双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法

王稼禹; 史浩东; 李英超; 付强; 王超; 刘振伟; 姜会林

doi:10.37188/OPE.20233122.3256

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法

现代应用光学 | 更新时间：2023-11-28

- 双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法
- Research on polarization optimization of dual-coded spectropolarimeter
- 光学精密工程 2023年31卷第22期页码：3256-3265
- 作者机构：
  
  1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
  2.东北工业集团有限公司，吉林长春 130103
- 作者简介：
  
  [ "王稼禹（1993-），男，吉林长春人，博士研究生，2016年于长春理工大学获得学士学位，2019年于长春理工大学获得硕士学位，主要从事计算光谱偏振成像、光学设计、偏振像差等方面的研究。E-mail： 515610926@qq.com" ]
  [ "史浩东（1989-），男，吉林长春人，副研究员，博士生导师，2012年于长春理工大学获得学士学位，2017年于长春理工大学获得博士学位，主要从事光学系统设计、偏振光谱探测、自由曲面成像技术研究。E-mail： shihaodong08@163.com" ]
  [ "姜会林（1945-），男，辽宁辽中人，1981于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位；1987于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，2015年当选为中国工程院院士，曾任长春理工大学校长，现任校学术委员会主任，兼任中国兵工学会副理事长、中国光学学会和中国光学工程学会常务理事、中央军委科学技术委员会航天领域专家委员会成员、长春光机所应用光学国家重点实验室学术委员会副主任等职务，长期从事应用光学技术研究。E-mail： cclgdxkjs@163. com" ]
- 基金信息：
  
  吉林省教育厅科学技术研究项目资助(JJKH20230813KJ);国家自然科学基金资助项目(61890960)
- DOI：10.37188/OPE.20233122.3256
  中图分类号：
扫描看全文
王稼禹,史浩东,李英超等.双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法[J].光学精密工程,2023,31(22):3256-3265.

WANG Jiayu,SHI Haodong,LI Yingchao,et al.Research on polarization optimization of dual-coded spectropolarimeter[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(22):3256-3265.
王稼禹,史浩东,李英超等.双编码快照式光谱偏振成像系统偏振优化方法[J].光学精密工程,2023,31(22):3256-3265. DOI： 10.37188/OPE.20233122.3256.

WANG Jiayu,SHI Haodong,LI Yingchao,et al.Research on polarization optimization of dual-coded spectropolarimeter[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(22):3256-3265. DOI： 10.37188/OPE.20233122.3256.

摘要

针对双编码快照式光谱偏振成像系统偏振效应校正需求，提出多参量模型引导的偏振优化方法，建立基于数字微镜阵列（DMD）、棱镜-光栅-棱镜（PGP）、微偏振片阵列探测器（MPA）以及多膜层系的光谱偏振成像系统全链路偏振效应模型，分析部分偏振光入射时光谱偏振成像系统的二向衰减，揭示入射光波长、偏振度与系统偏振效应的耦合机理。通过有针对性地控制透镜的折射率、入射角，光栅折射率、常数，棱镜折射率、顶角，多层膜复折射率、膜层厚度等参量，在谱线弯曲满足重建要求的前提下实现对光谱偏振成像系统偏振效应的优化。仿真结果表明，优化后系统SSIM＞0.8、系统偏振效应相对误差<4%，与优化前相比偏振效应降低至少6%。当入射光偏振度恒定时，系统偏振效应与波长成反比。通过实验获取单次曝光下典型材料的光谱偏振重建图像，金属偏振度相对误差提升至少14.7%，塑料偏振度相对误差提升至少63.6%。验证了所提偏振优化方法的必要性和可行性。本研究为双编码快照式光谱偏振成像系统多维数据的高精度获取奠定了理论基础。

Abstract

A multiparameter model-guided polarization optimization method is proposed for polarization effect correction of a dual-coded snapshot spectropolarimeter. A full-link polarization effect model of the spectropolarimeter based on a digital micro-mirror device （DMD）， prism-grating-prism （PGP）， micro-polarizer array （MPA） detector， and multi-film system is established. Bidirectional attenuation of the spectropolarimeter with incident partially polarized light is analyzed. The relationship among wavelength， polarization degree of the incident light， and polarization effect is revealed. The polarization effect of the spectropolarimeter is optimized through targeted control of the refractive index and incidence angle， grating refractive index and constant， prism refractive index and top angle， and film refractive index and film thickness when the spectral line bending meets the reconstruction requirements. The simulation results show that the structural similarity （SSIM） of the optimized system is >0.8 and that the relative error of the system polarization effect is <4%. The polarization effect is reduced by at least 6% compared with that before optimization. When the polarization of the incident light is constant， the polarization effect of the system is inversely proportional to the wavelength. The experimental acquisition of spectral polarization reconstructed images of typical materials under a single exposure improves the relative error by at least 14.7% for metal and 63.6% for plastic. The necessity and feasibility of the proposed polarization optimization method are verified. This study lays a theoretical foundation for high-precision acquisition of multidimensional data in dual-coded spectropolarimeters.

