基于中继平行光路和入射角校正的宽视场高精度全斯托克斯偏振光谱成像技术

《Optics & Laser Technology》：Wide-field-of-view, high-precision full-stokes polarization spectral imaging based on relay parallel optical path and incident angle correction

　　•提出了一种基于对称物方远心光路的全斯托克斯偏振光谱成像仪。•设计了一种1:1远心中继结构，以确保不同视场下入射角度的一致性。•建立了一种双角度误差校正模型，用于处理像素位置、入射角度、中心波长与相位延迟之间的耦合关系。•在425–700纳米波段进行的原理验证实验表明，较小的入射角度变化就会显著影响测量精度。•通过材料识别、应力检测以及真伪鉴别等实验，验证了该系统的有效性。

引言
高精度偏振光谱成像技术在遥感检测、生物医学诊断以及工业检测等领域具有广阔的应用前景。在基于卫星的地球观测任务中，通过获取地面物体的完整斯托克斯参数（S0、S1、S2、S3）及其光谱分布，能够有效识别气溶胶类型、反演植被覆盖度，并监测水污染状况，为全球气候变化以及资源和环境监测提供关键数据支持[1]、[2]、[3]、[4]。随着遥感应用要求的不断深入，对大视场覆盖范围与高精度偏振测量的双重需求愈发突出。宽幅成像可以缩短重访周期并提高观测效率，而高精度测量则直接影响反演结果的精确度。

现有的偏振成像系统根据测量原理主要分为焦平面分割型、振幅分割型、孔径分割型以及时分型[5]、[6]、[7]。然而，同时实现大视场和高精度往往具有较大挑战。大多数高精度偏振测量方法（如旋转波片法）都基于光线垂直入射到偏振调制元件的基本假设[8]、[9]。在实际成像场景中，视场边缘的光线不可避免地会以较大角度斜射到波片等核心组件上；即便在理论上为垂直入射的情况，如果目标表面存在曲率差异或观测平台发生姿态变化，实际入射角度也会偏离理想的垂直入射状态。现有研究表明，斜入射光会导致波片相位延迟发生非线性变化，从而在斯托克斯参数的重建过程中引入系统性偏差，严重影响偏振测量的精度[10]、[11]、[12]。传统的偏振成像系统会将透镜发出的大角度光束直接投射到偏振调制单元上，不同视场下的偏振误差呈现出复杂的空间分布，难以实现系统化且高精度的校正，这限制了它们在需要大视场高精度观测场景中的应用。

为了解决斜入射导致的偏振误差，现有的偏振光谱成像系统主要采用了三种技术途径。第一种方法是基于被动校准或主动补偿的大视场偏振成像系统。JPL的AirMSPI采用双光弹性调制器以及基于云台的结构光扫频技术来实现多角度线性偏振测量，但系统复杂性较高[13]。中国科学院安徽光学精密机械研究所研发的DPC则利用自然场景进行在轨替换校准，但其精度会受到场景条件以及辐射传输模型误差的限制[14]。ZIMPOL则采用铁电液晶调制技术实现高精度线性偏振测量，但其视场范围受到极大限制[15]。这类系统通常不具备圆偏振（S3）测量功能。基于超表面的解决方案，如基于介电纳米柱的全角度全斯托克斯偏振计、对称变换金属透镜、利用液晶光学元件实现快速偏振调控的技术、具有自旋控制功能的等离子体超表面用于全偏振生成，以及用于宽视场激光雷达的像差金属透镜，都在偏振控制和大角度成像方面取得了进展[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这些系统可实现±40°的偏振测量角度、102°的视场范围以及899赫兹的调制速度。不过，由于纳米结构几何形状的限制，它们的角度响应能力较差，在斜入射条件下偏振控制精度和效率都会下降，同时制造成本也较高。因此，尽管现有的宽视场偏振计能够扩大视场范围，但视场角度仍由特定的光学结构决定。第二种方法是在HARP2以及双沃拉斯顿棱镜光谱偏振计之类的远心系统中采用事后误差校正技术。虽然图像侧的远心设计有助于提升图像均匀性以及光瞳匹配度，但无法保证不同视场下入射到偏振调制元件上的光束在角度上保持一致[21]、[22]。第三种方法是角度校正型旋转波片法。目前大多数研究都集中在对波片快轴方位误差、相位延迟误差以及偏振片透光轴误差的建模上[23]、[24]、[25]、[26]。这些模型均基于垂直入射的假设，无法针对视场边缘处斜入射情况下的非线性相位延迟变化建立通用的校正方法。我们团队（华北大学）长期从事偏振测量研究，已经开发出了基于双液晶和声光可调滤波器的宽带光谱偏振计，以及基于双光弹性调制的斯托克斯偏振计[27]、[28]。但这些系统的结构固定，无法适应不同的观测场景，也无法有效解决宽视场条件下的角度相关偏振误差问题。表1列出了上述代表性系统的关键技术参数，以便进行定量比较。

