1 引言

干涉光谱成像技术是结合光谱处理技术和成像技术的多维信息获取处理技术,可获得目标的二维空间信息及一维光谱信息,得到三维数据立方体,且具有高通量和多通道的优点^[1-3]。干涉型高光谱偏振成像技术在干涉光谱成像技术的基础上,实现偏振信息的测量,能够在获取目标三维数据立方体的同时,获得目标的第四维偏振信息。通过分析多维信息可以更好地对目标进行识别鉴定,该高新光学探测技术在天文物理研究、地球资源普查和生物医学等领域具有巨大的发展潜力^[4-6]。近年来,国内外研究人员对干涉型高光谱偏振成像技术进行了深入的研究,提出了各具特色的技术方案。Oka等^[7]提出了一种通道调制光谱偏振探测技术,通过在光谱探测系统中加入由一个线偏振片和两个相位延迟片组成的偏振调制器,在不同光程差处获得不同偏振态组合的干涉信息,提取各通道的干涉信息进行光谱反演,组合分析后可得到探测目标的全Stokes光谱偏振信息^[8]。但由于将干涉采样空间分为不同的偏振通道,降低了系统光谱成像的空间分辨率,每个通道的光程差受到限制,且干涉信息之间存在混叠,降低了系统的光谱分辨率。Goldstein等^[9]搭建了一种分时调制的偏振探测装置,通过多次旋转相位延迟器的光轴方向,改变系统Muller调制矩阵,采集多组光强信息进行解算处理,得到探测目标的偏振信息。该系统需要动态调制,无法实现偏振信息的实时探测。此类偏振技术与光谱探测技术相结合,可同步获取光谱信息和偏振信息,但也使得光谱偏振成像系统普遍存在系统结构复杂、需要动态调制等问题。Gupta等^[10]研制了一种基于AOTF声光调制和LCVR电控液晶调制的光谱偏振成像系统,同样存在探测时间长和系统透光效率低的缺点。Pezzaniti等^[11]提出一种基于孔径分割的偏振成像方法,该方法通过在探测器靶面上获得4个视场相同、偏振态不同的目标场景图像实现实时偏振成像。但该系统需要引入由准直物镜、微透镜阵列和偏振阵列组成的中继成像系统,结构复杂,且光谱成像空间分辨率仅为探测器全分辨率的1/4。另外,国内多家研究机构也对干涉光谱成像以及光谱偏振成像技术进行了大量研究^[12-22]。

针对光谱技术与偏振技术的快速融合以及光谱偏振测量过程中光谱成像空间分辨率降低的问题,本文提出一种双通道剪切高分辨率光谱与偏振成像方法。基于剪切干涉光谱成像方法,提出利用双矩形横向剪切干涉器实现双通道剪切干涉,两个通道分别进行高分辨率干涉光谱成像以及光谱偏振成像探测。在光谱偏振成像通道中,利用微偏振阵列进行偏振调制,实现光谱信息与偏振信息的同步快速探测。

2 双通道高光谱偏振成像原理

2.1 双通道剪切干涉光谱成像原理

双通道干涉成像系统在无限远成像系统中加入双矩形横向剪切分束器。双矩形横向剪切分束器的两个通道分别对入射光线进行横向剪切,引入光程差信息。每个通道的出射光可分别在像面上得到探测目标通过自相关调制的干涉图像,利用光谱信息与干涉信息之间的傅里叶变换关系获得目标光谱信息。如图1所示,双通道光谱成像系统主要由无限远成像系统、双通道横向剪切分束器、图像采集系统组成。

