中波红外光谱偏振成像技术及系统研究

光谱偏振成像技术是一种将光谱测量技术和偏振成像技术融为一体的新型

光学探测技术,它不仅可以获得被测目标物体的光谱信息,还可以获得被测目标

物体的图像信息和偏振信息,为目标物体的全方位准确识别提供了有力地保障。目前光谱偏振成像技术广泛应用于生物医学诊断、目标探测与识别、空间遥感、环境监测等领域。

为了能够准确理解光谱偏振成像技术的工作原理以及研究新型的光谱偏振

成像系统,本文依托于中波红外微型光谱测量系统、中波红外分孔径同时偏振成像系统对光谱偏振成像技术的光谱测量技术和偏振成像技术进行了研究。在此基础上,构建了中波红外光谱偏振成像系统。

中波红外光谱偏振成像系统是在传统的迈克尔逊系统的基础上,通过引入偏振调制模块和多级阶梯微反射镜,实现了偏振信息的测量和干涉系统的静态化。与传统的傅里叶变换型成像光谱系统相比,此系统除了具有光通量大、多通道的优点外,还具有信息量大的优点。

本论文的主要工作有以下三个部分:一、光谱测量技术研究:提出一种轻型的基于微光学元件的傅里叶变换光谱测量系统,并对系统进行了设计。改进了传统折衍混合单透镜光焦度的分配,得到了可应用于光谱测量系统的单片式准直系统。

基于波像差理论和Sellmeier色散公式,分析了前置准直系统残存的像差以及折衍混合单透镜的衍射面的衍射效率对光谱复原的影响。分析了微光学元件的衍射对光谱复原的影响。

与此同时,分析了微透镜阵列的像面和中继系统的物面的轴向装配误差对光谱复原的影响。最后借助光学分析软件ASAP对空间调制型的傅里叶变换红外光

谱测量系统进行了建模。

二、偏振成像技术研究:结合孔径分割技术和偏振探测技术,提出并设计了一种静态的中波红外分孔径同时偏振成像系统。采用等权重方差的优化方法对系统各通道线偏振片的偏振轴方向以及波片的快轴方向进行了优化,并通过仿真论证了优化方法的正确性。

基于分时偏振成像系统的傅里叶分析法和偏振测量结构的特点,提出一种误差标定和校准的新方法,并对标定理论进行了推导。对中波红外分孔径全偏振成像系统进行了装调、原理样机的集成和校准,并利用校准后的系统进行了偏振成像实验,观察到了明显的偏振现象。

最后对获得的偏振图像进行了图像融合,融合后的图像相较于普通光强图像,图像的细节更加清晰,图像的信息量更大,为目标景物的准确识别提供了有力的保障。三、光谱偏振成像技术研究:提出了一种基于微型静态干涉系统的中波红外傅里变换型线偏振干涉成像系,完成了系统的参数计算。

根据近轴光学理论,采用物镜像方远心和中继系统物方远心的设计方案,使物镜和中继系统很好的匹配,降低了能量损失。当入射光为非偏振光和线偏振光两种极端情况下,对系统的透过率进行了分析,进而对系统获取信息的能力进行评估。

采用邦加球螺旋线的采样方式,分析了旋转偏振的旋转误差,入射光的偏振度、偏振态对偏振信息准确测量的影响,并给出了旋转公差容限,为实际的装配提供指导。

CPL圆偏振荧光光谱仪测量原理

主要用途：圆偏振荧光在发光材料、生物蛋白、信息显示存储、电子学、非线性光学等领域有广泛的用途和应用前景，引起科学家极大的关注和兴趣。采用圆偏振荧光光谱仪可提供分子激发态的结构信息，表征聚合物结构，成为研究有机化合物的立体构型的一个重要方法。工作原理：光是一种电磁波，可用振动的电场和与之垂直的磁场来描述，若光波在其传播途径中具体某一点上只有一个振动方向，但振动方向随光波的传播而有规律的偏转一定角度但振幅不变，其电场矢量末端的运动轨迹为螺旋状，该螺旋的横截面为圆形，这种偏振光为圆偏振光。人们在圆二色的基础上，发现圆偏振荧光的左、右圆偏振光的强度不同。通常以左、右圆偏振荧光的强度差CPL=△F= FL-FR，作为圆偏振荧光的量度。

