成像光谱偏振仪研究进展

类 ［ 、医学 应 用 ｌ 和 ｝标 探测 的实 验 。 ４ １ 】 ｊ ２ ２ 国外 研 究进 展 ．
美 国重 飞 行器 研 究 公 ｌ ９ 提 出 将偏 振一 ９９年 光谱 强 度 调 制技 术 （ｏａｉ ｔｏｓｅｔ ｌｎｅｓ ｙｍｏ ｕ ｔ ｎ ＳＭ） ｐ ｌ ｍｅｒ －ｐｃｒ ｔｎｉ ｄ ｌ ｉ ，Ｐ Ｉ 与 ｒ ｉ ａｉ ｔ ａｏ
（ ｏ ｕ ｅ ｏ ｒ ｐ ｉ ｇ ｎ ｈ ｎ ｅｅ ｐ ｃ ｒ ｐ ｌ ｒ ｔ ｒ ｃ ｍｐ ｔ ｒｔ ｍｇ ａ ｈｃ ｉ ｍａ ｉｇ ｃ ａ ｎ ｌｄ ｓ ｅ ｔｏ ｏ ａ ｉ ｅ ， ｍｅ
２ 国内外研究进展
２ １ 国 内研 究进 展 。
Ｃ ＩＳ ） Ｔ Ｃ Ｐ ，在一次曝光的图像 中复原 出全 Ｓｏ ｅ 光谱偏振图 ｔｋ ｓ 像超立方体 ，Ｈ前 已经 进行 ｒ可见 光Ｌ 划 （ ２ ～７ ０ｒ 、 ３ ４ ０ ０ ｍ） ｉ 短波红外Ｌ （． ５ １９ ｍ） 长波红பைடு நூலகம்外波 段【 １（ ～１ １２～ ．９ 和 ］８ ２
振探 测功能集成到一个成像仪中则可以得到一类新 的光 电传
感器 ，即 成 像 光 谱 偏 振 仪 （ｍａ ｉ ｐ ｃｒｐｌｒ ｔｒ ｊ ｉ ｇｎ ｓｅｔ ｏａｉ ｅ ， ｇ ｏ ｍｅ
ＩＰ 。ＩＰ能够 同时获得 目标 的空间信息 、空 间各点 的光谱 Ｓ） Ｓ
信息 以及每个谱段 的偏振信息 ， 空间信息 、光谱信 息和偏 将 振信息融于一体 ， 可增加光学探测的信息量 ，提 高对 目标 的 探 测 和 识 别 能 力 ， 工 业 、农 业 、地 球 环 境［ 、生 物 在 。 医学［ １ 、 １ ４ 大气Ｄｑ］ ２］ ｓ９、天文［－］ ｚ ｚ等领 域 具有 重 要 的应 用 价 ｏ ｚ
作 者 简 介 ： 新 全 ，１８ 王 ９ ２年 生 ，中国 科学 院西 安 光 学 精 密机 械 研 究 所 光 谱 成像 技 术 实 验 室 助 理 研 究员 ｅｍｅｌ ｗａ ｇ ｉｑ ａ ＠ ｏ ｔａ．ｎ － ａ： ｎ ｘｎ ｕ ｎ ｐ． ｃｃ
第７ 期
光 谱 学 与 光 谱分 析
的全 Ｓ ｏ ｅ Ｉ Ｐ 。 ｔｋ ｓ ｓ
成 像 光 谱 偏 振 仪 研 究 进 展
王新全 ，相 里斌 黄 是 。 ， ，胡 亮 ，周锦松 ，景娟娟 。
１ ．中国科学院光谱成像技术重点实验室 ，中国科 学院西安光学精密机械研究所 ，陕西 西安
２ ．中 国科 学 院 光 电研 究 院 ， 京 １０ ９ 北 ００４
７０ １ １ １９
中图 分 类 号 ： ＴＨ７ ４ １ ４ ．
析成像光谱仪 ¨ ＿ ｃｍｐ ｔｒｔｍｏ ｒｐ ｙｉ ｇ ｇｓｅｔ ｍ— ３ （ｏ ｕｅ ｏ ｇ ａｈ ５ ｍａｉ ｐｃｒ ｎ ｏ
引 言
