光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置和方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置和方法。


背景技术：

2.基于物体的相干特性与偏振特性，人们可以显著提升对目标进行探测与辨识的能力，扩展信息维度。然而，部分相干偏振成像测量作为一种新兴技术，人们仍然在对其进行不断探索。现有的部分相干光成像方法通常借助互强度原理，利用范西特泽尼克定理得到物体表面的互强度表达式，或直接将激光的高相干性打散照射在物体上。常用的偏振测量方法有分时型和分振幅型。分时型测量法是将偏振片旋转到固定角度的同时，探测器获取到入射光通过偏振片的四幅强度图像，然后分别计算每个像素点上的斯托克斯偏振参量，进而计算每个像素点上的偏振度和偏振角，从而得到目标物体的偏振度图像和偏振角图像，该测量方法操作简单，光学系统简单，成本低，但不适用于动态目标；分振幅型测量法利用四输出分光棱镜进行分光，以获得四束入射光从不同的表面入射进入偏振分析仪，分别对光束进行不同的偏振调制并送入到四个不同的光电探测器，从而获得不同偏振方向的四幅强度图像，进而根据偏振度和偏振角的公式计算得到偏振特性图像，该测量方法所采用的光学系统结构复杂，能量利用率低，成本高。如“基于达曼光栅的全光场斯托克斯参数测量装置和方法”(专利申请号：202211476306.5)，该专利提出利用达曼光栅将相干性很强的激光均匀分为四束相同的光束，使这四束光束分别通过不同的波片调制后，再经过线偏振片由相机同时采集四束光束的光强信息，根据相机采集的信息最终获得斯托克斯参数。该方法可实时测量，但对四束光束同时调制的波片和光路要求很高，且只考虑了相干性很强的激光光源，未考虑部分相干光和非相干光系统。近年来，人们将部分相干光成像技术和偏振测量技术相结合，寻求构建部分相干偏振成像测量系统，所以迫切需要一个部分相干成像系统的斯托克斯参数测量方法。