之前文献报道的圆偏振荧光检测都是在相关科研工作者自己设计和建造的仪器上进行的。直到1972年以色列魏茨曼科技学院Steinberg和Gafni (SG) 提出图一A所示的圆偏振荧光调制测量方法，基本组成部分为：激发源、单色器、样品、光学弹性调制器、偏光片、发射单色器、光电倍增管、锁相放大器及计算机。该方法将调制后的光电信号和PEM光学弹性调制器信号输入给锁相放大器，通过二者频率与相位锁相从荧光中提取圆偏振荧光。 1982年荷兰莱顿大学的Schippers，van den Beukle和Dekkers (SBD)提出了图一B所示的圆偏振荧光测量方法，该方法利用光子计数取代锁相放大器，解决了锁相放大器的输出不稳定问题。其后复杂蛋白结构测量主要采用的是该方法，但是对于弱的圆偏振荧光测量还是速度很慢。 1992-1995年期间，随着TDC时间数字转换器等电子技术的发展，美国密西根大学的Schauerte，Steel，和Gafni (SSG) 进一步提出了图一C所示的圆偏振荧光直接相减测量方法。该方法采用DGG延迟选通脉冲发生器，分别测量△F= FL-FR公式中的FL左圆偏振荧光和FR右圆偏振荧光，两者相减直接得到真正的圆偏振荧光△F，利用公式glum=2（FL-FR）/（FL+FR）求得不对称因子。该方法同时解决了以上两种方法中锁相环输出不稳定与测量速度慢的问题，使用该方法商业化生产的圆偏振荧光光谱仪主要是美国Olis公司圆偏振荧

红外偏振成像探测技术综述

第 28 卷第 2 期 2006 年 2 月
红外技术 Infrared Technology
Vol.28 No.2 Feb. 2006
〈综述与评论〉
红外偏振成像探测技术综述
聂劲松[1]，汪震[2]
（1.电子工程学院 503 室，安徽合肥 230037；2.中科院安徽光机所，安徽合肥 230031）
摘要：论文对红外偏振成像技术进行了全面系统的综述，在论述红外偏振特性物理本质的基础上，指出了红外偏振成像技术比较传统的红外成像技术具有的优势；给出了国内外该技术的研究概况；分析了国外研究红外偏振成像技术得到的主要结论；最后，指出红外偏振成像技术不仅是红外侦察技术的一次革命性进步，而且对传统的红外伪装技术提出了严峻的挑战，需要引起我们高度的重视。关键词：偏振；红外；成像；探测技术中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2006)02-0063-05
Summarize of Infrared Polarization Imaging Detection Technology
NIE Jing-song[1]，WANG Zhen[2]
（1.503 office, Institute of Electronic Engineering, Anhui Hefei, 230037, China; 2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Anhui Hefei, 230031, China）
Abstract：The technology of infrared polarization imaging detect was discussed. The advantages of infrared polarization imaging detect to traditional infrared imaging detect were given, and the main conclusion of overseas on infrared polarization imaging detect was analyzed. In the end, the significance of infrared polarization imaging detection technology and the challenge of this technology to traditional detect technology were pointed out. Key words：polarization；infrared；imaging；detection technology 式显示隐蔽的军事目标。红外偏振成像技术作为比较传统的红外成像技术具有以下几点优势： 1）偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相当高的精度，这是由于偏振度是辐射值之比。而在传统的红外辐射量测量中红外测量系统的定标对于红外系统的测量准确度至关重要。红外器件的老化，光电转换设备的老化，电子线路的噪声，甚至环境温度、湿度的变化都会影响到红外系统。如果红外系统的状态已经改变，但是系统又没有及时定标，那么所测得的红外辐射亮度和温度必然不能反映被测物的真实辐射温度和亮度。 2）根据调研国外公开发表的文献的数据说明，目标和背景差别较大，其中自然环境中地物背景的红外
收稿日期：2005-07-05；修改日期：2005-11-08 作者简介：聂劲松（1970－），男，博士，现在解放军电子工程学院从事军用光学工程专业教学和科研工作，主要研究方向是激光技术和光电子技术。
引言
由菲涅耳反射定律可知当非偏振光束从光滑介质表面反射时，会产生部分偏振光。另外根据基尔霍夫理论，热辐射也表现出偏振效应。所以地球表面和大气中的任何目标，在反射和发射电磁辐射的过程中都会产生由他们自身性质和光学基本定律决定的偏振特性。不同物体或同一物体的不同状态（例如粗糙度、含水量、构成材料的理化特征等）会产生不同的偏振状态，且与波长有密切关系，形成偏振光谱。由于偏振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同辐射的被测物体可能有不同的偏振度，使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号，以成像方
偏振度非常小（＜1.5%），只有水体体现出较强的偏振特性，其偏振度一般在 8%～10%。而金属材料目标的红外偏振度相对较大，达到了 2%～7%，因此以金 63

