紧凑型凝视式光谱偏振成像系统

《Optics & Laser Technology》：Compact staring-type spectro-polarimetric imaging system

本文提出了一种紧凑型staring-type光谱偏振成像系统，通过将线性变量滤光片与分光面微偏振器阵列紧密堆叠，实现了430-830 nm波段空间、光谱及线偏振参数（S0、S1、S2）同步获取。系统采用推扫式扫描机制和专用去马赛克算法，有效空间分辨率为3372×2048，整体尺寸13×11×10.5 cm，配备嵌入式主控板支持离线运行，光谱误差均方根低于10%，并验证了多维度信息在复杂背景目标揭示、表面纹理增强和反射抑制中的优势。

　　

赵玉波|詹杰|张泽源|袁年增|吴一通|吕浩|余涛

中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，中国西安710119

摘要

本文介绍了一种紧凑型固定式光谱偏振成像（CSSPI）系统。通过将线性可变滤光片与焦平面分割微偏振器阵列紧密堆叠在高度集成的光学架构中，CSSPI能够在大约430–830纳米的可见光-近红外范围内同时获取空间、光谱和线性偏振信息，从而得到线性斯托克斯参数$S_0$$S_1$$S_2$。得益于内置的推扫扫描机制、专用的去马赛克策略以及定制设计的像空间远心镜头，该系统实现了3372 × 2048的有效空间分辨率。整个系统体积小巧，尺寸为13 × 11 × 10.5厘米，并集成了嵌入式主板，仅靠电源即可独立运行。光谱精度评估显示，在整个光谱范围内的平均均方根误差低于10%；偏振实验表现出非常高的线性偏振测量精度和稳定性。实验结果进一步验证了光谱和偏振信息的联合使用显著提高了场景的可解释性和目标区分能力，特别是在复杂背景下的目标识别、表面纹理增强和反射抑制等任务中。与许多依赖复杂调制或计算密集型重建方案的现有光谱偏振成像系统不同，所提出的系统采用了经典的光学驱动设计，具有紧凑、稳健且易于部署的特点，为材料表征、复杂场景分析和环境监测等实际应用中的光谱偏振成像提供了实用且可扩展的途径。

引言

近年来，光谱偏振成像（SPI）在水下探测、精密测量、生物医学分析和材料外观检测等领域展现了显著的优势[1]、[2]。通过同时捕获目标的光谱和偏振特性，SPI在材料区分、界面散射分析和弱目标检测等方面优于传统成像方式，因此吸引了持续的研究兴趣[3]、[4]。

实现此类多维测量的技术方法大致可分为两类。第一类采用基于级联调制元件的光学实现方式，即在成像光学链中串联或级联光谱和偏振调制组件——例如将液晶可调滤光片与液晶可变延迟器结合，或将偏振器放置在成像光谱仪前——以物理选择和编码波长带和偏振状态[5]、[6]。这种方法具有清晰的物理链路和直观的成像模型，但通常会导致系统体积增大、光通量减少，并需要精确的同步控制。这些限制使得难以满足实际应用中对紧凑性和易部署性的日益增长的需求。

第二类属于计算成像/压缩感知范式[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。它利用编码光圈或其他光学调制器在单次或多次曝光中获取编码的二维投影，然后通过严格的数学模型和重建算法恢复三维或四维数据立方体（典型示例包括编码光圈快照光谱成像仪及其衍生技术）。这种方法通过编码测量和数学反演实现维度展开，具有高信息获取效率和显著的数据压缩优势。

然而，这也涉及显著的工程和性能权衡：例如，复杂的系统校准和重建算法开销；微表面或微光学组件的制造显著增加了工艺难度和制造成本；数字微镜器件（DMD）等调制器通常会引入多次反射和离轴光路，导致对准复杂、体积增大和功耗增加；快照操作往往以牺牲空间分辨率或信噪比为代价；光圈共享策略引入了子图像配准和几何畸变补偿的额外负担；为了提高光谱分辨率和信噪比而进行的级联会进一步降低系统通量；此外，大多数系统的可用光谱范围主要局限于可见光区域，材料和效率方面的挑战阻碍了向近红外区域的扩展。因此，许多现有SPI系统在实现高维度的同时，牺牲了系统的复杂性、稳定性或空间保真度，这限制了它们在实验室环境之外的实用性。

鉴于这些权衡，本研究提出了一种紧凑型固定式光谱偏振成像（CSSPI）系统，该系统将焦平面分割（DoFP）微偏振器阵列与线性可变滤光片（LVF）集成在一起，以实现空间复用的偏振获取和空间-波长映射。系统内置了推扫机制，在固定观察条件下通过轻微的图像平面位移连续获取光谱维度信息，从而能够集成获取四维（4D）数据立方体。为了同时确保光谱和偏振的准确性，光学路径采用了像空间远心设计，有效抑制了光谱漂移和视场扩展时的光谱展宽，并确保微偏振器阵列像素上的入射接近垂直，以避免偏振轴偏差和消光比下降。系统覆盖了430至830纳米的可见光到近红外波段，输出线性斯托克斯参数$S_0$$S_1$$S_2$，并通过去马赛克算法实现约7 MP的有效全分辨率空间输出。

得益于其同轴光学布局和堆叠架构，所提出的系统具有简化后的光学结构、易于对准、不依赖复杂重建算法以及最小的累积偏振扰动。这些特性直接解决了多维成像能力与实际系统部署能力之间的差距，使CSSPI成为实际光谱偏振成像任务的稳健解决方案。

系统设计

为了实现紧凑、稳定和高保真的光谱偏振成像，所提出的CSSPI系统遵循一种集成的、光学驱动的工作流程（图1），将硬件配置与数据采集和处理策略紧密结合。整个系统由四个关键功能模块组成：（i）集成线性可变滤光片（LVF）和焦平面分割（DoFP）偏振传感器的堆叠光谱偏振成像单元；（ii）内置的精密

光谱精度

为了评估所开发CSSPI系统的光谱精度，使用ATP1030光纤光谱仪（Optosky Optoelectronics Co., Ltd., Xiamen, China）作为参考仪器，并在标准色卡上进行了对比测量。实验过程中，色卡置于自开发的均匀穹顶光源下，该光源提供了400至1000纳米的连续光谱覆盖，从而最小化了空间照明的影响

讨论与结论

本研究提出并实现了一种紧凑型固定式光谱偏振成像（CSSPI）系统。通过将线性可变滤光片与焦平面分割微偏振器阵列紧密堆叠，该系统能够在高度集成的光学架构中同时获取空间、光谱和偏振信息。CSSPI覆盖了大约430–830纳米的可见光-近红外光谱范围，并输出线性斯托克斯参数$S_0$$S_1$$S_2$。对于这一

CRediT作者贡献声明

赵玉波：撰写——原始草稿、方法论、数据整理、概念化。詹杰：撰写——审阅与编辑、软件。张泽源：形式分析。袁年增：资源提供。吴一通：验证。吕浩：资金获取。余涛：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了自然资源元素耦合过程与效应重点实验室开放基金会（编号2025261）、西安光学精密机械研究所自主部署项目（S24-030-III）、空军医科大学合作与交流项目（2024HB018）、国家国防科技创新特区项目（2020-XXX-014-01）以及中国科学院的支持