成 像 光谱 仪ｕ ｉ ｇｎ ｐｃｒｍｅｅ，Ｉ） 成 像 偏 振 （ ｍａ ｉｇｓ ｅｔ ｏ ｔｒ Ｓ 和 仪 （ｍａｉｇｐ ｌｒ ｔｒ Ｐ 是 近些年 来发 展起来 的集 光 ｉ ｇｎ ｏａｉ ｅ，Ｉ ） ｍｅ 学 、电子 、精密机械 、计算机 、 号处理技术 于一体 的两 类 信 光电传感器 。 成像光谱仪能够获得 目标的二维 图像信 息和图 像中各点 的光谱信息 。 成像偏振仪能够获得 目标 的二 维图像 信息和图像 中各点 的偏振信息 。 Ｉ 将 Ｓ光谱 探测功能 和 Ｉ Ｐ偏
５ 表示 水平偏振光强 度与垂直偏 振光强度 之差 、Ｓ ｚ表示 ４ 。 ５ 偏 振光强度 与 １５偏振光强度 之差 、 表示右旋圆偏振光 与 ３。
左 旋 圆偏 振 光强 度 之 差 。ＩＰ采 集 的 数 据 可 以用 一个 四维 立 Ｓ
ＩＰ作 为一种新型光 电传 感器 ，以其特殊 的功能 引起 了 Ｓ
收 稿 日期 ： ０ ００ 一１ 修 订 日期 ： ０ ００ —０ ２ １—５ｌ 。 ２ １ —８１
ＩＰ一般都能够获得图像 中各 点 的光谱 ， 是光谱 的偏 Ｓ 但
振态根据需要可以获得全部 的 Ｓｏ ｅ ｔｋｓ分量或 Ｓｏ ｅ 分量 的 ｔｋ ｓ
基金项 目：国家 自然科学基金项 目（０ ０ ０ ３ ￣ １ ４８５１）１ １ Ｎ家重点基础研究发展计 划项 目（０ ９ Ｂ ２ ０５ 资助 ２ ０ Ｃ ７４ ０ ）
１６ ９９
一
部 分 ， 多 数情 况 下 。不 能 够 获 得 光 谱 的 圆 偏 振 态 ，因此 大 只能 够 获得 Ｓｏ ｅ 向 量 的前 个 分 肇 。 ｔｋ ｓ 三
０ ，）
日本国家 宇航 实验室 “２２ 从 １ ９ ，，ｊ ９ ７年 开始 研制 基 于 ３４ Ｌ ＴＦ的 ＩＰ 测 量陆地和 海洋表面 反射 的太 阳光 的光学 特 Ｃ Ｓ。
ｅｅ ， ＴＩ ） 空 间 调 制 干 涉 型 成 像 光 谱 仪ｌ ４ （ｐ ｔ ｌ ｔｒ Ｃ Ｓ 和 ４ ｓａｉ ｌ ８ ｌ ａｙ
ｍｏ ｕａ ｅ ｏ ｒｅ ｒ ｎ ｆ ｒ ｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔ ｏ ｔ ｒ ＭＦＴＩ ） ｄ ｌ ｔｄ ｆ ｕ ｉｒｔ ａ ｓ ｏ ｍ ｇ ｎ ｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ，Ｓ ｍ Ｓ
“ 以及 双 波 段 ｆ】４０ ５０和 ６ ０ ０ ｍ） ＴＩＳ ｍ） （０ ￣ ０ 。 ０ ￣７ ０ｎ Ｃ Ｃ Ｐ的 原
国内从 ２ ０世纪 ８ Ｏ年 代 开 始 研 究 成 像 光 谱 仪 ，２ ０世 纪
９ 年代初期Ｊ 始研 究成 像偏振 仪。将 成像光 谱仪 与成像偏 ｏ Ｆ
振 仪 相 结合 的 ＩＰ研 究还 少 有 报 道 。西 北 工 业 大 学 自动 化学 Ｓ
等的光路 中添加偏振器件构成 的 ＩＰ Ｓ 。下 面将在介 绍成像光
谱 偏 振 技 术 概 念 的基 础 上 ，对上 述 ＩＰ 的 国 内 外 研 究 进 展 进 Ｓ 行 概 述 ， 对 典 型 ＩＰ的原 理 进 行 阐述 。 并 Ｓ
１ 成像 光谱偏振技术