总之，目前针对大视场、高精度、多波长偏振测量的研究还远远不够。本文提出了一种全斯托克斯偏振光谱成像仪，其视场范围可由透镜和探测器共同决定，具备灵活扩展的能力；该成像仪采用对称的物方远心中继光学系统，将不同视场下散射出的大角度光束转换为角度一致的平行光束，从源头减小视场边缘的入射角度，从而为误差校正提供理想的光学条件。结合偏振调制单元以及考虑入射角度和光谱中心波长二维耦合关系的误差校正模型，该模型全面考量了晶体双折射色散、角度耦合效应以及像素级的空间分布特征，能够在整个视场范围内实现对偏振测量误差的统一校正，从而有效实现大视场与高精度的协同。

章节摘录
基于旋转波片法的偏振测量中与角度相关的误差校正原理
全斯托克斯偏振光谱成像系统主要由前置光学系统、偏振调制单元、光谱选择模块、中继光学系统以及成像单元组成。其中，中继光学系统围绕光圈光阑采用对称的物方远心双透镜组结构，包括准直透镜组和成像透镜组。准直透镜组负责将商用透镜产生的杂散入射光转换为……

斜入射波片的误差仿真与校正分析
光束斜入射到波片上所引入的Δδ值会直接影响斯托克斯参数的反演精度。因此，定量分析波片相位延迟δ随入射角度α和β的变化规律，对于校正系统误差至关重要。以石英晶体的λ/4波片为例，本文取波长λ0=660纳米。基于斜入射条件下的相位延迟-入射角度误差校正理论……

中继光学系统的设计
为提升图像质量与均匀性，自行设计的中继光学系统采用了对称的物方远心透镜结构。两套焦距均为43.63毫米的透镜组，分别包含准直透镜组和成像透镜组，对称地分布在光圈光阑两侧，有效消除了横向色差，同时也简化了组装流程。在中间准直部分还放置了λ/4波片、偏振片以及滤光片……

实物对象的偏振光谱成像测量结果
图16展示了八种典型场景下的偏振成像测量结果，包括以磨砂玻璃作为90°角背景偏振片的室内场景、90°角偏振片加45°角λ/4波片的场景、金属、塑料和揉皱的纸张、真叶与假叶、挤出丙烯酸板、纹理不清晰的叶片、真病叶与假病叶，以及室外建筑物。从左至右依次为：强度参数S0、线性偏振度DOLP、圆偏振度DOCP、角度……

讨论与结论
为了解决偏振成像系统中由于斜入射光束导致的相位延迟误差以及中心波长偏移问题而引起的视场边缘测量精度下降的问题，本文提出了一种基于远心光学原理及误差校正的全斯托克斯偏振光谱成像仪。现有的研究大多局限于单一设备的校正或事后处理校正，缺乏对斜入射条件下各种误差源的联合建模分析与系统化校正……

作者贡献声明
孔全辉：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据整理。张睿：撰写——审阅与编辑、资源获取、项目管理、资金申请、概念构思。薛鹏：可视化、软件、项目管理、正式分析。王志斌：项目管理、方法论、调查研究。荆宁：撰写——审阅与编辑、监督工作。吴志旭：调查研究、数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金项目（编号62105302）的支持。

孔全辉|张睿|薛鹏|王志斌|荆宁|吴志旭