高光谱偏振成像全Stokes参量获取新方法

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、测量精度低、系统结构复杂等特点,提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。从AOTF和LCVR的工作原理出发,介绍了系统的基本探测原理;根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法--该方法选取四个固定的LCVR控制电压,同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制,得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。此外,设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器,并对其进行定标,实现了不同波长下光波的精确调制。搭建实验样机,以偏振方向分别为0°,90°和45°的三个偏振片P₁,P₂,P₃作为偏振测量目标,测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图;以画有夹角为30°的红色、绿色、蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标,对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像,得到了与红色、绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。结果表明,该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量,而且系统结构简单、成像质量良好。     

基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术

为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.     

基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统

声光可调谐滤波器(AOTF)具有体积小、波长稳定性好、扫描范围宽、调制速度快等优点,在光谱成像中被广泛应用,但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。该方法首先通过分束镜将入射光分成两束,两束光分别通过两个AOTF,而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°,由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直,因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°,45°,90°和135°的光强,在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像,最终得到Stokes偏振信息中S₀(0°和90°光强和)、S₁(0°和90°光强差)和S₂(45°和135°光强差),结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度(DoLP)和线偏振角(AoLP)实现成像。再通过对AOTF的射频驱动进行扫频,实现对被测目标不同波长偏振成像,最终实现成像光谱偏振探测。并通过对500,550和600 nm偏振成像进行实验验证。该方法具有无运动部件、无需转动、一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。     

新型光谱调制偏振测量技术研究

光谱调制偏振测量技术是一种新型的偏振调制技术,通过由消色差/4波片、多级相位延迟器和偏振器组成的调制模块,能够把入射光的偏振信息调制到光波的光谱维上,得到线偏振度和线偏振角呈规律变化的正弦曲线。设计解调算法对偏振调制后的光谱进行解调,可以得到目标不同波长处的线偏振度、线偏振角、光谱及辐射信息。文中阐述了光谱调制偏振测量技术的基本原理,给出具体实现方案。设计解调算法,搭建实验平台并进行实验验证。实验结果表明该技术的正确性及实际应用的可行性。相对于传统的偏振调制方案,该方案无运动、电控部件,具有体积小、重量轻的优点,一次测量即可得到目标的偏振信息,而不是测得Stokes矢量后再经进一步计算。本研究为新型空间偏振探测遥感器的开发提供一种新的技术途径。     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

空间振幅调制光谱偏振测量技术信息提取研究

基于空间振幅调制的偏振测量技术,通过由复合光楔和检偏器组成的偏振调制模块将入射光偏振信息调制到空间维,再结合色散模块能够在单次测量中同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先,介绍了系统测量原理,推导出系统调制和解调方程。然后,通过对解调方程的分析,证明了系统具有区分不同偏振态入射光的能力,评估了检偏角对测量结果的不确定度和系统调制效率的影响。最后,给出了系统空间维和光谱维的定标方法,利用系统原理样机进行了偏振测量实验。实验结果表明,系统偏振度测量误差小于0.060,斯托克斯参数Q、U、V的测量误差分别小于0.052、0.035、0.057,测量结果说明了理论分析的正确性。     

弹光调制型成像光谱偏振仪中的高精度偏振信息探测研究

提出了一种基于三弹光调制器的差频偏振调制方法, 并结合声光可调谐滤波技术构成了新型弹光调制型成像光谱偏振探测仪(photo-elastic modulator-based imaging spectro-polarimeter, PEM-ISP). 介绍了PEM-ISP及三弹光差频偏振调制方法的基本工作原理, 并从PEM-ISP的探测原理出发, 通过分析和计算PEM-ISP的Mueller矩阵, 推导出了相应的偏振测量公式; 通过仿真及实验验证了三弹光差频偏振调制方法的可行性和准确性; 最后分析了探测积分步长、采样间隔的选取对偏振测量的影响, 对入射视场角、相位延迟幅值等因素所带来的测量误差进行了初步分析. 结果表明, 1%的相位延迟量误差带来的线偏振度DoLP误差 <0.6%. 本研究为新型PEM-ISP的遥感探测以及Stokes参量的反演的进一步工程化实现提供了必要的理论依据. 关键词： 偏振调制 三弹光调制器 差频 成像光谱偏振仪     

