快速、高精度获取目标“光学指纹”的新方法

封面文章|刘杰, 李建欣, 柏财勋, 许逸轩, 钱佳敏, 王宇博. 傅里叶变换高光谱Mueller矩阵成像理论与方法[J]. 光学学报, 2020, 40(7):0711004.

光谱信息和偏振信息是反映目标介质材料组成和表面结构的重要光学参量，它们被誉为目标介质的“光学指纹”。

高光谱Mueller矩阵成像技术将目标介质的光谱信息、偏振信息、二维空间信息的探测技术融合于一体，以纳米级光谱分辨率获取目标介质每个空间位置上的16个Mueller矩阵元素，对目标介质的多维物理化学特性进行精确刻画和规律发现，是光学探测技术一次新的飞跃，在生物医学、工业分选、食品安全等领域具有重要意义和应用价值。

南京理工大学李建欣教授课题组提出了一种新型的高光谱Mueller矩阵成像理论和技术，采用“高通量双折射剪切干涉”、“快速宽波段液晶偏振调制”、“十六倍率采样成像”的方法，建立了一种快速、高精度、高分辨率、高信噪比的多波段Mueller矩阵图像的一体化获取模型和系统（如图1所示），并解决了干涉成像和偏振调制的机理模型、新型双折射剪切器的优化设计、液晶偏振态发生器和分析器的宽波段优化设计，以及高维复合信息的复原等关键问题。

图1 高光谱Mueller矩阵成像系统示意图.

课题组首先研究一种了由剪切板SP和补偿板CP构成的两片式新型双折射剪切器。通过对像面上光程差的分布进行分析推导，设计了剪切板和补偿板的光学参数，将双折射剪切器的横向视场非线性光程差抑制在λ/2以内，使成像系统的光谱分辨率在600~1000 nm谱段范围内达到3.0~8.7 nm。

为了实现快速宽波段偏振调制，采用两片铁电液晶FLC、一片半波片、一片λ/4波片和一片偏振片的结构形式，构建了偏振态发生器PSG和偏振态分析器PSA（如图2所示）。为了优化偏振成像的宽波段性能，减少系统噪声对Mueller矩阵成像结果的影响，利用Mueller矩阵的矩阵条件数理论和遗传优化算法，对PSA和PSG中相位延迟件的快轴角度进行了优化设计。

图2 高光谱Mueller矩阵成像实验装置

在新型剪切干涉和偏振调制原理研究的支撑下，该课题组开展了实验装置的关键单元技术和系统集成研究，搭建了高光谱Mueller矩阵成像系统。

通过光谱和Mueller偏振信息的一体化成像实验结果（图3和图4所示），验证了新型干涉成像和宽波段偏振调制的机理，以及高维复合信息的复原理论与算法。该课题组的研究工作为目标介质的光谱偏振融合成像探测提供了一种新的研究思路及技术途径。

图3 高光谱图像

图4 750nm波长处的Mueller矩阵图像

延伸阅读：

[1] 余达; 刘金国; 何昕; 等. 基于电子倍增的超光谱成像链模型的系统信噪比分析[J]. 光学学报,2018,38(11): 1104002.

[2] 刘世界; 李春来; 徐睿; 等. 电子式多狭缝组合编码高光谱成像系统[J]. 光学学报,2020,40(1): 0111026.

[3] 冯蕾;周锦松;魏立冬;等. 基于曲面棱镜双通道高光谱成像系统设计[J]. 光学学报, 2019,39(5):0511002.

[4] 刘立新;李梦珠;赵志刚;等. 高光谱成像技术在生物医学中的应用进展[J]. 中国激光, 2018,45(2): 0207017.

[5] 袁恒;柏财勋;许逸轩;等. 快速高精度Fourier—Mellin变换图像配准方法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(8): 083001.