一种全stokes偏振矢量的测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及一种偏振矢量的测量装置，尤其是涉及一种全stokes偏振矢量的测量装置及测量方法。


背景技术：

2.与强度、光谱、相位等光信息一样，偏振信息同样是独立存在的重要的光信息。实现全stokes偏振矢量的测量，能够得到光源的方向信息或者各种材料的光学延迟和旋光性能，实现反射表面的形状和纹理分析。偏振成像方法作为在较大空间区域测量光的偏振状态的有效方法，在遥感探测、工业检测和生物传感等领域都有广泛应用。目前，偏振成像测量技术可分为三类：分振幅、分孔径和分焦平面。所有这些测量技术都是基于测量不同极化基的强度，并利用它们来估计整个或部分stokes矢量。
3.分振幅偏振成像测量系统与被测光源相对固定，虽然能够消除系统环境稳定性带来的误差，但整体结构复杂，体积大，重量重；多个探测器之间必须实现像素和强度匹配，且多个分光元件会引入偏振测量误差。而分孔径偏振成像测量系统将成像探测器分割成几个区域分别成像，牺牲了空间分辨率，不同通道之间的透过率、孔径、放大倍率和像素匹配等因素要求严格，设计和装调的难度很大。与其他两类偏振成像系统相比，分焦平面偏振测量相机更便宜、更紧凑，对光学的要求也更低。此外，由于在偏振敏感图像传感器的制造过程中自动实现了配准，因此它们在配准不同偏振的图像时所需的工作要少得多。微/纳米制造技术的进步提高了偏振测量相机的质量，降低了其制造成本，使其能够商业化，但目前的分焦平面偏振成像探测器不能够实现圆偏振光探测，进而限制了全部偏振状态的全stokes偏振矢量的测量。近年发展的基于全介质超表面的光学元件，具有集成度高、光谱范围宽、对入射光损耗低和损伤阈值大等优点，并且全介质超表面具有突出的控制偏振角度和相位的控制能力，不需要传统偏振元件偏振滤波，在全偏振成像探测领域展现出极大的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种空间分辨高，采集速度快且重量轻，能够实现圆偏振光探测的全stokes偏振矢量的测量装置及测量方法。
5.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案之一为：一种全stokes偏振矢量的测量装置，包括成像镜头和成像探测器，所述的成像镜头将待测光线投射到所述的成像探测器上，所述的成像探测器包括面阵列探测器，所述的面阵列探测器的接收面上设置有由多个成像子单元组成的成像像元，所述的成像像元上覆盖有基板，所述的基板由通光光谱宽度大于等于所述的成像探测器光谱宽度的材料制成，所述的基板的外表面设置有多个基于全介质超表面的偏振测量单元，所述的偏振测量单元由3对共6个偏振测量子单元组成，分别用于完成(i0°
,i
90
°
)、(i
45
°
,i
135
°
)和(ir,i
l
)3对正交偏振分量的转换分离和聚焦，所述的偏振测量子单元与所述的成像子单元一一对应。
6.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过微/纳米制造技术将基于介质超表面的
偏振探测单元设置在成像像元表面，在三对不同的偏振子单元将待测光源分离，再将含有不同信息量的部分光源聚集到单个成像子单元上，每个测量通道获得的是包含待测光源stokes矢量的图像，能够实现(0
°
，90
°
)、(45
°
，135
°
)和(右旋，左旋)三对不同偏振分量分离和聚焦的测量，同时实现线偏振光和圆偏振光的成像测量；且装置的重量轻，测量的分辨率高，由于是大孔径成像测量，具有偏振信息测量速度快，实时测量的优点。
7.进一步的，所述的偏振测量子单元由多个超表面纳米柱组成。超表面为超薄微纳光学结构，在宽光谱通光范围的材料制成的基板上刻蚀纳米柱，结合成像技术，不需要其他光学元件来实现偏振调制或滤波，能够保证较高的成像空间分辨率和光通量，具有与成像像元良好的兼容，实现待测光源的全stokes矢量的完整测量。
8.所述的偏振测量子单元的超表面纳米柱的数量、几何形状、几何尺寸和面内旋转角度由jones矩阵得到。
9.优选地，所述的基板的材料是石英或氟化钙，所述的基板的厚度为1mm，且双面抛光。使用石英或氟化钙制备基板，具有光谱范围宽，加工成本低等优点。