成像物镜L1的后焦面与L2的前焦面重合,目标光线经过由L1和L2组成的前置光学系统后被准直为平行光进入横向剪切系统。双通道剪切干涉装置由两个分束镜BS1和BS2与4个反射镜M1、M2、M3和M4组成,光线在双通道剪切器中的传播路径形成两个矩形,如图1所示,该结构被命名为双矩形横向剪切分束器。光线进入剪切干涉装置后被分束镜BS1分为两路,一路经反射镜M1和M2的两次反射,另一路经反射镜M3和M4的两次反射,两路光分别通过分束镜BS2出射,其中M1与M2相互垂直,M3与M4相互垂直,M1、BS1、BS2和M4相互平行。当M3与M4处于图1中虚线位置时,M2与M3处于同一平面,M1、M2和BS1与M3、M4和BS2的位置分别呈镜面对称时,两路光线经BS2出射后完全重合。当M3与M4同时向上方平移一段距离d'至实线位置时,光线经M4反射后会向上平移距离d,光路展开如图2所示,即最后由分束镜BS2透射的两束光线与由分束镜BS2反射的两条光线分别被横向剪切开来,形成双通道横向剪切。两个通道的出射光分别由成像镜L3和L4在探测器D1和D2上进行成像。

图 1. 双通道横向剪切干涉光谱成像原理示意图

Fig. 1. Schematic of dual-channel lateral shearing interferometric spectral imaging

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图 2. 双矩形横向剪切分束器光路展开示意图

Fig. 2. Unfolded optical layout of dual-rectangle lateral shearing beam splitter

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这种结构的横向剪切干涉仪的优点是能够在产生光束横向剪切的同时使光路分开,光线在同一分束膜处只通过一次,因此不会产生回溯光,能够充分利用入射光能量。另外,该横向剪切干涉仪充分利用双通道优势,可实现目标的光谱和偏振多项特征的同步测量。

图 3. 叠加干涉条纹的目标图像

Fig. 3. Image of the scene superimposed with the interferometric fringe

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目标上不同的物点对应不同入射角θ的平行光束进入干涉成像系统,平行于光束剪切方向的入射角为θ_x,垂直于光束剪切方向的入射角为θ_y。当平行光束进入系统经过横向剪切分束器后,在x方向被横向剪切成两束光。这两束光的等光程面与横向剪切分束器的光束出射面平行,而对于后面的成像系统而言,入射平行光束的等光程面垂直于入射光束。当横向剪切分束器的出射面垂直于系统光轴时,对于θ_x不为零的光束,两个等光程面不重合,则入射平行光束通过成像系统到达像面同一点时,由于存在光程差(OPD),光束会发生干涉。y方向无剪切量,因此θ_y不为零的光束不会在像面上产生光程差。因此像面上形成y方向上叠加的竖直干涉条纹的目标图像,如图3所示。

双矩形剪切干涉器中,两路光线经过分束镜BS2后形成双通道横向剪切光束,由于存在一路光线由空气介质入射到分束镜介质,因此反射光线存在π相位变化,导致两个通道的干涉数据具有相位相反的特点,相位相反不影响光谱复原结果。像面上得到的干涉光强分布为

I(Δ)=∫σminσmaxB(σ)cos(2πσΔ)dσ,(1)

式中σ为波数,σ=1/λ,λ为波长,B(σ)为目标上的物点光谱,Δ为光程差。Δ与双通道横向剪切器的剪切量d和x方向入射角θ_x的关系为

Δ=dsinθx。(2)

在M3和M4的偏移量d'固定的条件下,两个通道得到图像的干涉强度I随着入射光束角度θ_x变化。通过对探测目标推扫成像可获得一系列干涉图像。系统在推扫成像过程中,每个像点在不同时刻被不同的光程差进行调制,提取同一物点在不同视场角下的干涉光强信息,对该干涉数据进行傅里叶变换计算,即可得到所对应物点的光谱信息,即

B(σ)=F[I(θx)]=∫-∞+∞I(θx)exp(4πσd'sinθx)dθx。(3)

系统采用整体推扫方式进行干涉数据采集时,获得的干涉图像中干涉条纹位置不变,场景位置横向平移。提取某一物点对应的干涉数据时,需要对干涉图像进行处理,以确保从每幅干涉图上提取的干涉数据属于同一个物点。整体推扫方式下干涉数据的采集过程如图4所示,A₁,A₂,…,A_n为物点A在每幅干涉图中的位置,具有不同位置坐标。对干涉图进行配准运算后,A₁,A₂,…,A_n在每幅干涉图中的位置坐标一致,点A干涉信息的获取可通过提取所有干涉图像中同一点的亮度信息并按成像顺序组合来实现。

