引用本文
亓晨, 于涛, 张周锋, 钟菁菁, 刘宇阳, 王雪霁, 胡炳樑. 基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(7): 2082-2089.
QI Chen, YU Tao, ZHANG Zhou-feng, ZHONG Jing-jing, LIU Yu-yang, WANG Xue-ji, HU Bing-liang. Design and Research of a Compact Polarization Spectral Imaging Method Based on Double Gaussian[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(7): 2082-2089.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)07-2082-08  
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基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究
亓晨, 于涛*, 张周锋, 钟菁菁, 刘宇阳, 王雪霁, 胡炳樑
中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710100
*通讯作者 e-mail: yutao@opt.ac.cn

作者简介: 亓 晨, 1996年生,陕西师范大学物理与信息技术学院研究生,陕西师范大学与西安光学精密机械研究所联合培养研究生 e-mail: qichendyx@163.com

收稿日期: 2022-02-18 修回日期: 2022-06-15
基金: 美丽中国:“水环境水生态一体化多要素监测技术与应用”项目(XDA23040101),陕西省重点研发计划项目(2019SF-254)资助
摘要

对目标进行更多属性信息的获取, 是光学传感器不断追求的目标。 偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、 实现“目标凸显”、 “动态调节”、 “耀斑抑制”的能力, 蕴藏非常重要的应用潜力。 目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点, 如结构复杂、 体积大、 通道串扰、 多维信息提取繁琐等问题。 针对上述问题, 提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。 涉及关键技术有: 基于高光谱分辨率需求与短焦距约束, 采用双高斯结构作为初始光学结构, 并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现; 采用LVF作为分光元件, 进行参数设计与验证, 与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合, 实现光谱信息与偏振信息同步获取。 基于上述技术路线进行了样机集成, 在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试, 最终指标为: 工作波段: 430~880 nm, 空间分辨率: 0.22 mrad, 光谱分辨率为: 10 nm, 四偏振态同步获取, 系统传递函数: 0.547, 偏振探测精度: 89.4%, 光机系统总尺寸: 45 mm×45 mm×80 mm。 在室外进行推扫实验, 成像效果良好, 中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化; 对全局图像进行多维信息提取与融合, 不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异, 满足预期设计目标。 该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点, 为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

关键词: 偏振成像光谱系统; 像素偏振调制; 线性渐变滤光; 系统耦合
中图分类号:O439 文献标志码:A
Design and Research of a Compact Polarization Spectral Imaging Method Based on Double Gaussian
QI Chen, YU Tao*, ZHANG Zhou-feng, ZHONG Jing-jing, LIU Yu-yang, WANG Xue-ji, HU Bing-liang
Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710100, China
*Corresponding author
Abstract

Obtaining more attribute information about the target is the goal the optical sensor constantly pursues. Polarization spectral imaging technology, which combines polarization attribute detection and traditional spectral imaging technology, can distinguish “different objects with the same spectrum”, and achieve “target highlighting”and “dynamic adjustment”. The shortcomings of the current polarization spectral imaging system include complex structure, large volume, channel crosstalk, and cumbersome multi-dimensional information extraction. In this paper, a compact polarization spectral imaging method based on Linear Variable Filter (LVF) and pixelated polarization modulation is proposed to solve the above problems. The work includes: under the constraints of high spectral resolution and short focal length, the double Gaussian structure is used as the initial optical structure, and the simulation and implementation of the optical system are carried out at the same time; The polarization modulation detector is coupled on the image plane to achieve simultaneous acquisition of spectral information and polarization information. In the laboratory darkroom, the optical index test of the system prototype developed based on the above technical route is carried out. The final index is as follows: working band: 430~880 nm, spatial resolution: 0.22 mrad, spectral resolution: 10 nm, synchronous acquisition of four polarization states, System transfer function: 0.547, polarization detection accuracy: 89.4%, total size of optomechanical system: 45 mm×45 mm×80 mm. Experiments were carried out outdoors, and the conclusion was that the monochromatic images of different polarization states of the central wavelength have obvious intensity changes; the multi-dimensional information extraction and fusion of the global image show that the characteristic spectral curves of different objects have obvious spectral differences. This method breaks through the shortcomings of the traditional polarization spectral imaging technology route and provides a new and important application method for the multi-dimensional information acquisition of polarization spectral imaging.