10.进一步的，所述的面阵列探测器设置有探测器转接环，所述的探测器转接环将所述的基板压紧固定在所述的成像像元上并用于将所述的成像镜头与所述的成像探测器固定连接。
11.优选地，所述的偏振测量子单元是由以下方法加工制备的：(1)在基板材料上沉积500-1000nm厚的α-si层；(2)在α-si层上旋涂和固化光刻胶层；(3)在光刻胶层上电子束光刻超表面纳米柱结构图形化；(4)采用抗刻蚀剂对超表面纳米柱结构图形进行显影；(5)采用电感耦合等离子体刻蚀纳米柱单元，根据刻蚀时间调整刻蚀深度，实现纳米柱单元厚度控制；(6)采用氧等离子体清洗光刻胶，制备得到偏振测量子单元。在选好的基底上刻蚀纳米柱结构单元，是在一个单一的si全介质层中制造，不需要集成多个层作为偏振滤波器，能够保证较高的成像空间分辨率，具有与探测器像元良好的兼容性，并且超表面的加工工艺与现有cmos加工工艺兼容，有利于超表面偏振矢量测量装置的设计和加工。
12.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案之二为：使用上述的测量装置进行全stokes偏振矢量的测量方法，包括以下步骤：
13.s1、安装成像探测器，装配成像镜头并配置光路系统；
14.s2、将待测光源对准成像镜头，调节成像镜头，使待测光源完整的成像在成像探测器上；
15.s3、在每个偏振测量子单元分别对应完成(i0°
,i
90
°
)、(i
45
°
,i
135
°
)和(ir,i
l
)总共3对正交偏振分量的转换分离，然后聚焦到阵列探测器上获得六个偏振光分量光强(i0°
，i
90
°i45
°
,i
135
°
ir,i
l
)；
16.s4、根据每个测量通道获得的光源的六个偏振光分量光强信息，结合stokes矢量计算s1＝i
0-i
90
,s2＝i
45-i
135
,s3＝i
r-i
l
)，求解得到待测光源的全
部stokes矢量
附图说明
17.图1为本发明实施例的全stokes偏振矢量测量装置的示意图，图中，1是成像镜头，2是成像探测器；
18.图2为本发明实施例的成像探测器的结构示意图，图中：201为探测器转接环，202为设置在基板上的多个基于全介质超表面的偏振测量单元，203面阵列探测器；
19.图3为图1中多个基于全介质超表面的偏振测量单元的结构示意图，其中，图3a是多个偏振测量单元的平面图，图3b是一个偏振测量单元的立体结构示意图，图中，202-1为基板，202-2为超表面纳米柱；
20.图4为本发明实施例偏振矢量测量的示意图，图中中3为待测光源，1为成像镜头，2为成像探测器。
具体实施方式
21.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
22.实施例1：如图1～图3所示，一种全stokes偏振矢量的测量装置，包括成像镜头1和成像探测器2，成像镜头1将待测光线投射到成像探测器2上，成像探测器2包括面阵列探测器203，面阵列探测器203的接收面上设置有由多个成像子单元组成的成像像元，成像像元上覆盖有基板202-1，基板202-1的厚度为1mm，且双面抛光，由宽光谱材料石英或氟化钙制成，基板202-1直接盖在面阵列探测器203的成像像元上，也对成像探测器2起保护盖片作用，面阵列探测器203设置有探测器转接环201，探测器转接环201将基板202-1压紧固定在成像像元上并用于将成像镜头1与成像探测器2固定连接，基板202-1的外表面设置有多个基于全介质超表面的偏振测量单元，偏振测量单元由3对共6个偏振测量子单元组成，偏振测量子单元由多个超表面纳米柱202-2组成，分别用于完成(i0°
，i
90
°
)、(i
45
°
，i
135
°
)和(ir，i
l
)3对正交偏振分量的转换分离和聚焦，偏振测量子单元与成像子单元一一对应。
23.偏振测量子单元的超表面纳米柱的几何形状、几何尺寸和面内旋转角度由jones矩阵描述的偏振传输得到。对于任意偏振和相位转换都可以使用酉对称的偏振传输矩阵jones矩阵来实现。jones矩阵表示
[0024][0025]
其中t
xx
，t
xy
，t
yx
，t
yy
为jones矩阵的复数元素。输入光场与输出光场的关系为根据微纳结构单元的几何参数，琼斯矩阵可以写成
[0026][0027]
其中t
x
和ty分别是入射线偏振光沿微纳结构的两个轴线方向的复散射系数，主要由微纳结构的两个方向的尺寸决定。而微纳结构单元的布局取向旋转角θ决定了旋转矩阵r(θ)
