基于雙AOTF的新型成像光譜偏振探測(cè)系統(tǒng)

張 瑞，陳友華，李世偉，王志斌*，溫廷敦，王耀利，李克武

1.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 3.中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051

基于雙AOTF的新型成像光譜偏振探測(cè)系統(tǒng)

張 瑞1, 2, 3，陳友華1,2,3*，李世偉1, 2, 3，王志斌1, 2, 3*，溫廷敦2, 3，王耀利1, 2, 3，李克武1, 2, 3

1.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051 3.中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051

聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)具有體積小、波長穩(wěn)定性好、掃描范圍寬、調(diào)制速度快等優(yōu)點(diǎn)，在光譜成像中被廣泛應(yīng)用，但單獨(dú)采用AOTF的成像光譜偏振探測(cè)還較少。為此提出只采用兩個(gè)AOTF的成像光譜偏振探測(cè)新方法。該方法首先通過分束鏡將入射光分成兩束，兩束光分別通過兩個(gè)AOTF，而兩個(gè)AOTF的正一級(jí)衍射光的偏振方向互成45°，由于AOTF的正一級(jí)衍射光的偏振方向互相垂直，因此兩個(gè)AOTF的正負(fù)一級(jí)分別可得到0°，45°，90°和135°的光強(qiáng)，在測(cè)量中需保持兩個(gè)AOTF的濾光所對(duì)應(yīng)的波長完全相等。最后通過對(duì)兩個(gè)AOTF的正負(fù)一級(jí)衍射成像，最終得到Stokes偏振信息中S0(0°和90°光強(qiáng)和)、S1(0°和90°光強(qiáng)差)和S2(45°和135°光強(qiáng)差)，結(jié)合相應(yīng)的理論公式對(duì)被測(cè)目標(biāo)的線偏振度(DoLP)和線偏振角(AoLP)實(shí)現(xiàn)成像。再通過對(duì)AOTF的射頻驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)不同波長偏振成像，最終實(shí)現(xiàn)成像光譜偏振探測(cè)。并通過對(duì)500，550和600 nm偏振成像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方法具有無運(yùn)動(dòng)部件、無需轉(zhuǎn)動(dòng)、一次測(cè)量同時(shí)獲得成像光譜偏振信息的優(yōu)點(diǎn)。

成像光譜偏振； 雙AOTF； Stokes參量； 衍射光

引 言

成像光譜偏振測(cè)量技術(shù)是將空間信息、光譜、偏振信息同時(shí)獲得的一種技術(shù)，可以獲得被測(cè)目標(biāo)的空間信息、光譜信息、偏振信息。其中偏振探測(cè)能提供強(qiáng)度探測(cè)無法提供的更多信息，偏振探測(cè)有提高目標(biāo)對(duì)比度、降低散射、提供各種形狀方向信息的特點(diǎn)，利用目標(biāo)與背景的偏振信息的不同，可以在復(fù)雜背景下更好的探測(cè)目標(biāo)，提高識(shí)別目標(biāo)的準(zhǔn)確度。因此成像光譜偏振測(cè)量技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)和天文等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用前景[1-5]。由于Stokes參量既可以表示全偏振光，也可表示部分偏振光和非偏振光，因此偏振特性主要用Stokes參量(S0，S1，S2，S3)T表示[6]。

AOTF濾光器具有體積小、波長穩(wěn)定性好、掃描范圍寬、調(diào)節(jié)速度快、衍射效率高、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在光譜成像中被廣泛應(yīng)用，但單獨(dú)采用AOTF的偏振光譜成像還較少[7]。為此本文提出采用兩個(gè)AOTF的偏振光譜成像方法，該方法有無運(yùn)動(dòng)部件、無需轉(zhuǎn)動(dòng)、一次測(cè)量同時(shí)獲得成像、偏振和光譜信息的優(yōu)點(diǎn)。

1 基本原理

1.1 光的偏振分析

因?yàn)橥耆窆?、部分偏振光和非偏振光采用Stokes參量都可以表示，所以Stokes參量被廣泛應(yīng)用。Stokes參量S為[6]

(1)

其中，S0表示光的總強(qiáng)度，S1表示光的0°和90°方向線偏振分量的強(qiáng)度差，S2表示光在45°和135°方向線偏振分量的強(qiáng)度差，S3表示光的左旋圓偏振分量(IL)與右旋圓偏振分量(IR)的強(qiáng)度差。完全偏振光滿足：S0=S1+S2+S3； 部分偏振光滿足：S0>S1+S2+S3。自然界中主要是部分偏振光和非偏振光，且含圓偏振信息(S3)很少，因此偏振測(cè)量主要是對(duì)Stokes參量中的S0，S1和S2的測(cè)量。在偏振成像中經(jīng)常采用對(duì)被測(cè)目標(biāo)的線偏振度(degree of linear polarization, DoLP)和線偏振角(angle of linear polarization, AoLP )成像。

其中，線偏振度(DoLP)表示線偏振光的強(qiáng)度在總光強(qiáng)中占的比例

(2)

線偏振角(AoLP)表示線偏振光偏振方向與所設(shè)參考方向的夾角

(3)