静态调制的光谱偏振成像系统

针对传统光谱偏振成像系统普遍存在的系统结构复杂、需要动态调制、光通量低等问题,提出一种基于静态调制的光谱偏振成像系统,将静态调制偏振探测方法与Savart偏光镜干涉成像原理相结合,可在成像过程中实时获取目标的光谱信息和全部四个Stokes偏振信息。与传统系统相比较,该系统具有无运动部件、无需动态电控调制、没狭缝限制、光通量大等优点。介绍了系统组成和基本原理,搭建了实验装置,实验装置包括二次成像光学系统、偏振调制模块、干涉成像模块、CCD图像采集及数据处理模块等,成像谱段范围为可见光近红外(480~950 nm)。利用实验装置对白板、飞机玩具模型进行了成像实验,验证了该系统的光谱偏振成像数据获取能力。对静态调制的偏振测量精度进行了验证,偏振测量统计误差小于5%。实验结果验证了系统原理的正确性和可行性,获取的光谱偏振成像数据在目标识别、目标分类、遥感探测等方面具有较高的应用价值。     

静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量     

空间振幅调制光谱偏振测量技术研究

空间振幅调制光谱偏振测量技术通过由光楔、偏振片组成的调制模块,将目标的偏振信息调制到与光谱维垂直的空间维,单次测量即可同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先阐述空间振幅调制光谱偏振测量技术的基本原理,然后利用空间调制光谱偏振仿真软件进行理论仿真,并且给出了具体的实验研究方案,通过对比理论模拟图像和实验图像,验证实验的可靠性。以Q=0,U=1,V=0和Q=1,U=0,V=0作为入射偏振光进行实验,在波长范围500～600 nm采样10组数据,利用最小二乘法对实验输出的偏振光进行偏振解调。结果表明：解调后入射光的线偏振度与参考入射光的误差值分别小于2.5%和4%,偏振角误差值小于1.8%和2%,验证了实验和算法的可行性,并对两组复合光楔中心误差对偏振测量的影响作了简要分析,结果表明中心误差对偏振分量Q和V的测量影响较大。     

Broadband monolithic acousto-optic tunable filter

Broadband monolithic acousto-optic tunable filters that combine a piezoelectric transducer array and an acousto-optic interaction medium in a single crystal have been investigated. A linearly chirped acoustic superlattice with an optical tuning range of lambda = 1.3-1.6 mum was formed by domain inversion in LiNbO(3) . X-propagating longitudinal acoustic waves are excited in a crossed-field scheme by a rf E(y) field applied to the superlattice and couple collinearly propagating e- and o-polarized optical modes. At mu = 1.319 mum and mu = 1.55 mum the spectral bandwidths (FWHM) were 1.54 and 2.3 nm, respectively. A relative conversion efficiency of 43%/W and a maximum conversion efficiency of 51% were measured at 1.319 mum.     

Low-loss all-fiber acousto-optic tunable filter

We report significant advances in the development of simple all-fiber, tunable acousto-optic spectral filters based on null couplers. The performance agrees well with theoretical predictions and is attributed to improved control of the coupler uniformity. Furthermore, using a double-pass arrangement, we demonstrate filter bandwidth reduction and improved sidelobe suppression of -20 dB . The double-pass configuration is also shown to double the frequency shifts that are obtainable from such devices.     

Transverse grating-assisted narrow-bandwidth acousto-optic tunable filter

An experimental acousto-optic tunable filter that has a narrow spectral bandwidth (0.2 nm at 1550 nm) and a fast (10-micros) tuning capability with a continuous tuning range of approximately 50 nm is described. The tunable filter consists of an acousto-optic beam deflector with a diffraction grating whose grating vector is transverse to the direction of light propagation.     