成像光谱偏 振技术是成像光谱技术 与成像偏振技术的结 合， 它集合 了照相机 、光谱仪 和偏振仪 的功能 ，能够 同时获
性 。 １９ 年完成 了可 见光 （ ０ ～７０ ｒ 原 型光学 传感 于 ９９ ４ ０ ２ ｍ） ｉ
器 ，于 ２ ０ 年完成 ＩＰ样机并 进行 了实验室实 验。于 ２ ０ ０１ Ｓ ０３
年 完 成 ｌ近红 ＃ （５ － １１ ０ｎ ＩＰ的研 制 。该 实验 室采 用 『 ｂ ６０ ０ ｍ）Ｓ
Ｃ Ｓ 。 ＴＩ Ｐ）
院将 Ｌ ＴＦ与町见光相机结合研制 了 ＩＰ ，利用 ＿ Ｌ Ｔ Ｃ ｓ［ ｒ Ｃ Ｆ 的光谱可调谐和本身是线偏振器件 的特性 ， 通过旋转 Ｌ Ｆ （ 的方式获得不闻方 向的线偏振 图像 ， 通过对这些偏 振图像序 列的处理 ， 获得 Ｈ标 的特征信息 ，利用该 ＩＰ进行 了材 料分 Ｓ
Ｆｉ．１ Ｄａａ ｙ ｒ ｕ ｅ ｃ ｂ ｑｕｒ ｄ ｂ ｇ ｔ ｈ ｐｅ ｃ ｂ ｕ ｅａｃ ｉｅ ｙ ａ ｍａ ｎｇｓ ｅ ｒ ｐ ａ ｉ ｔ ｒ ｎ ｉ ｇｉ ｐ ｃｔｏ ｏｌｒｍｅ ｅ
进 ，引入通道型光谱偏振技术［ （ｈｎ ｅ ｄｓｅｔ ｐ ｌ ｉ — ］ｃａ ｎｌ ｐｃｒ ｏａ ｍｅ ｅ ｏ ｒ ｔｙ Ｃ Ｐ ，研 制 出 快照 式 层 析 成像 通 道 型 光谱 偏 振 仪［ ｒ， Ｓ ） ３
ｌ ， ）
研制的 ＩＰ进行 ｒ农业环境观测 、地球环境 观测 、水体污染 Ｓ
监测 等 试 验 。意大 利 也 于 １９ 年 开 始 ， ９９ 利用 在 相 机 镜 头 前 安 装 Ｌ ＴＦ和薄膜偏振 片的方式设计 了 Ｉ１ ， Ｃ Ｓ ｓ 在设计 中尽
２ ， ）
可能多地选用 了现货商品 ， 降低 厂 成本 。 美国亚利桑那大学光科学 巾心 与美国陆军工程研发中心 合作 ， １９ 于 ９９年在 Ｃ Ｓ的基础 卜 ＴＩ 通过在物镜前方添加偏振
国 内外 广 泛 关 注 。 近 些 年 ，随着 一些 新 型 色 散 器 件 和偏 振 在 器件 的 出现 ，出 现 了基 于 声 光 可 调 谐 滤 光 片 ｌ ３１（ｃｕ ｔ－ １ －］ ａｏ ｓ ２３ ｏ ｏ ｔ ｕａ ｌ ｆｔｒ ＡＯ Ｆ 、 晶 可 调谐 滤光 片ｌ 。］１ — ｐｉｔｎ ｂｅ ｉｅ， Ｔ ） 液 ｃ ｌ ４ 。 （ｉ ｑ ｕｄｃｙｔｌｕ ａ ｌ ｆｔｒ Ｃ Ｆ 、偏 振 光 栅 （ｏａｉ ｔ ｎ ｉ ｒｓ ｎ ｂｅ ｉｅ，Ｌ Ｔ ） ａｔ ｌ ｐ ｌｒ ａｉ ｚ ｏ
方体来解释【 ， （ ｙ ） 式 中 （ ， 为二 维空 间坐标变 ３ ｆ ｘ， ，， ， ］ ｚ ）
量， Ａ为 波 长 ， 为 Ｓｏ ｅ 向 量 角 标 序 号 。可 把 这 个 四 维体 积 ｔｋｓ 叫 做 光 谱偏 振 数据 超 立方 体 ，如 图 １ 示 。 所
ｇａｉｇ Ｐ ） ｒｔ ， Ｇ 等器件 的 ＩＰ 还出现了在通过在色散型成像光 ｎ Ｓ， 谱仪［ ］ ｄｓｅｓ ｇｔｐ ｇｎ ｐ ｃｒｍｅｅ，Ｄ Ｓ ） １ ７（ｉ ｒｉ －ｙｅｉ ｉｇｓｅｔ ｔｒ Ｔ Ｐ 、层 ５ １ ｐ ｎ ｍａ ｏ