关键词

光谱偏振成像偏振效应二向衰减穆勒矩阵

Keywords

spectropolarimeterpolarization effectbidirectional attenuationMueller matrix

references

EL-HABASHI A， BOWLES J， FOSTER R， et al. Polarized observations for advanced atmosphere-ocean algorithms using airborne multi-spectral hyper-angular polarimetric imager［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer， 2021， 262： 107515. doi: 10.1016/j.jqsrt.2021.107515http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107515

HSIANG E L， WU S T. Novel developments in computational spectropolarimeter［J］. Light： Science & Applications， 2023， 12： 52. doi: 10.1038/s41377-023-01097-3http://dx.doi.org/10.1038/s41377-023-01097-3

张颖，李河申，王昊，等. 基于神经网络的典型地物的偏振多光谱图像分类（特邀）［J］. 红外与激光工程， 2022， 51（6）： 7-14.

ZHANG Y， LI H S， WANG H， et al. Polarized multispectral image classification of typical ground objects based on neural network（Invited）［J］. Infrared and Laser Engineering， 2022， 51（6）： 7-14.（in Chinese）

张艺蓝，史浩东，王超，等. 基于自由曲面的空间光学系统偏振像差分析［J］. 光学精密工程， 2021， 29（12）： 2783-2796. doi: 10.37188/OPE.20212912.2783http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2783

ZHANG Y L， SHI H D， WANG C， et al. Analysis of polarization aberration of space optical system based on freeform surface［J］. Opt. Precision Eng.， 2021， 29（12）： 2783-2796.（in Chinese）. doi: 10.37188/OPE.20212912.2783http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212912.2783

李刚，孙连春，于兆波，等. 光学薄膜中的偏振效应［J］. 光学精密工程， 2003， 11（6）： 647-651. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.06.021http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.06.021

LI G， SUN L C， YU Z B， et al. Polarization effects in optical thin films［J］. Opt. Precision Eng.， 2003， 11（6）： 647-651.（in Chinese）. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2003.06.021http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2003.06.021

CHIPMAN R A， LAM W S T. The Polaris-M ray tracing program［C］. SPIE Optical Engineering + Applications. Proc SPIE 9613， Polarization Science and Remote Sensing VII， San Diego， California， USA. 2015， 9613： 139-156. doi: 10.1117/12.2188928http://dx.doi.org/10.1117/12.2188928

杨斌，颜昌翔，张军强，等. 多通道型偏振成像仪的偏振定标［J］. 光学精密工程， 2017， 25（5）： 1126-1134. doi: 10.3788/ope.20172505.1126http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1126

YANG B， YAN C X， ZHANG J Q， et al. Polarimetric calibration of multi-channel polarimetric imager［J］. Opt. Precision Eng.， 2017， 25（5）： 1126-1134.（in Chinese）. doi: 10.3788/ope.20172505.1126http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1126

LIU M X， ZHANG X， LIU T， et al. On-orbit polarization calibration for multichannel polarimetric camera［J］. Applied Sciences， 2019， 9（7）： 1424. doi: 10.3390/app9071424http://dx.doi.org/10.3390/app9071424

PAMBA A， THILAK V， VOELZ D G， et al. Estimation of incidence and reflection angles from passive polarimetric imagery： extension to out-of-plane scattering［C］. Optical Engineering+Applications. Proc SPIE 6682， Polarization Science and Remote Sensing III， San Diego， California， USA. 2007， 6682： 217-223. doi: 10.1117/12.732649http://dx.doi.org/10.1117/12.732649

邢文赫. 通道色散型偏振光谱成像系统偏振辐射标定研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2021. doi: 10.1016/j.optcom.2018.05.033http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2018.05.033

XING W H. Research on Polarimetric and Radiometric Calibration of Channeled Dispersion Imaging Spectropolarimeter［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2021. （in Chinese）. doi: 10.1016/j.optcom.2018.05.033http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2018.05.033

TIAN S Q， LIU T， PAN X H， et al. Study of structural effects on the polarization characteristics of subwavelength metallic gratings in short infrared wavelengths［J］. Optics Express， 2022， 30（26）： 47983. doi: 10.1364/oe.473311http://dx.doi.org/10.1364/oe.473311

WANG J Y， SHI H D， LIU J N， et al. Compressive space-dimensional dual-coded hyperspectral polarimeter （CSDHP） and interactive design method［J］. Optics Express， 2023， 31（6）： 9886. doi: 10.1364/oe.484233http://dx.doi.org/10.1364/oe.484233

廖延彪. 偏振光学［M］. 北京：科学出版社， 2003： 45-63.

LIAO Y B. Polarization Optics［M］. Beijing： Science Press， 2003： 45-63.（in Chinese）

AZZAM R M A， BASHARA N M， THORBURN BURNS D. Ellipsometry and polarized light［J］. Analytica Chimica Acta， 1987， 199： 283-284. doi: 10.1016/s0003-2670(00)82849-4http://dx.doi.org/10.1016/s0003-2670(00)82849-4

PANG Y， ZHANG Y， YANG H， et al. Reduction of the polarization sensitivity of grating-based spectrometer using an achromatic quarter-wave plate［J］. Optics Communications， 2017， 393： 139-142. doi: 10.1016/j.optcom.2017.02.044http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2017.02.044

AZZAM R A， ADAMS R M. Transmission of p- and s-polarized light through a prism and the condition of minimum deviation［J］. Journal of the Optical Society of America A， 2010， 27（9）： 2085-2090. doi: 10.1364/josaa.27.002085http://dx.doi.org/10.1364/josaa.27.002085

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

多通道型偏振成像仪的偏振定标

带有补偿器的液晶相位可变延迟器特性研究