 详细的表面形貌、 纹理和结构信息, 还可反演弹性散射粒子的尺度、 浓度和折射率等信息. 文中描述了差分偏 振干涉成像光谱仪的原理结构, 给出了干涉强度分布规律表达式, 分析了完整干涉图和二维空间图像的数据 获取模式. 利用杨氏干涉模型对光通过 Savart 偏光镜后形成干涉直条纹的近轴关系进行了深入分析. 利用光 场衍射理论确定了光谱仪中准直透镜和成像透镜实现紧凑化的结构关系. 计算机仿真模拟验证了方案的可行 性. 为偏振成像光谱仪的发展提供了一种新思路.
1 e iφ 0 e
iφ
E 0 x Ey 0 (2a)
0 0 e iφ e iφ
E x Ey 1 0 (2b)
由光场干涉公式 I = ⟨E † E ⟩, 可得平行和垂直组分
∗ 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 (新 教 师 类)(批 准 号: 20130201120047)、 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 (批 准 号: xjj2013044)、 国家自然科学基金 (批准号: 61275184)、 国家高技术研究发展计划 (批准号: 2012AA120211)、 陕西省自然科学基础研 究计划 (批准号: 2014JQ8362) 和西安交通大学新教师科研支持计划资助的课题. † 通讯作者. E-mail: tkmu@ ‡ 通讯作者. E-mail: zcm@
© 2014 中国物理学会 Chinese Physical Society 110704-1
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
Vol. 63, No. 11 (2014) 110704
率、 尺寸和浓度等标记信息. 此后多个生物医学实 验室效仿并发展了此类技术 [12−14] , 多采用旋转线 偏振器与各类光谱仪组合技术. 由于生物医学领域 多采用主动式探测技术, 对光源和目标有一定的可 操控性, 采用旋转的偏振器获取序列的正交偏振图 像对分析结果影响不是很明显. 但是, 对于被动探测的空间和地球遥感领域, 在正交偏振光谱图像的获取过程中, 就要设法降低 因目标变化或大气抖动等因素导致的图像变化, 避 免旋转元件引入的抖动噪声, 同时要考虑光谱仪 的二维成像能力. 2009 年, 法国查尔斯 -法布里实 验提出了一种主动式遥感差分偏振光谱成像仪 [15] , 接收端利用光栅成像光谱仪和旋转偏振器的组合, 获得多光谱的差分偏振图像. 为避免采用旋转起 偏器, 该实验室在其快照式差分偏振成像仪的基础 上 [16] , 将光栅成像光谱仪与偏振分束器相结合 [17] , 无需旋转元件即可在一个 CCD 相机上同时探测正 交偏振分量的光谱图像信息; 但是光栅成像光谱仪 的狭缝限制了光谱的信噪比, CCD 相机可探测光 谱通道数降低, 同时需要考虑 CCD 阵元的偏振选 择效应. 声光调谐滤光片 (AOTF) 是一种可同时获 取目标正交偏振光谱信息的静态遥感器件 [18] , 但 目前商业化 AOTF 的光谱范围和分辨率存在技术 瓶颈, 不同波段图像之间还会出现失配现象. 静态干涉型光谱成像技术以其宽光谱范围、 高 信噪比、 高灵敏度、 稳态化等优点, 已在国内外重 大工程项目上得到了应用 [19−26] . 诸如法国空间中 心的超高光谱分辨率卫星 [19] 、 美国海军研究局的 [20] 空间调制干涉成像光谱仪 、 美国 NASA 的数字 [21] 阵列扫描干涉成像光谱仪 、 美国 Livermore 国家 实验室的空间成像干涉仪样机 [22] 、 美国空军实验 [23] 室的傅里叶变换超光谱成像仪 、 意大利航天局 [24] 的地球遥感稳态成像干涉仪 、 中国嫦娥一号卫 [25] 星搭载的干涉成像光谱仪 、 中国环境与灾害监 测预报小卫星搭载的空间调制干涉高光谱成像仪 等 [26] . 