偏振成像研究综述

偏振成像研究综述西安工业大学光电工程学院学生：刘彬彬指导老师：高明摘要：偏振成像技术是光学领域得一项新技术，国内外十分重视对该技术及其应用的研究。地球表面和大气中的目标在反射、散射、透射及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振。由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性，又由于偏振特性与物体的表面状态和固有属性密切相关，加上不同种类的目标具有不同的偏振特性，使得偏振成像逐步发展成地基、航空和卫星观测的新技术手段。在全球气候变迁研究，对地遥感探测和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标，从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振成像技术的研究进展，并结合国内外相关领域偏振成像实验研究结果，描述了偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域的应用基础研究情况，最后总结和展望了偏振成像技术的问题和发展趋势。关键字：偏振成像技术；特征偏振：遥感探测。 1 引言光波的信息量是非常丰富的。依据光波的电磁理论，光波包含的信息主要有：振幅（对应于光强），波长（频率），相位，偏振态。通常的光辐射成像是获取目标的光谱，辐射强度及空间状态等信息，用于反演目标性质参数。但是，从电磁波的横波性质来看，偏振或称极化也是电磁波的重要特征之一。偏振特性与物质性质密切相关，是遥感需要获取的主要信息参数。在光学波段，无论是可见还是红外谱段，不同目标都具有各自一定的偏振特性。偏振参数能够很好的表征被探测目标的性质特征。因此，人们将光学遥感与偏振测量技术相结合，促进了偏振成像技术的发展。传统的遥感方法获取的信息主要是电磁强度特征和几何特征,而偏振特性取决于其表面的固有属性，如其介质特征，结构特征，粗糙度，水分含量等，还与观察角度和辐照条件有关，正是由于偏振测量同非偏振测量（通常为光强测量）相比能获得与物质自身特性相关的偏振信息，所以，通过解析目标的偏振信息可以更加容易的识别目标，同时由于偏振测量所具有的上述优点，它在云和大气气溶胶的探测、地质勘探、海洋开发、农牧业发展和军事等相关领域都具有重要的应用价值。同时，传统偏振成像一般采用被动工作方式，具有隐蔽性好的优点，但成像效果和距离均受到气象条件、目标温度对比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技术克服了被动成像的缺点，在远距离暗目标探测和水下探测方面有着重要的应用。相对于被动成像而言，主动成像不依赖目标自身辐射(热成像)和目标对太阳或月亮等次光源的反射(可见光或近红外成像)，而是依靠仪器自身(激光雷达)发出激光作为照明光源，由被探测目标反射或散射光子来提取目标的信息。所以激光照明偏振成像技术不受气象条件、目标温度及背景照度

偏振光谱

第四章振动光谱Chapter Four Vibrate Spectroscopy

4.1、基本原理Principles 4.2、红外光谱Infrared spectroscopy 4.3、红外光谱实验技术Experiment Technique of IR

4.1 基本原理Principles 4.1.1 光谱学基础Spectroscopy 4.1.1.1 光谱Spectroscopy 4.1.1.2 光的波粒二象性Wave-particle duality 4.1.1.3 光的能量组成The Compose of light 4.1.1.4 分子的能量组成The Compose of Molecular energy 4.1.2 分子振动模型 The model of Molecular Vibration 4.1.2.1 双原子分子的弹簧模型 The Spring Model of diatomic molecule 4.1.2.2 基本振动的类型 The Type of Fundamental Vibration 4.1.2.3 红外吸收产生的必要条件