图 4. 单个物点干涉信息提取

Fig. 4. Extraction of the interferogram of a point

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2.2 基于微偏振阵列调制的光谱偏振成像原理

双通道干涉高光谱成像系统的光谱偏振通道中,在探测器靶面前放置微偏振阵列(MPA)作为偏振调制器实现光谱偏振信息测量,如图5(a)所示。微偏振阵列由多个相同的偏振调制单元组成,如图5(b)所示。每个偏振调制单元包括4个偏振方向不同的线偏振子单元,同时每个子单元对应探测器靶面的一个像素。探测器获得的偏振调制图像包含探测目标4个方向的线偏振信息,通过偏振解调,即可获得目标的偏振图像。

图 5. 基于微偏振阵列的光谱偏振成像方法示意图。(a) 干涉偏振成像示意图;(b)线偏振子图像重构

Fig. 5. Schematic of imaging spectropolarimeter based on mirco-polarization array. (a) Schematic of polarization interference imaging; (b) reconstruction of line polarization sub-images

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首先,线偏振器的Muller矩阵为

MP(ϕ)=121cos(2ϕ)sin(2ϕ)0cos(2ϕ)cos2(2ϕ)sin(2ϕ)cos(2ϕ)0sin(2ϕ)sin(2ϕ)cos(2ϕ)sin2(2ϕ)00000,(4)

式中ϕ为偏振片的透光轴与参考轴的夹角。根据探测器采集图像时每个像素的偏振调制状态,可将一幅图像分解为4幅偏振子图像,4幅子图像对应的线偏振调制方向分别为0°、45°、90°和135°,如图5(b)所示。偏振子图像的空间分辨率降至原始图像的1/4。

由(4)式可知,目标光线通过偏振方向为0°的线偏振片后出射Stokes矢量为

S0°=121100110000000000S0S1S2S3=12S0+S1S0+S100,(5)

式中[S₀S₁S₂S₃]^T为探测目标的偏振Stokes矢量。目标光线通过偏振方向为45°的线偏振片后出射Stokes矢量为

S45°=121010000010100000S0S1S2S3=12S0+S20S0+S20,(6)

目标光线通过偏振方向为90°的线偏振片后出射Stokes矢量为

S90°=121-100-110000000000S0S1S2S3=12S0-S1-S0+S100,(7)

目标光线通过偏振方向为135°的线偏振片后出射Stokes矢量为

S135°=1210-100000-10100000S0S1S2S3=12S0-S20-S0+S20。(8)

探测器只能探测到调制光束的光强分量。光束经过微偏振阵列调制后,由(6)~(8)式可知,每个偏振调制单元的4个线偏振子单元采集到4个光强信息[I_0°I_45°I_90°I_135°],可以表示为

I0°=∫0+∞S0+S1)1+cos(2πσΔ)dσI45°=∫0+∞S0+S2)1+cos(2πσΔ)dσI90°=∫0+∞S0-S1)1+cos(2πσΔ)dσI135°=∫0+∞S0-S2)1+cos(2πσΔ)dσ。(9)

对采集到的干涉光强信号进行傅里叶变换处理,由(9)式即可得到探测目标各偏振分量的光谱强度

S0=F(I0°)+F(I90°)S1=F(I0°)-F(I90°)S2=F(I45°)-F(I135°)。(10)

3 实验与分析

在研究系统干涉调制原理以及偏振调制原理的基础上,搭建了图6所示干涉成像光谱偏振系统实验装置,装置中的器件光谱镀膜范围为450~700 nm,其中M1、M2、M3和M4的反射率均为99.9%。BS1与BS2为1∶1分光比的非偏振分束镜。中继镜系统为1∶1成像,成像物镜焦距为75 mm。探测器D1为PointGreyGS3-U3-23S6M,像素数量为1920 pixel×1200 pixel,像素尺寸为5.86 μm。探测器D2为Imperx B1620,像素数量为1600 pixel×1200 pixel,像素尺寸为7.4 μm。D2的靶面处贴置2.2节介绍的微偏振阵列,每个像素对应一个线偏振单元。实验系统对图7(a)所示彩色场景进行光谱偏振探测实验,图中有两副偏振眼镜,左侧镜片为竖直方向线偏振片,右侧为水平方向线偏振片,采用白炽灯作为光源对目标场景进行照明。