[0028][0029]
将给定输入光场转换到期望的输出光场单纯进行偏振和相位变换(即无振幅无变换)，jones矩阵为幺正矩阵，因为发射功率等于入射功率且jones矩阵又为酉对称矩阵，利用对称性t
xy
＝t
yx
，以及酉条件对输入和输出光场关系可以推导出下式
[0030][0031]
其中和是输入光电场的x和y分量，和是输出光电场的x和y分量，*表示复共轭。将式(4)中上下两个子式分别乘以和
[0032][0033]
使用酉条件|t
xx
|2+|t
yx
|2＝1，取复共轭，
[0034][0035]
最后，通过结合式(6)和式(4)可以进一步求解得到
[0036][0037]
因此，对于任何给定的入射光场和欲求解的目标出射光场根据式(7)可以求解到t
xx
和t
yx
，然后从jones矩阵的酉对称的条件进一步求解得到t
xy
和t
yy
，如下所示：
[0038][0039]
因此，根据式(7)和(8)总能够设计出一个合适的酉对称的jones矩阵，将入射光场
转换为目标出射光场通过jones矩阵设计改变微纳结构单元的几何尺寸和面内旋转角度实现偏振和相位转换。采用多物理场有限元仿真(comsol multiphysics)和时域有限差分法(fdtd)来研究微纳结构单元的材料折射率、几何尺寸大小、面内旋转角度等参数对偏振相位的调控作用。同时利用jones矩阵描述微纳结构单元的光学响应，得到入射光场和透射光场的关系。例如，超表面纳米单元的基板202-1选用衬底为石英，超表面纳米柱202-2选用si，单元的周期常数设置为850nm，纳米柱的边长设置为450nm，纳米柱的高设置为1100nm时，针对1500nm入射光，计算获得的透射相位为2π，透过率为85％。其中调控的偏振方向依据微纳结构单元的布局取向旋转角θ选择。
[0040]
通过介质微纳结构单元几何尺寸和面内旋转角度，能够实现入射光场到目标出射光场的偏振转换。将微纳机构单元进行阵列排布实现全介质超表面设计。采用偏振转换、分离聚焦的偏振测量单元设计，设计的偏振测量单元能够分焦平面方式实现(i0°
，i
90
°
)、(i
45
°
，i
135
°
)和(ir，i
l
)3对正交偏振分量的转换分离和聚焦测量。将偏振测量单元重复阵列排布，实现超表面设计。不同波长、不同偏振态入射光经过超表面微纳结构单元后到聚焦光斑的几何相位可表述为
[0041][0042]
其中，和li分别表示正交的两个不同偏振态光场的焦距、偏振角和拓扑电荷数。和分别表示径向坐标和方位角坐标，是一个任意，但与偏振有关的常数，可用于确定每个波长的参考相位。因此，不同偏振态入射光经过超表面微纳结构单元后到聚焦光斑的传输特性将jones矩阵改写为
[0043][0044]
将入射光偏振态采用jones矢量描述，偏振分量所述将决定偏振态的两个初始相位改写在正交的两个偏振分量上表示为结合经过超表面透射的几何相位式(9)和(10)，能够建立宽光谱范围的相位优化评价函数
[0045][0046]
实现宽光谱范围偏振转换和聚焦的条件是偏振转换和聚焦的相位选择使得(11)评价函数取极小值。根据理论计算和仿真结果设计出的超表面纳米柱进行制备。石英、氟化钙等基板选择双面抛光，厚度约1mm厚。采用cmos加工工艺，基本加工步骤为：(1)沉积500-1000nm厚的α-si层；(2)光刻胶旋涂和固化；(3)电子束光刻超表面结构图形化；(4)抗刻蚀剂图形化显影；(5)电感耦合等离子体蚀刻；(6)氧等离子体清洗光刻胶。
[0047]
待测光源光束经成像镜头入射到超表面，经超表面偏振转换和聚焦到焦平面阵列探测器上，根据不同偏振分量聚焦光强测量得到全部偏振矢量分布。待测光源光束的偏振态能够运用stokes矢量完全描述为
[0048][0049]
本专利所设计超表面包含多个重复的偏振测量单元，每个偏振测量单元包含3对，共2
×
3个子单元，3对偏振测量子单元分别对应完成(i0°
，i
90
°
)、(i
45
°
，i
135
°
)和(ir，i
l
)总共3对正交偏振分量的转换分离和聚焦。将转换分离测量获得的偏振分量光强带入式(12)，进一步求解获全部stokes矢量s
in
＝(s0，s1，s2，s3)。根据测量获得的偏振态全矢量可以进一步完成，光偏振态的偏振椭圆显示和在庞加莱球上的显示，其中偏振椭圆的方向角ψ和椭偏角χ，两偏振分量的幅值比tanα＝e