Keyword: Polarization imaging spectroscopy system; Pixel polarization modulation; Linear Variable Filter; System coupling
引言

偏振光谱成像技术自20世纪80年代起, 因具有抗干扰能力与识别能力被广泛应用于大气、 海洋、 农业、 医疗等诸多领域。 随着该项技术的发展, 系统的设计逐渐趋于小型化、 便携式, 因此多维信息的精确获取与轻小型实现结合在相关领域有重要意义。 传统的偏振光谱成像系统多采用色散分光或干涉调制作为光谱信息获取模块。 色散分光原理相对简单, 干涉方法相对复杂, 当其与偏振探测耦合实现Stokes多参量同步获取时, 提升了偏振系统的复杂性, 也提高了系统装调与校准难度, 同时在多维信息的重构难度方面大幅提升。

针对传统方法的缺点, 提出了一种基于双高斯结构的紧凑型偏振光谱成像方法, 采用线性渐变滤光片(linear variable filter, LVF)和像素偏振调制结合的探测技术路线, 完成了实验样机的研制, 实现了多维数据的有效获取, 突破了现有技术手段缺点, 具有结构紧凑, 重构简单, 多维信息同步获取的优点。

1 系统基本原理
1.1 设计参数输入

基于应用场景需求, 提出了相关设计输入, 主要需求指标如表1所示。

表1 系统技术指标 Table 1 Parameters of system
1.2 总体技术路线

提出了一种基于线性渐变滤光片和像素偏振调制的紧凑型偏振光谱成像探测方法。 图1(a)为基于LVF和像素偏振调制的紧凑型偏振光谱成像探测系统一体化设计方案。

图1 系统总体设计方案(a)与偏振探测单元结构示意图(b)Fig.1 The overall design of the system (a) and the schematic diagram of the polarization detection unit structure (b)

前置望远单元实现无穷远处目标的光束收集, 并进行光束压缩与成像, 线性渐变滤光片与像素偏振调制在功能上替代了复杂的分光系统, 系统大幅简化。

偏振探测元件是一种在探测器表面实现像素级偏振调制的探测单元, 其结构如图2所示。 微偏振片阵列中每4个(2×2)相邻的单像素组合后可看作一个超级像元, 每个超级像元一次曝光获得目标四个偏振态信息, 分别为0°, 45°, 90°和135°。 系统采用的偏振探测器参数如表2所示。

图2 前置望远成像光学系统结构Fig.2 Diagram of fore-optics for telescope

表2 探测器单元技术参数 Table 2 Technical parameters of the detector unit
2 前置望远成像光学系统设计
2.1 前置望远成像光学系统设计方案

前置望远成像光学系统采用透射式结构, 采用像方远心设计, 消除畸变、 解决像面照度均匀性等问题, 以双高斯系统作为初始光学结构, 其对称结构降低系统整体像差, 并能够保留足够的装调空间。

2.2 参数设计

根据系统要求, 角分辨率不大于0.3 mrad, 依据瑞利判据, 两个像点恰好能分辨时, 对应的角分辨率为α=1.22λD, 将系统要求的最大角分辨率与光学系统的角分辨率相匹配。 系统特征波长取入射光波段的中心波长, 即λ=665 nm, 得到D=8.113 mm。 考虑到实际镜头装配会出现一定程度的视场遮拦, 依据工程经验将实际口径增加至D=10 mm。 本系统要求艾里斑恰好覆盖一个超级像元, 则艾里斑半径恰好为1个探测像元, 即: p=ra=1.22λF/#, 其中, p为像元大小。 得到系统的F/#=4.25。 已知入瞳直径D入瞳=10 mm, 则根据F/#与入瞳直径的关系式可得, 系统的像方焦距为42.5 mm。 本系统使用的CMOS探测器像元为3.45 μm, 像素为2 448×2 048。 系统的物方视场角公式通过得出FOV=2arctanL2f, 其中, L为探测器的对角线长度。 求得系统物方视场角为24.84°。 系统实际的角分辨率小于0.22 mrad, 符合系统要求。 表3为前置光学成像系统的系统参数。

表3 前置光学成像系统参数 Table 3 Parameters of the front optical imaging system
2.3 设计结果及评价

根据系统整体参数要求对光学系统进行参数设计, 设计结果如图2所示。

前置望远成像光学系统性能如图3所示。 根据图3可以看出实际弥散斑落在艾里斑内, 成像分辨率满足系统要求; 根据像素尺寸得到空间截止频率为72 pl·mm-1, MTF在该截止频率处大于0.5, 满足成像质量要求。