图 6. 实验装置图

Fig. 6. Experimental setup

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3.1 高分辨率光谱图像复原

在整体推扫工作方式下对目标场景进行成像实验,高分辨率干涉光谱成像通道采集到3000幅干涉图像。对实验采集到的干涉图像序列进行1/100 pixel精度的配准处理^[23],经过快速亚像素图像配准处理后的干涉图像序列如图7(b)-(d)所示。

图 7. 探测目标与系统获取的干涉图像。(a)实验目标场景;(b)(c)(d)干涉图像

Fig. 7. Target and interference images. (a) Experimental target scene; (b)(c)(d) interference images

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图 8. 点A的光谱复原过程示意图。(a)配准后的干涉图序列;(b)从干涉图序列中提取的点A的干涉信息;(c)实验系统以及海洋光学USB4000分别获取的点A的光谱信息

Fig. 8. Spectral reconstruction of point A. (a) Interference image sequence after registration; (b) interferogram of point A extracted from the interference image sequence; (c) spectrum of point A obtained by the proposed method and the USB4000

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可以看出配准后的图像序列具有背景图像位置不变、干涉条纹位置移动的特点。在此基础上,提取干涉图序列中同一位置像点A的光强值,即可获得该像点的光谱仪干涉信息,完成干涉数据重构,如图8(a)和图8(b)所示。通过对光谱干涉信息进行傅里叶变换处理,即可获得探测目标点的光谱信息,如图8(c)所示。同时,图8(c)给出海洋光学Ocean Optics USB4000光谱仪对点A光谱信息的测量结果。对比可得,本实验系统光谱探测结果与Ocean Optics USB4000光谱仪结果基本一致。

对干涉图像中所有像点分别进行光谱信息复原,即可获得整个探测场景的光谱图像。图9为447,486,539,615 nm 4个谱段处的光谱复原图像,复原场景的图像分辨率为950 pixel×950 pixel,复原结果符合场景的颜色特征。

图 9. 成像目标的复原光谱图像

Fig. 9. Reconstructed spectral images of the imaged target

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3.2 光谱偏振图像复原

光谱偏振测量通道采集到探测场景的干涉图如图10(a)所示,表明基于微偏振阵列的干涉成像光谱偏振系统获取的干涉图像纹理清晰,对比度较好。将干涉图像中的方形区域放大可以看出,由于方框区域内为线偏振镜片,相邻4个像素点获得的不同偏振方向的光强具有明显差异,如图10(b)所示。

图 10. (a)偏振干涉图像; (b)放大图像

Fig. 10. (a) Polarization interferogram; (b) magnified image

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同样通过横向推扫实现对实验场景中各目标点的光程差调制。实验系统扫描过程中,探测器采集到2000多幅干涉序列图像。根据微偏振阵列的调制原理,分别提取4个线偏振通道的光强信息组成4个线偏振子图像,如图11所示,子图像空间分辨率下降为原图像的1/4。

图 11. 不同线偏振态的干涉图像

Fig. 11. Interferograms with different linear polarization states

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由于场景中偏振眼镜右侧镜片的光轴方向与微偏振阵列中0°线偏振子单元的透光轴方向一致,因此图像中右侧镜片区域的光强在90°线偏振子图像中最弱,在0°线偏振子图像中最强。实验结果与理论分析结果吻合,初步验证了基于微偏振阵列的偏振调制方案的可行性。