Ultrawidely tunable single-mode fiber acousto-optic filter

A single-mode fiber (SMF) acousto-optic tunable filter (AOTF) with a tuning range of more than 300 nm is demonstrated. The SMF used in the experiment has a ring of symmetric holes within the cladding, which causes a larger mode-index difference between the first and the second higher-order antisymmetric modes than those of a conventional SMF. As a result, the difference in beatlengths between the core mode and the higher-order modes is highly increased, which makes it possible for the SMF AOTF to exhibit a single resonance peak in the transmission spectrum over the wavelength range of 1.3-1.6 μm for given acoustic frequencies of 3.1-3.8 MHz.     

液晶相位可变延迟器对自旋极化电子束极化方向的调制

讨论了液晶相位可变延迟器（liquid crystal variable retarder, LCVR）在自旋极化电子产生方面的应用.LCVR控制入射光子的偏振度，从而实现对自旋极化电子束极化方向的调制.采用LCVR代替1/4波片和Pockels盒的优点在于其对入射光方向不敏感，传输直径大，不需要机械转动即可大波长范围的延迟，且易于校准.另外，还研制了旋转检偏器，通过示波器读出，对光子偏振性进行检测并对LCVR进行校准. 关键词： 自旋极化电子源 液晶相位可变延迟器 极化方向     

可调谐液晶红外滤光片的光学特性分析

可调谐红外滤光片是高分辨率红外成像仪谱段识别和分光的重要光学器件。采用琼斯矩阵方法对平行向列相和90°扭曲向列相液晶法-珀红外滤光片的本征偏振态及光学特性进行了研究。结果表明,当非偏振光垂直入射时,平行向列相液晶法-珀滤光片在任何电压下两组本征偏振态均不发生模式混合,具有偏振敏感性;90°扭曲向列相液晶法-珀滤光片在电压较低时具有偏振敏感性,当电压大于三倍Freedericksz阈值电压时,两组本征偏振态发生模式混合,偏振敏感性消除。     

Design and analysis of a noncollinear acousto-optic tunable filter

The design of the noncollinear acousto-optic tunable filter (AOTF) is commonly based on the parallel tangents momentum-matching condition. Previous studies either have used an approximation of the birefringence of the interaction material or have ignored the rotatory property of TeO(2). These approaches would obviously decrease the accuracy of designing an acousto-optic tunable filter (AOTF). We introduce an analysis method of calculating the optimum incident optical angle. Besides, an appropriate optical wedge on the output optical facet is designed to reduce the wavelength dependence of the diffracted beam angle, which is very significant in practical applications of AOTF.     

Analysis of polarization-insensitive tunable optical filter using liquid crystal: connection formula and apparent paradox

The resonance characteristics of a twisted-nematic liquid crystal Fabry-Pe′rot wavelength filter (TN-FP) is analysed and it is shown that it obeys some simple laws hitherto unknown. A method to calculate the transmittance and eigenstate of polarizations of the filter is first demonstrated. Next, approximate expressions of resonance wavelengths at some of the voltage regions are derived and connection formulae for two series of modes are presented. Finally, a transition of the eigen polarization in the FP etalon is investigated, and an interpretation of a paradoxical property concerning the longitudinal mode number of the filter is given. This revised version was published online in November 2006 with corrections to the Cover Date.     

窄带集成声光可调谐滤波器的研制

利用模式耦合理论分析了声光模式转换,并对声光可调谐滤波器的滤波带宽、调谐范围、驱动功率等性能参数进行分析计算。设计并制作出窄带集成声光可调谐滤波器(IAOTF)样品,搭建相应的IAOTF测试平台,得到中心波长在1.55μm,滤波带宽达到0.85 nm,波长调谐范围达到80 nm,驱动功率低于40mW的IAOTF。并对进一步压缩滤波带宽和旁瓣效应提出了解决途径。