但是, 上述静态干涉成像光谱仪只能获取二 维目标的传统强度光谱图像, 无法获得偏振信息. 本文作者多年来一直致力于静态干涉型偏振光谱 成像技术的研究和发展工作 [27−69] . 目前已成功研 制出实验室、 机载和星载三台偏振干涉成像光谱仪 原理样机, 不仅具有干涉成像光谱仪的稳态、 高信 噪比、 高灵敏度等性能优点, 还具有轻量、 紧凑、 小 型化、 直线光路等结构特点. 但此技术局限性在于 前置起偏器方向固定, 一个推扫周期只能获得一个
射平行和垂直分量的复振幅为 1 + e iφ 1 − 1 10 E∥ = 2 00 1 − e iφ 1 + Ex (1 + e i φ ) 0 = , 2 1 1 + e iφ 1 − 1 10 E⊥ = 2 00 1 − e iφ 1 + Ey (1 − e i φ ) 0 = . 2 1 的干涉图像分别为
成像光谱技术和偏振技术是光学遥感中两种 重要的技术手段 [1−3] , 分别通过感知空间、 强度、 光 谱和偏振等信息对目标属性进行深层次判断, 反演 目标的物理化学属性, 供高对比度的目标表面、 形 貌、 阴影和粗糙度等信息,参数反演出散射目标的尺寸、 折射率和浓度 分布等信息. 该技术具有非侵入式、 非破坏性、 快速 灵敏等特点, 在空间探测、 大气遥感、 地球遥感、 机 器视觉及生物医学等领域都具有及其重要的应用 价值和发展前景, 是当今国际上的前沿科学. 随着 科学与工程技术的发展, 现代遥感测量仪器趋于发 展多模式探测能力, 即在一台仪器上集成多种测量 功能, 对同一目标的多种信息进行同时探测, 从而
线偏振分量的光谱图像 [70] , 无法获得正交方向的 偏振分量. 若目标辐射正交偏振分量, 则易造成信 息丢失. 为进一步满足人们对空间探测和地球遥感的 需求, 逐步促进国家航空航天技术和军事民用遥感 成像技术的发展, 迫切需要在已有静态干涉成像光 谱技术的研究基础上, 对偏振光谱成像技术进行深 入研究、 改革和创新. 为此, 作者提出了一种稳态、 轻量、 紧凑型的差分偏振干涉成像光谱仪 (PDIIS), 它无需运动或电调谐部件即可同时获取正交偏振 分量对应的高光谱图像 [71] . 作者曾自行研制实验 装置进行仿真遥感探测实验, 取得了一系列清晰的 干涉图像和复原偏振光谱图像, 其可行性得到了实 验验证. 本文将深入剖析差分偏振干涉成像光谱仪 的概念、 原理与操作, 并对干涉和成像特性进行分 析, 提出光学技术指标, 进行模拟分析. 同时, 开展 关键光学元器件的设计工作 [72] . 从理论创新和技 术创新方面等促进我国偏振光谱成像遥感技术的 发展.
图1
(a) 差分偏振干涉成像光谱仪 (PDIIS) 光学结构; (b) 光经过各元件时振幅分布情况 (其中 L0 , L1 , L2 为透镜、 M
为视场光阑、 WP 为 Wollaston 棱镜 (其内两个箭头分别代表两个劈形的光轴方向)、 SP 为改型 Savart 偏棱镜 (其内两个 箭头分别代表两个平板的光轴方向)、 LA 为线偏振器 (其内箭头代表光的主透振方向)、 CCD 为面阵探测器)
110704-2
物 理 学 报 Acta Phys. Sin.
L0 M L1 WP
Vol. 63, No. 11 (2014) 110704
SP LA L2 CCD y x z
(a) Ex Ex⊳
Ex⊳
Ex⊳
Ex⊳
WP Ey x
SP Ey ⊳ Ey⊳ ֓Ey⊳
LA
Ey ⊳ (b)
关键词: 成像光谱仪, 干涉, 偏振, 双折射元件 PACS: 07.60.Rd, 07.60.Fs, 42.25.Hz, 42.25.Ja DOI: 10.7498/aps.63.110704
全方面评估目标属性, 为人们正确认知物质世界提