为了进一步验证本文所研究方法的光谱偏振成像特性,利用傅里叶变换算法对干涉数据进行光谱复原。首先,对横向推扫成像获得的干涉图像序列进行亚像素配准处理,分别提取探测场景中物点A在4个线偏振子图像序列中的干涉光强信息,然后利用傅里叶变换算法对A点的4组线偏振干涉信息进行数据反演,得到它在线偏振态为0°、45°、90°和135°时的光谱信息,图12为A点的4组线偏振态光谱曲线。对图像中每一个探测点进行相同的处理,可得到探测目标在4种线偏振态下的光谱图像。图13所示为目标图像在447,489,539,615 nm 4个谱段处每一个谱段所对应的4种线偏振态光谱图像,其中,每一行图像对应同一偏振态,每一列图像对应同一波段。复原场景图像的空间分辨率为370 pixel×370 pixel。

图 12. 点A不同线偏振态的光谱复原曲线

Fig. 12. Reconstructed spectra curves of point A at four linear polarization states

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根据(10)式可知,通过探测目标的4种线偏振态光谱信息可得到其前3个Stokes偏振分量的光谱信息。同样以点A为例,将它在线偏振态为0°、45°、90°和135°时的光谱信息按照(10)式进行组合分析,分别得到其Stokes偏振分量S₀、S₁和S₂对应的光谱偏振曲线,如图14所示。

利用上述方法对目标图像中所有像素点进行分析,得到3个Stokes分量对应的光谱偏振图像,图15所示为447,489,539,615 nm波段处的3个Stokes分量光谱偏振图像。每一行图像对应同一Stokes分量,每一列图像对应同一波段,图像复原结果清晰可靠,进一步证明了基于微偏振阵列的干涉成像光谱偏振方案的可行性。

图 13. 4种线偏振态光谱复原图像

Fig. 13. Reconstructed spectral images at four linear polarization states

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图 14. 点A的Stokes偏振分量光谱曲线

Fig. 14. Spectra curves of three Stokes parameters of point A

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图 15. Stokes偏振分量复原光谱图像

Fig. 15. Reconstructed spectral images of three Stokes parameters

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4 结论

针对光谱技术与偏振技术的快速融合以及光谱偏振测量过程中光谱成像空间分辨率降低的问题,提出一种双通道剪切高分辨率光谱与偏振成像方法,实现了光谱偏振成像以及高空间分辨率光谱成像双模态同步探测。

所提出的系统具有较高的能量利用效率。不同于共光路系统,双矩形横向剪切分束器采用非共光路结构。光经过第一个分束镜后沿两路行进,每一路光在同一分束镜处只通过一次,避免产生返回光源的光线,最终每个通道获得与共光路系统相等的光通量。基于剪切干涉光谱成像方法,提出利用双矩形干涉器实现双通道剪切干涉。一个通道进行高分辨率干涉光谱成像,另一个通道进行光谱偏振成像探测。在光谱偏振成像通道中,在探测器靶面前加入微偏振阵列进行偏振调制,实现光谱信息与偏振信息的同时快速探测。系统在实现快速获取偏振图像的同时,兼顾光谱成像的空间分辨率。相比于传统光谱偏振成像方法,避免了获取目标偏振信息时光谱图像的空间分辨率的降低。在两个通道的探测器像元尺寸相同的情况下,系统可保持光谱图像空间分辨率为偏振图像的4倍。

详细论述了双通道横向剪切干涉器的原理以及设计方法,阐述了光谱复原方法,详细讨论了光谱偏振融合成像原理。搭建实验系统,对实际目标场景进行探测实验,结合实验结果论述了光谱与偏振信息提取和复原等数据处理过程。实验结果表明,提出的光谱偏振成像系统可准确有效地进行目标的光谱成像探测,并获得目标的2个Stokes偏振分量,且在获取偏振信息的同时,保持光谱成像的高空间分辨率。

此外,双通道系统还有很多优点,如两个通道可分别用于不同谱段探测,一路可用于接收可见光波段的信息,另一路可用于接收红外波段的信息;两个通道也可用来进行视场分割,从而扩大系统空间维的视场,拓展仪器的应用范围;还可分别获取相同目标不同视角图像,实现立体成像探测。系统的多通道、高空间分辨率以及光谱和偏振的快速融合等优势,使其在高光谱偏振成像领域极具发展前景。