4.1 基本原理principles 4.1.1 光谱学基础Spectroscopy 4.1.1.1 Spectroscopy Spectroscopy 光谱研究光谱理论及其应用的光学学科分支 IR、UV-Vis、NMR、AAS…spectroscopy

4.1 基本原理principles 4.1.1 光谱学基础Spectroscopy 4.1.1.2 光的波粒二象性wave-particle duality 光是一种电磁波(electromagnetic wave)，同时具有粒子性，具有波粒二象性(wave-particle duality) 波动性可用波长(wavelength) （λ），频率(frequency)（ν）和波数(wavenumber)（σ）来描述。

偏振-成像-光谱整理

一、偏振探测原理在介质中传输的光，与介质发生相互作用后，其偏振状态的斯托克斯参数或琼斯矩阵会发生变化，改变的程度与介质的物理特性（如其介质特性、结构特征、粗糙度、水分含量、观察角、辐照度等条件）密切相关。利用光（主要为偏振光）来照射被测物质，经被测物与偏振光的相互作用后偏振光的偏振信息将按规律产生相应的变化，通过检测这种偏振信息的变化来实现测量该被测物的属性，是偏振探测的物理基础。偏振光的检测是偏振光的应用和偏振探测的一个重要问题，偏振光的检测主要包括偏振光的强度、相位、和取向三个参量的定性分析和定量测量，其基本方法是把上述三个参量的测量转化为光强的测量。二、偏振探测与雷达探测的对比在目标识别应用上,与主动雷达扫描方式不同,偏振成像设备体积小、功耗低,探测对象是物体主动发射或反射的电磁波中的偏振部分,便于自身隐蔽。三、偏振探测与传统成像的对比在传统的图像处理、分析过程中所使用的技术都是基于光的强度特征和波长特征所提供的信息,这使现有的图像处理、分析以及理解算法很复杂,并且只能对图像中目标的轮廓、类别等做一些初步的分析和理解[5];而偏振图像有其自己统一简单的算法[6],其结果在图像

目视效果方面明显。偏振探测的特点（相对于普通成像技术）： ①偏振探测有助于辨别具有不同质地的目标; ②偏振图像与光强度图像相比,对比度提高; ③偏振图像对置于在背景之上物体的边缘增强效果明显; ④偏振图像与波段有依赖关系; ⑤偏振度与物体表面粗糙度、观测角等依赖关系较四、多光谱技术物质的化学组成或结构的不同,导致它们的能带结构以及转动、振动能级不同,其结果使它们的发射光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱也会不同。因此,可通过探测空间光谱分布来探测物质及其在空间上的分布特性。这种技术称为多光谱技术,它建立在能带理论基础之上,其技术基础是光谱分辨和光谱探测技术。目前多光谱技术有两种不同的含义[1]:一是利用物体的发光或反射光特性,通过光谱分辨技术获取物体的特征光谱信息,来识别物体;二是利用光与物质的相互作用使光发生某种变化,并探测光的变化来获取物质的有关特征信息。后一种多光谱技术所探测的光的变化可能是光谱的变化,或是光强度、偏振等参量的变化。

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究光谱偏振成像技术是一种将光谱测量技术和偏振成像技术融为一体的新型光学探测技术,它不仅可以获得被测目标物体的光谱信息,还可以获得被测目标物体的图像信息和偏振信息,为目标物体的全方位准确识别提供了有力地保障。目前光谱偏振成像技术广泛应用于生物医学诊断、目标探测与识别、空间遥感、环境监测等领域。为了能够准确理解光谱偏振成像技术的工作原理以及研究新型的光谱偏振成像系统,本文依托于中波红外微型光谱测量系统、中波红外分孔径同时偏振成像系统对光谱偏振成像技术的光谱测量技术和偏振成像技术进行了研究。在此基础上,构建了中波红外光谱偏振成像系统。中波红外光谱偏振成像系统是在传统的迈克尔逊系统的基础上,通过引入偏振调制模块和多级阶梯微反射镜,实现了偏振信息的测量和干涉系统的静态化。与传统的傅里叶变换型成像光谱系统相比,此系统除了具有光通量大、多通道的优点外,还具有信息量大的优点。本论文的主要工作有以下三个部分:一、光谱测量技术研究:提出一种轻型的基于微光学元件的傅里叶变换光谱测量系统,并对系统进行了设计。改进了传统折衍混合单透镜光焦度的分配,得到了可应用于光谱测量系统的单片式准直系统。基于波像差理论和Sellmeier色散公式,分析了前置准直系统残存的像差以及折衍混合单透镜的衍射面的衍射效率对光谱复原的影响。分析了微光学元件的衍射对光谱复原的影响。与此同时,分析了微透镜阵列的像面和中继系统的物面的轴向装配误差对光谱复原的影响。最后借助光学分析软件ASAP对空间调制型的傅里叶变换红外光