技术实现要素：

3.本发明为克服现有技术存在的偏振和相干未能在同一系统结合起来研究、不能既做到既提高成像系统的分辨率又提高系统的抗干扰性的问题，提供一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置和方法，该测量系统简单，易搭建。
4.为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置，包括光源、四分之一波片和相机，其特征在于：所述光源为非相干光源，四分之一波片有两个，分别是第一四分之一波片和第二四分之一波片，所述相机为cmos相机；在非相干光源的出射光路上设置有部分相干光照明光栅的偏振系统，其包括顺序设置的扩束准直器、滤波片、第一线偏振片、第一四分之一波片、孔径光阑、光栅物体、成像透镜、第二四分之一波片和第二线偏振片和cmos相机。
5.一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量方法，其特征在于：光栅选取已
知频率的正弦振幅光栅，具体包括以下步骤：
6.步骤一：根据公式计算出部分相干光照明光栅的偏振系统测量所需参数，按照计算结果搭建实验平台
[0007][0008]
步骤二：改变第二线偏振片和第二四分之一波片，调制六种不同偏振光，所述六种偏振态为与水平夹角为0
°
、90
°
、45
°
和135
°
的四种线偏振光以及加入第二四分之一波片后的左旋圆偏振及右旋圆偏振两种圆偏振光，并利用相机记录斯托克斯参数图像；
[0009]
步骤三：根据公式(2)对六幅图做运算，得到所需的部分相干光照明光栅下的斯托克斯图像
[0010][0011]
与现有技术相比，本发明的优点是：
[0012]
1、本发明提供的光偏振态斯托克斯参数的测量方法结合部分相干光成像，考虑了相干性对成像系统的影响，通过光调制法调制并测量其光强度，根据测量的光强度计算描述光偏振态的斯托克斯参数。
[0013]
2、本发明所提供的一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置，通过引入部分相干光成像系统，并对该系统的偏振特性进行测量，该装置结构结构简单，操作简便，使用成本低。
[0014]
3、本发明提供的测量装置及其测量方法中，结合了部分相干光成像与偏振成像，不但扩展了信息维度，且考虑到了光源的相干特性对成像系统的影响，成像系统分辨率得到提高，因为相干性的变化直接影响成像系统的分辨率，成像系统对环境要求降低，因为偏振系统是从四个维度获取信息，较之传统成像抗干扰能力更强，所以可扩大已确定系统的视场角，能量利用率高。
附图说明
[0015]
图1部分相干光照明光栅的偏振成像系统斯托克斯参数测量示意图；
[0016]
图2为本发明在实例中参数σ＝1，t(f
x0
)＝0.8测量斯托克斯强度图；
[0017]
图3为本发明在实例中参数σ＝1，t(f
x0
)＝0.8斯托克斯一维强度图；
[0018]
图4为本发明在实例中参数σ＝1，t(f
x0
)＝0.8斯托克斯频谱图；
[0019]
图中：1—非相干光源；2—扩束准直器；3—滤波片；4—第一线偏振片；5—第一四分之一波片；6—孔径光阑；7—光栅物体；8—成像透镜；9—第二四分之一波片；10—第二线偏振片；11—cmos相机。
具体实施方式
[0020]
下面结合附图以及实例对本发明进一步详细介绍。
[0021]
参见图1，本发明提供的一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置，包括非相干光源1，在非相干光源1的出射光路上设置有部分相干光照明光栅的偏振系统，其包括顺序设置的扩束准直器2、滤波片3、第一线偏振片4、第一四分之一波片5、孔径光阑6、光栅物体7、成像透镜8、第二四分之一波片9和第二线偏振片10和cmos相机11。部分相干光照明光栅的偏振系统包括部分相干光起偏光路、检偏光路和传递光路，所述部分相干光起偏光路包括非相干光源1、滤波片3、扩束准直器2、第一偏振片4和第一四分之一波片，传递光路包括孔径光阑、光栅物体7和成像透镜8，检偏光路有第二四分之一波片9、第二线偏振片10和cmos相机。
[0022]
在该系统的基础上，本发明提供的一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量方法，具体操作步骤为：
[0023]
步骤一：根据公式(1)计算出部分相干光照明光栅的偏振系统测量所需参数，按照计算结果搭建实验平台
[0024][0025]
公式(1)中的nao和nai分别指照明系统的数值孔径和成像系统的数值孔径，α0是物镜的半径，β0是扩展光源半径，zo是光源和光栅的距离，zi是物镜到像面的距离；
[0026]
步骤二：改变第二线偏振片10和第二四分之一波片9，调制六种不同偏振光，所述六种偏振态为与水平夹角为0
°
、90
°
、45
°
和135
°
的四种线偏振光以及加入第二四分之一波片9后的左旋圆偏振及右旋圆偏振两种圆偏振光，并利用相机记录斯托克斯参数图像；
[0027]
步骤三：根据公式(2)对六幅图做运算，得到所需的部分相干光照明光栅下的斯托克斯图像。