1.2 AOTF原理及衍射光偏振態(tài)分析

AOTF是利用聲光互作用原理研制的新型濾光器件，主要由聲光晶體(如二氧化碲)和鍵合其上的壓電換能器組成。在壓電換能器上加一定頻率的驅(qū)動(dòng)電壓，并將同頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的超聲波，聲光晶體的超聲波與入射光產(chǎn)生非線性效應(yīng)，當(dāng)滿足布拉格衍射條件的入射光發(fā)生布拉格衍射，衍射光的波長與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率一一對(duì)應(yīng)，因此改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率就可改變衍射光的波長，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾光作用。

根據(jù)AOTF的工作原理，被測(cè)光經(jīng)過彈光晶體后的出射光除了0級(jí)光之外，還會(huì)產(chǎn)生±1級(jí)衍射光，其中+1級(jí)和-1級(jí)衍射光始終為偏振方向互成90°的線偏振光，并且入射光為e光(或o光)時(shí)，衍射光只有+1級(jí)(或-1級(jí))，并且入射光偏振方向與衍射光偏振方向互相垂直。如圖1所示。

圖1 AOTF衍射后的光學(xué)偏振特性

1.3 雙AOTF的新型成像光譜偏振測(cè)量原理

雙AOTF的新型成像光譜偏振測(cè)量原理如圖2所示，被測(cè)光首先通過前置光學(xué)系統(tǒng)縮束準(zhǔn)直，經(jīng)過分束鏡分成光束1和光束2； 光束1通過AOTF1發(fā)生衍射，取AOTF1正一級(jí)衍射光的偏振方向與Stokes參量中的參考0°方向相同，根據(jù)1.2節(jié)可知，負(fù)一級(jí)衍射光的偏振方向與Stokes參量中的90°方向相同； 同理，光束2通過AOTF2發(fā)生衍射，取AOTF2正一級(jí)衍射光的偏振方向與Stokes參量中的參考45°方向相同，則負(fù)一級(jí)衍射光的偏振方向與Stokes參量中的135°方向相同。

圖2 雙AOTF的新型成像光譜偏振測(cè)量原理圖

在光波長為λ時(shí)，設(shè)AOTF1的正負(fù)一級(jí)衍射效率分別為η1+(λ)和η1-(λ)，AOTF2的正負(fù)一級(jí)衍射效率分別為η2+(λ)和η2-(λ)，結(jié)合分束鏡的透射率和反射率分別為γT(λ)和γR(λ)，最終可得所需被測(cè)物Stokes參量中的I0°(λ)，I45°(λ)，I90°(λ)和I135°(λ)為

(4)

結(jié)合式(1)和式(4)可得被測(cè)物的Stokes參量中的S0(λ)，S1(λ)和S2(λ)為

(5)

結(jié)合式(2)和式(3)可得被測(cè)物在該波長λ下的線偏振度DoLP(λ)和線偏振角AoLP(λ)為

(6)

(7)

再通過對(duì)AOTF的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長的偏振成像，最終實(shí)現(xiàn)偏振光譜成像。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ±1級(jí)衍射效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

由1.3節(jié)理論可知，該測(cè)量方法需要探測(cè)AOTF的±1級(jí)衍射光，并且需要得到±1級(jí)衍射效率，AOTF的衍射效率理論上可以得到，但由于加工、環(huán)境等因素的影響，實(shí)際加工出的AOTF的±1衍射效率需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。由1.2節(jié)可知，入射光為e光時(shí)，衍射光只有+1級(jí)，并且衍射光由入射光的e光變?yōu)閛光[如圖3(a)]； 同理，入射光為o光時(shí)，衍射光只有-1級(jí)，并且衍射光由入射光的o光變?yōu)閑光[如圖3(b)]； 并且采用這兩張方式分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試+1級(jí)和-1級(jí)的衍射效率，入射光的e光和o光的分別通過偏振片得到(如圖3所示)。

圖3 衍射效率測(cè)試原理圖

測(cè)試過程中，入射光為ABB公司的SQ67700G白光光源，光譜儀為Ocean Optics公司的HR4000CG-UV-NIR光纖光譜儀，首先通過光譜儀測(cè)得e光光譜[即圖3(a)光源經(jīng)過偏振片后的光譜]，再測(cè)得經(jīng)AOTF后+1級(jí)衍射效率； 同理，由圖3(b)得到-1級(jí)衍射效率。測(cè)得的±1級(jí)衍射效率如圖4所示。

2.2 成像光譜偏振實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由于實(shí)驗(yàn)條件有限(只有一個(gè)AOTF)，沒有完全采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，而是采用與圖2等效的原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示，其中圖2中的AOTF2的功能采用旋轉(zhuǎn)45°AOTF得到，圖5和圖2的根本原理是相同的，圖2較圖5無需轉(zhuǎn)動(dòng)任何部件。實(shí)驗(yàn)中采用的CCD的光譜范圍為400～900 nm； AOTF的光譜范圍為400～1 000 nm，光譜分辨率小于3 nm，并且實(shí)驗(yàn)中0級(jí)光采用擋板，消除0級(jí)對(duì)測(cè)量的影響。