谱测量系统进行了建模。二、偏振成像技术研究:结合孔径分割技术和偏振探测技术,提出并设计了一种静态的中波红外分孔径同时偏振成像系统。采用等权重方差的优化方法对系统各通道线偏振片的偏振轴方向以及波片的快轴方向进行了优化,并通过仿真论证了优化方法的正确性。基于分时偏振成像系统的傅里叶分析法和偏振测量结构的特点,提出一种误差标定和校准的新方法,并对标定理论进行了推导。对中波红外分孔径全偏振成像系统进行了装调、原理样机的集成和校准,并利用校准后的系统进行了偏振成像实验,观察到了明显的偏振现象。最后对获得的偏振图像进行了图像融合,融合后的图像相较于普通光强图像,图像的细节更加清晰,图像的信息量更大,为目标景物的准确识别提供了有力的保障。三、光谱偏振成像技术研究:提出了一种基于微型静态干涉系统的中波红外傅里变换型线偏振干涉成像系,完成了系统的参数计算。根据近轴光学理论,采用物镜像方远心和中继系统物方远心的设计方案,使物镜和中继系统很好的匹配,降低了能量损失。当入射光为非偏振光和线偏振光两种极端情况下,对系统的透过率进行了分析,进而对系统获取信息的能力进行评估。采用邦加球螺旋线的采样方式,分析了旋转偏振的旋转误差,入射光的偏振度、偏振态对偏振信息准确测量的影响,并给出了旋转公差容限,为实际的装配提供指导。

椭偏光谱原理和技术

椭偏光谱原理和技术本章通过介绍椭偏光谱的基本原理、光度型椭偏光谱仪以及椭偏光谱分析特点，给出了椭偏光谱技术在离子注入的辐照损伤以及材料光学性质研究中的应用和局限。利用椭偏光谱技术，结合其它分析手段并建立精细的分析模型，椭偏光谱技术能够从复杂的材料结构中，快速、精确和方便地测量并分析各层结构的厚度、成份、气孔率和光学常数。椭偏光谱技术将在材料的光学性质研究和离子注入的辐照损伤研究等方面发挥积极的作用。 §3.1 引言椭偏术（Ellipsometry）起源于一百多年前，它是一种用来研究媒质界面或薄膜特性的光学方法[1-2]。其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振态的改变来研究表面薄膜厚度、光学常数、膜性质和结构以及基体光学性质和结构等。早期的椭偏术多半采用消光方式，它的结构简单，已被沿用了上百年。这种方式在实验中需要使用一个1/4波片，这限制了工作波长范围，因此难以被用于材料的光谱学研究。此外，测量过程多半靠手动完成，比较费时。为了克服这些缺点，实现研究材料的光学特性随光子能量变化的关系，人们对实验方法进行了改进，考虑省去1/4波片，而采用光度型的椭偏检测方法[3]。在实验中，固定起偏器方位角，同时连续旋转检偏器。因此，只要读取不同检偏方位角的光信号强度，就能通过计算分析得到完整的椭偏参数。但由于实验中涉及到大量的数据处理和繁复的三角函数计算，为获得一条谱线所消耗在测量操作和计算上的时间太多使得这种有用的方法在很长一段时间没有得到广泛的应用。计算机（尤其是PC机）的出现和计算技术的不断提高给这种方法注入了新的活力，并得到了迅速的发展。目前，随着计算机制造业的迅猛发展，超大型集成电路对芯片不断提高质量和扩大用途的要求，促进了椭偏仪制造业和SE技术的发展。以90年代初至今为例，美国的椭偏仪生产厂家已