[0028][0029]
上述步骤中，具体包括以下的处理过程：
[0030]
(1)部分相干光调制
[0031]
测量中通过控制光源尺寸β0、物镜到像的距离zi、出瞳尺寸α0和光源与物平面距离zo这四个参数调节系统的相干性。实施例中选用光栅的频率为对其归一化处理即
[0032][0033]
(2)出射光的调制
[0034]
非相干光源1的入射光通过滤波片3变为单色光，单色光通过第一偏振片4后的入射光再照射到特定频率的光栅物体7的条纹上，对每个不同相干性的情况调制，改变第二线偏振片10，与水平夹角为0
°
、90
°
、45
°
、135
°
的四种线偏振光和加入四分之一波片后的左旋圆偏振及右旋圆偏振两种圆偏振光，测六种偏振状态。
[0035]
(3)接收处理
[0036]
用cmos相机11对出射光进行接收，调整好相机位置，使之得到六幅清晰的图像。每一个相干性系统下的光栅测一组(2)中调制得到的六幅光强图，然后按照(1)改变系统相干
性，继续上述测量步骤。
[0037]
(4)计算斯托克斯参数
[0038]
计算偏振成像系统在每一个相干性系统下的光栅条纹下得到的s0、s1、s2、s3四个斯托克斯参数。
[0039]
(5)计算频谱信息
[0040]
对步骤(4)获得的结果傅里叶变换即可得到对应相干性下的光栅斯托克斯频谱信息。
[0041]
实施例：
[0042]
如图2至图4所示，本发明提供一种基于光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置，该测量装置包括部分相干光起偏光路、检偏光路和传递光路。非相干光源1选用thorlabs的光纤耦合光源，仪器采用150w功率，色温为3200k的卤素灯泡，所产生的波长范围是400nm-1600nm，；滤波片3选用633nm，光栅物体7选用50线/mm的正弦振幅光栅。测量时，非相干光源1通过扩束准直器2得到方向性好的大尺寸光束，经过第一线偏振片4和第一四分之一波片5组合调制光场的偏振态后，再通过可调节光阑6调控照射在光栅物体7上的光斑大小，利用偏振相干统一理论可求得光栅物体被照射表面的斯托克斯互强度，通过距光栅物体一倍焦距处成像透镜8后由cmos相机11接收斯托克斯强度信息。
[0043]
参数σ＝1，测量斯托克斯强度图如图2所示，可以看到(a)为与水平夹角为0
°
的线偏振光强度图、(b)为与水平夹角为90
°
的线偏振光强度图、(c)为与水平夹角为45
°
的线偏振光强度图、(d)为与水平夹角为135
°
的线偏振光强度图、(e)为左旋圆偏振光强度图，(d)为右旋圆偏振光强度图；参见图3，可以看到光栅像面处归一化后的斯托克斯一维强度结果，呈现周期变化，四个维度上对比度明显不同，即四幅图像凸显信息不同，为清楚这些信息是有哪些频谱分量所记录的，对图3做傅里叶变换结果可参见图4，可以看到此时光栅像的信息是由直流分量和一次谐波分量所记录的。
[0044]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置，包括光源、四分之一波片和相机，其特征在于：所述光源为非相干光源(1)，四分之一波片有两个，分别是第一四分之一波片(5)和第二四分之一波片(9)，所述相机为cmos相机(11)；在非相干光源(1)的出射光路上设置有部分相干光照明光栅的偏振系统，其包括顺序设置的扩束准直器(2)、滤波片(3)、第一线偏振片(4)、第一四分之一波片(5)、孔径光阑(6)、光栅物体(7)、成像透镜(8)、第二四分之一波片(9)和第二线偏振片(10)和cmos相机(11)。2.根据权利要求1所述的一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量方法，其特征在于：光栅选取已知频率的正弦振幅光栅，具体包括以下步骤：步骤一：根据公式(1)计算出部分相干光照明光栅的偏振系统测量所需参数，按照计算结果搭建实验平台步骤二：改变第二线偏振片(10)和第二四分之一波片(9)，调制六种不同偏振光，所述六种偏振态为与水平夹角为0
°
、90
°
、45
°
和135
°
的四种线偏振光以及加入第二四分之一波片(9)后的左旋圆偏振及右旋圆偏振两种圆偏振光，并利用相机记录斯托克斯参数图像；步骤三：根据公式(2)对六幅图做运算，得到所需的部分相干光照明光栅下的斯托克斯图像

技术总结
本发明涉及一种光栅部分相干成像系统的斯托克斯参数测量装置和方法，本发明根据测量光栅部分相干成像系统中的光强度计算描述光偏振态的斯托克斯参数，该测量装置包括部分相干光起偏光路、检偏光路和传递光路；起偏光路包括非相干光源、滤波片、扩束准直器、四分之一波片和线偏振片，传递光路包括孔径光阑、光栅物体和透镜，检偏光路有四分之一波片、线偏振片和CMOS相机。本发明装置结构简单，操作简便，设备成本低，本发明方法不但扩展了信息维度，且成像系统分辨率得到提高，成像系统对环境要求降低，可扩大已确定系统的视场角，能量利用率高。率高。率高。


技术研发人员：胡小英 刘卫国 李昊 孙雪平 刘爽 景心怡 王炜
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/23