图3 前置望远成像光学系统点列图与MTFFig.3 Point diagram of fore-optics for telescope

3 LVF分光元件参数设计

LVF是以Bragg反射镜为基本结构的特殊的F-P滤光片, 将F-P滤光片的性能公式进行空间调制处理即可获得LVF滤光片的性能公式。

Bragg反射镜由N组高度折射率相互交替的膜层构成, 其反射率为r=n0nL2N-nSnH2Nn0nL2N+nSnH2N, 带宽公式为Δλ=4λ0πarcsinnH-nLnH+nL。 折射率之间关系为nS>nH>nL>n0。 F-P滤光片的透过率公式为II0=11+Fsin22πdcosθλ, 其中θ 为入射光进入谐振腔的折射角; 自由光谱范围为FRS=λ2λ+2ndcosθ, FRS数值上等于构成该F-P滤光片的Bragg反射镜带宽的一半。 根据公式f=π2arcsin1F可计算F-P滤光片的精细度。 谐振层厚度d的变化引起LVF的自由光谱范围的变化; 由d=mλ, 实现峰值透过率的空间调制, 即λ(x)=λ0+kd(x-x0), 其中, λ0表示x0处的中心波长, kd为等效线色散率。 根据系统要求确定LVF参数如表4所示。

图4 LVF及其底层结构示意图
(a): Bragg反射镜结构; (b): F-P滤光片结构Fig.4 Schematic diagram of LVF and its underlying structure
(a): Bragg mirror structure; (b): F-P filter structure

表4 LVF参数 Table 4 LVF parameters
4 样机设计与实现
4.1 系统样机搭建

LVF与偏振探测器耦合结构示意图如图5(a)所示。 去除偏振探测器自带的玻璃窗口, 增加在光学玻璃表面精密刻画的线性渐变滤光片, 将原胶垫厚度降低2.5 mm, 通过滤光片座集成在探测器表面上, 并精密对齐偏振超级像元, 实现分光与偏振单元的精细集成。 前置望远物镜与LVF分光偏振耦合探测系统通过C口螺纹连接, 搭建出验证系统样机。 转台电机和探测器分别与PC相连。 根据公式v=180π×NPift求得转台转速为0.47°·s-1。 其中, N为单波段所压像元个数, Pi为像元大小, f为系统像方焦距, t为系统曝光时间。 样机系统如图5(c)所示。

图5 基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像系统样机系统结构图
(a): 偏振耦合系统结构示意图; (b): 偏振耦合系统实物图; (c): 系统样机实物图Fig.5 Prototype system structure diagram of a compact polarized spectral imaging system based on double Gaussian
(a): Schematic diagram of the structure of the polarization coupling system; (b): Physical diagram of the polarization coupling system; (c): Physical diagram of the system prototype

4.2 样机测试与验证

实验室光谱定标系统如图6所示。 实验在暗室进行。 采用Mcpherson 2035单色仪输出稳定的单色光, 平行入射至待测偏振光谱成像模块, 不同波长的入射光通过待测模块后聚焦在探测器感光面面不同位置上。 设置光谱从430 nm以10 nm间隔逼近至880 nm, 记录不同波长对应的探测靶面位置。 实验数据如图7(b)与表5所示, 根据实验结果可知, 工作波段为430~880 nm, 实际光谱通道数为62, 自由光谱范围内平均光谱分辨率为7.3 nm。

图6 样机定标实验Fig.6 Prototype calibration experiment

图7 光谱定标结果
(a): 450 nm; (b): 665 nm; (c): 860 nmFig.7 Spectral calibration results
(a): 450 nm spectral line; (b): 665 nm spectral line; (c): 860 nm spectral line

表5 实验数据 Table 5 Experimental data

图8展示了系统偏振方向精度验证的实验原理。 在偏振光谱仪前端安装旋转偏振片, 将单色仪的出射光口对准偏振光谱仪的光瞳。 依次将旋转偏振片旋转至0°, 45°, 90°与135°, 记录实际偏振态与测量数据, 可得偏振探测精度为89.4%, 高于系统指标要求的85%。

图8 偏振方向精度验证试验
(a): 偏振方向精度验证原理图; (b): 0°偏振态; (c): 45°偏振态; (d): 90°偏振态; (e): 135°偏振态Fig.8 Polarization accuracy verification test
(a) Schematic diagram of polarization accuracy verification; (b): 0°polarization state; (c): 45°polarization state; (d): 90°polarization state; (e): 135°polarization state

