凝视式光谱偏振成像原理与实现方法研究

The multidimensional information acquiring technology can greatly improve the ability of the object detection and identifictaion, but the present methods exist non-synchronous problem. This project studies the parallel acquiring technology for the polarized, spectral and spatial information. The innovative research can reduce the system complexity with high detection efficiency. The new principle and implementation methods about the staring spectropolarimetric imager are proposed. The birefringent effects are used in the polarization inteference and spectral modulated filtering. The scanning methods are not needed in spatial, spectral and polarized dimensions and the four dimensional data is obtained instantaneously by starting style. Thera are no moving parts and optical slit, so the symtem can achive high throughput and high signal-to-noise ratio. By researching on the princiles of the staring imaging sepctrometer and staring imaging polarimeter, the staring polarized interference and spectral modulated filter are analylized. The achromatic prism and micro-structure grating are explored in the polarized beam separation and spectral filtering. The improved parameter optimization method and spectropolarimetric imaging model will be constructed. The spectropolarimetric micro-structure device is researched base on the innovative principle and imaging models. The coumputer simulation and physical experiment are verified the validity of the proposed principle and implementation methods. The pioneering work has great significance in developing new real-time and highly-efficient object detection technology.

多维信息获取技术能够大幅提高探测识别能力，但存在信息获取非同步问题。本课题研究偏振、光谱、空间信息的并行获取技术，能够在高探测效率的前提下，降低探测系统复杂度。本课题提出一种新型凝视式光谱偏振成像原理与实现方法，利用晶体双折射效应实现偏振分束干涉和光谱调制滤波，不需要在光谱维、空间维、偏振维进行推扫成像，实时获得光谱偏振四维数据；不需要使用狭缝，能够最大限度提高系统光通量和信噪比。通过对凝视式光谱成像和凝视式偏振成像原理研究，进行偏振干涉和光谱滤波理论计算，探索消色差棱镜在偏振分束和微纳光栅在光谱分光中的应用；建立完善的系统参数优化方法和光谱偏振成像模型，开展凝视式光谱偏振成像微型器件研究；通过数字仿真与物理实验，验证原理与实现方法的有效性。该研究对发展快速、高效目标探测技术具有重要意义。

本课题是基于晶体双折射原理和微纳光栅技术研究凝视光谱偏振成像原理和实现方法。在分别研究了凝视偏振成像原理和凝视光谱成像原理基础上，开展光谱偏振一体化的联合成像原理和方法研究。针对提出的凝视偏振成像方案开展了Mueller偏振矩阵理论分析和物理传输描述，对四通道偏振成像形式进行光学结构计算分析，研究了共孔径和偏心分孔径组合结构实现凝视偏振成像光学系统，利用光学传递矩阵对偏振成像光学系统进行成像质量评价和象差分析。研究双折射晶体光线分束特性、延迟调制特性，利用双折射晶体偏振分束光的发散角与入射角、波长、结构角的变化规律优化双折射晶体棱镜和双折射晶体延迟片级联形式，构建光谱滤波器件，实现凝视光谱成像。研究微纳光栅分光技术和偏振调制融合技术并建立偏振调制下的偏振光谱透过率模型，采用Sellmeier色散公式分析双折射材料特性，通过物理数学模型精确计算波片延迟相位并优化双折射元件结构参数，选择相位延迟量获取测量矩阵的最佳条件，利用同心结构构建Offner光谱分光模型，以波象差理论分析平面对称光学系统象散特性，实现象差补偿和校正，得到高光谱分辨率的偏振调谐图像。研究的凝视偏振成像、凝视光谱和凝视光谱偏振提供了多维信息获取的关键技术，对快速发展的高效目标探测具有促进意义，并在空间遥感、医疗诊断、生物化学分析等方面具有广阔的发展前景。