圖4 衍射效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 實(shí)驗(yàn)框圖

首先通過改變AOTF壓電換能器的驅(qū)動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)不同波長下被測(cè)目標(biāo)的探測(cè)，通過CCD探測(cè)正負(fù)一級(jí)衍射得到偏振方向?yàn)?°，45°，90°和135°的光強(qiáng)圖。結(jié)合式(6)和式(7)得到不同波長下的線偏振度DoLP和線偏振角AoLP圖，圖6為三種不同波長(λ=500 nm，λ=550 nm，λ=600 nm)的強(qiáng)度、DoLP和AoLP圖。由圖6可以明顯看出：DoLP包含強(qiáng)度圖無法得到的信息，比如DoLP圖可以更好地表現(xiàn)房子的結(jié)構(gòu)特征，如圖6(b2)和圖6(b3)所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié) 論

結(jié)合AOTF光譜掃描范圍寬、體積小、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，此本文提出采用兩個(gè)AOTF的成像光譜偏振探測(cè)新方法。該方法通過對(duì)兩個(gè)AOTF的正負(fù)一級(jí)衍射成像，分別可得到0°，45°，90°和135°的光強(qiáng)。結(jié)合Stokes參量中S0為0°和90°光強(qiáng)和、S1為0°和90°光強(qiáng)差、S2為45°和135°光強(qiáng)差，因此得到特定波長下Stokes偏振信息S0，S1和S2； 再通過對(duì)AOTF的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掃頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長的偏振成像，最終實(shí)現(xiàn)偏振光譜成像； 并對(duì)AOTF的±級(jí)衍射效率進(jìn)行了測(cè)試，通過對(duì)500，550和600 nm偏振成像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明偏振光譜成像可以表征強(qiáng)度成像無法獲得的信息。

[1] LI Jie, ZHU Jing-ping, QI Chun(李 杰，朱京平，齊 春).Infrared and Laser Engineering(紅外與激光工程)，2014，43(2): 574.

[2] LI Jie, ZHU Jing-ping, QI Chun(李 杰，朱京平，齊 春).Acta Physica Sinica(物理學(xué)報(bào))，2013，62(4): 044206.

[3] David J Diner，Ab Davis，Bruce Hancock，et al.Applied Optics，2007，46(35)：8428.

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[6] LIAO Yan-biao(廖延彪).Polarization Optics(偏振光學(xué)).Beijing: Science Press(北京：科學(xué)出版社)，2003.

(Received Dec.9, 2014; accepted Mar.28, 2015)

*Corresponding author

The Research of Spectral Polarization Imaging Detection System Based Dual-AOTFs

ZHANG Rui1, 2, 3, CHEN You-hua1, 2, 3*, LI Shi-wei1, 2, 3, WANG Zhi-bin1, 2, 3*, WEN Ting-dun2, 3, WANG Yao-li1, 2, 3,LI Ke-wu1, 2, 3

1.Engineering and Technology Research Center of Shanxi Provincial for Optical-Electric Information and Instrument, North University of China, Taiyuan 030051, 2.Key Lab of Instrument Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education, North University of China, Taiyuan 030051, 3.Engineering Technology Research Center of Shanxi Province for Opto-Electronic Information and Instrument, North University of China, Taiyuan 030051, China

Acousto-optic tunable filter (AOTF) has the advantages of small size, good stability, wide range of wavelength scanning, quick modulation speed and so on.So AOTF is widely used in spectral imaging.But the detection of spectral polarization imaging is seldom found by using AOTF individually., Anew method of spectral polarization imaging based on dual-AOTFs is proposed.This method shows that the incident light is firstly divided into two beams by splitting mirror, and then two beams of light are through two AOTFs respectively, and the polarization direction of +1 diffraction order formed by AOTF is at a 45° against the other.The intensity of 0°, 45°, 90°and 135° can be obtained by ±1 diffraction orders of dual-AOTFs.Finally, the Stokes parameters are obtained by ±1 diffraction orders imaging of dual-AOTFs.They areS0(the sum of light intensity between 0° and 90°),S1(the difference of light intensity between 0° and 90°) andS2(the difference of light intensity between 45° and 135°).The target degree of linear polarization (DoLP) and angle of linear polarization (AoLP) is realized by corresponding theoretical formula.Furthermore, the polarization imaging of different wavelengths is realized with frequency sweep of dual-AOTFs so as to ultimately detect the spectral polarization imaging.The experiment has been verified through polarization imaging of three different lights, such asλ=500 nm,λ=550 nm andλ=600 nm.

Spectral polarization imaging; Dual-AOTFs; Stokes parameters; Diffracted light

2014-12-09，

2015-03-28

國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)基金項(xiàng)目(61127015)，國際科技合作項(xiàng)目(2013DFR10150)資助

張 瑞，1987年生，中北大學(xué)山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心博士研究生 e-mail: ruizhanghy@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: wangzhibin@nuc.edu.cn; chenyh@nuc.edu.cn

TH744.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1549-05