光谱仪 的光路 中添加偏振器件构成 的成像光谱偏振仪 的原理 进行 了阐述 ，并对成像 光谱偏振 仪的发展趋 势
进 行 了展 望 。
关键词
成像光谱偏振仪 ； 成像光谱仪 ； 成像偏振仪
文献 标 识 码 ：Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ ～５ ３ ２ １ ）７１６—７ Ｏ ：ｉ． ９ ４ｊｉ ． Ｏ００ ９ （０ １０ —９８０ ｓ
理研究 、 试验装置设计和实 验。同时该中心还 在 Ｃ Ｉ Ｔ Ｓ的基
础 上 ， 用 四象 限偏 振 分 析 仪 和 四 棱锥 棱 镜 实现 孔 径 分割 和 采 四个 光 瞳 的 偏 振 分 析 ，研 制 了非 扫描 层 析 ＩＰ ｎ ｎｓａ — Ｓｃ 副（ｏ －ｃｎ
ｎ ｎ ｏ ｕ ｅ ｏ ｇ ａ ｈ ｍａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔｏ ｏ ａ ｉ ｔｙ，ＮＳ ｉ ｇ ｃ ｍｐ ｔ ｒ ｔ ｍｏ ｒ ｐ ｙ ｉ ｇ ｎ ｐ ｃ ｒ ｐ ｌ ｒ ｍｅ ｒ ｙ
值。
得 目标 的二维图像信息和图像 中每一点 的光谱信息 ，以及每
一
点各单谱段的偏振态信 息。
光 的偏 振 态 有 多 种 表 述 方 式 ，为 了 方 便 ，可 以 采 用
Ｓｏ ｅ ｔｋｓ向量 表 述 方 式 ＿ 。 ｔｋ ｓ 量 能 够 完 全 描 述 光 的 偏 振 ３ Ｓｏ ｅ 向 ］ 态 ，其 表述 方式 为 ｓｓ， ， ， ， 中 Ｓ 表 示 光 的 总 强 度 、 （。 Ｓ ５ ５） 其 ｚ ｏ
第３卷 ， ７ ｌ 第 期 ２０ １１年 ７月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ． １ Ｎｏ ７ ｐ １ ６ — ９ ４ １３ ， ． ， ｐ ９ ８ １ ７
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
Ｊ ｌ ，２ １ ｕｙ ０ １
片转 轮 的 方式 设计 了层 析 ＩＰ ¨ｃｍｐ ｔｒ ｏ ｇａ ｈ — Ｓ Ｌ （ｏ ｕｅ ｍｏ ｒｐ Ｙｉ ３ ６ ｔ ｍａ ｇｎ ｐ ｃ ｏ ｏ ｒ ｔ ， ＴＩＰ 。 后 又对 Ｃ ＩＰ进 行 了 改 ｉ ｓｅｔ ｐ ｌ ｉ ｒ Ｃ Ｓ ） 随 ｇ ｒ ａ ｍｅ ｙ ＴＳ
ｓ ３ ，）
３ ．中国科学院研究生 院，北京
１０ ４ ００９
摘
要
成像光谱偏振仪是一类 同时具有成像 、光谱测 量和偏振测 量功能 的新型光 电传 感器 。介绍 了成像
光谱偏振仪 的原理 ， 对近些年来国内外成像光谱偏振仪 的研究进展进行 了总结 ， 对基 于声 光可调谐滤光片 、 液晶可调谐滤光片等新器件的成像光谱偏振仪和通过在狭缝 色散型 、空间调制傅里 叶变换 型和层析 型成 像