偏振强度测量精度过程如图9所示。 打开积分球, 先用偏振光谱装置获取光源DN值, 记为Ii(i=1, 2, 3, 4, 分别对应探测器不同偏振态0°, 45°, 90°, 135°对应的光强); 随后以图5(b)所示作为对照组, 用ASD获取积分球光源透过系统的DN值, 记为I0。 根据Δi=I0-Ii(i=1, 2, 3, 4)获得调制参量。 随后将旋转偏振滤光片与偏振光谱仪样机相连, 记录此时不同偏振态对应的实际光强I'i(i=1, 2, 3, 4); 利用对照组(d)所示原理, 通过ASD获取像面处光强I'0。 根据Δi与I'0, 可以计算得到不同偏振态下的理论光强值: I″i=I'0-Δi(i=1, 2, 3, 4), 理论光强值I″i与实际光强值I'i之间存在误差Δ'i, 则偏振强度探测精度通过公式δ=Δ'iΔi即可得出。

图9 偏振强度测试原理图
(a): 偏振光强测量示意图; (b): ASD测量参比图; (c): 起偏后系统偏振光强测量示意图; (d): 起偏后ASD测量参比图Fig.9 Schematic diagram of polarization intensity test
(a): Schematic diagram of polarized light intensity measurement; (b): ASD measurement reference diagram; (c): Schematic diagram of polarized light intensity measurement of the system after polarization; (d): ASD measurement reference diagram after polarization

将本方法采集的数据进行分析拟合, 得到偏振强度拟合图如图10所示。 图中横坐标代表样机探测得到的归一化光谱; 纵坐标为ASD测得的归一化光谱。 图中直线为样机没有偏振调制时与ASD测得的归一化光谱; 曲线是样机在偏振调制下测得的数据; 偏振态取0°、 45°、 90°和135°, 测得的归一化光谱分别示于图10(a)、 (b)、 (c)和(d), 不同偏振态下的偏振强度探测精度, 均大于85%。

图10 偏振强度精度验证
(a): 0°偏振态拟合曲线; (b): 45°偏振态拟合曲线; (c): 90°偏振态拟合曲线; (d): 135°偏振态拟合曲线Fig.10 Polarization intensity accuracy verification
(a): 0°polarization state fitting curve; (b): 45°polarization state fitting curve; (c): 90°polarization state fitting curve; (d): 135°polarization state fitting curve

4.3 样机实验

对样机系统进行实验验证。 实验地点位于西安光学精密机械研究所二号楼天台, 中午12点进行实验, 天气晴朗, 无风, 太阳高度角约为30°。 目标选取直线距离2 km的建筑群及周边绿化带。 试验平台及实验环境如图11所示。

图11 实验系统组成
(a): 试验样机系统; (b): 带转台的试验样机平台Fig.11 Experimental system composition
+(a): Test prototype system; (b): Test prototype platform with turntable

图12展示了以中心波长665 nm为例的四个偏振态对应的单色图, 在不同偏振态下, 同一波段图像有较明显强度变化, 且成像质量良好。

图12 665 nm不同偏振态图像
(a): 135°偏振下665 nm波段成像; (b): 90°偏振下665 nm波段成像; (c): 45°偏振下665 nm波段成像; (d): 0°偏振下665 nm波段成像Fig.12 Different polarization state images at 665 nm
(a): 665 nm band imaging under 135°polarization; (b): 665 nm band imaging under 90°polarization; (c): 665 nm band imaging under 45°polarization; (d): 665 nm band imaging under 0°polarization

对场景中不同地物目标按照不同偏振方向提取光谱曲线, 如图13所示。 可以看出, 同种地物在四个基础偏振方向下光谱曲线差异明显, 在同一光谱曲线图内, 不同目标区分度较高, 具有明显的峰谷特征。

图13 不同线偏振方向下的5种目标光谱曲Fig.13 Five target spectral curves under different linear polarization directions

上述结果表明, 本文提出的基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像系统不仅实现了精细偏振光谱成像探测, 且数据重构简单、 效果良好, 满足预期设计目标。

5 结论

提出了一种基于LVF+PP的偏振光谱信息小型化探测方法, 设计了前置望远成像系统与关键器件耦合配置方法, 从原理上解决了传统偏振成像系统结构复杂、 自由度多以及通道匹配精度低等问题, 具备了系统小型化与偏振光谱信息同步获取能力, 并搭建完成原理样机, 进行了推扫验证。 经测试, 系统实现指标为: 工作波段: 430~880 nm, 成像分辨率: 0.215 mrad, 光谱分辨率: 10 nm, 样机系统尺寸: 不超过150 mm×45 mm×120 mm, MTF: 0.547, 偏振探测精度: 89.4%, 实现了系统小型化、 偏振与光谱信息同步获取、 多维信息重构简便的能力, 为偏振光谱多维信息获取提供了一种新型有效手段。

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