y0
/e
x0
和相位差δ可进一步求解得
[0050][0051]
实施例2：如图4所示，全stokes偏振矢量的测量方法，包括以下步骤：
[0052]
s1、安装成像探测器2，装配成像镜头1并配置光路系统；
[0053]
s2、将待测光源3对准成像镜头1，调节成像镜头1，使待测光源3完整的成像在成像探测器2上；
[0054]
s3、在每个偏振测量子单元分别对应完成(i0°
,i
90
°
)、(i
45
°
,i
135
°
)和(ir,i
l
)总共3对正交偏振分量的转换分离，然后聚焦到阵列探测器上获得六个偏振光分量光强(i0°
,i
90
°i45
°
,i
135
°
ir,i
l
)；
[0055]
s4、根据每个测量通道获得的光源的六个偏振光分量光强信息，结合stokes矢量计算s1＝i
0-i
90
,s2＝i
45-i
135
,s3＝i
r-i
l
)，求解得到待测光源的全部stokes矢量
[0056]
此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种全stokes偏振矢量的测量装置，包括成像镜头和成像探测器，所述的成像镜头将待测光线投射到所述的成像探测器上，其特征在于所述的成像探测器包括面阵列探测器，所述的面阵列探测器的接收面上设置有由多个成像子单元组成的成像像元，所述的成像像元上覆盖有基板，所述的基板由通光光谱宽度大于等于所述的成像探测器光谱宽度的材料制成，所述的基板的外表面设置有多个基于全介质超表面的偏振测量单元，所述的偏振测量单元由3对共6个偏振测量子单元组成，分别用于完成(i0°
,i
90
°
)、(i
45
°
,i
135
°
)和(i
r
,i
l
)3对正交偏振分量的转换分离和聚焦，所述的偏振测量子单元与所述的成像子单元一一对应。2.如权利要求1所述的一种全stokes偏振矢量的测量装置，其特征在于所述的偏振测量子单元由多个超表面纳米柱组成。3.如权利要求1所述的一种全stokes偏振矢量的测量装置，其特征在于所述的偏振测量子单元的超表面纳米柱的数量、几何形状、几何尺寸和面内旋转角度由jones矩阵得到。4.如权利要求1所述的一种全stokes偏振矢量的测量装置，其特征在于所述的基板的材料是石英或氟化钙，所述的基板的厚度为1mm，且双面抛光。5.如权利要求1所述的一种全stokes偏振矢量的测量装置，其特征在于所述的面阵列探测器设置有探测器转接环，所述的探测器转接环将所述的基板压紧固定在所述的成像像元上并用于将所述的成像镜头与所述的成像探测器固定连接。6.如权利要求2所述的一种全stokes偏振矢量的测量装置，其特征在于所述的偏振测量子单元是由以下方法加工制备的：(1)在基板材料上沉积500-1000nm厚的α-si层；(2)在α-si层上旋涂和固化光刻胶层；(3)在光刻胶层上电子束光刻超表面纳米柱结构图形化；(4)采用抗刻蚀剂对超表面纳米柱结构图形进行显影；(5)采用电感耦合等离子体刻蚀纳米柱单元，根据刻蚀时间调整刻蚀深度，实现纳米柱单元厚度控制；(6)采用氧等离子体清洗光刻胶，制备得到偏振测量子单元。7.使用权利要求1的测量装置进行全stokes偏振矢量的测量方法，其特征在于包括以下步骤：s1、安装成像探测器，装配成像镜头并配置光路系统；s2、将待测光源对准成像镜头，调节成像镜头，使待测光源完整的成像在成像探测器上；s3、在每个偏振测量子单元分别对应完成(i0°
,i
90
°
)、(i
45
°
,i
135
°
)和(i
r
,i
l
)总共3对正交偏振分量的转换分离，然后聚焦到阵列探测器上获得六个偏振光分量光强(i0°
,i
90
°
i
45
°
,i
135
°
i
r
,i
l
)；s4、根据每个测量通道获得的光源的六个偏振光分量光强信息，结合stokes矢量计算s1＝i
0-i
90
,s2＝i
45-i
135
,s3＝i
r-i
l
)，求解得到待测光源的全部stokes矢量

技术总结
本发明公开了一种全stokes偏振矢量的测量装置，包括成像镜头和成像探测器，成像镜头将待测光线投射到成像探测器上，特点是成像探测器包括面阵列探测器，面阵列探测器的接收面上设置有由多个成像子单元组成的成像像元，成像像元上覆盖有基板，基板由通光光谱宽度大于等于成像探测器光谱宽度的材料制成，基板的外表面设置有多个基于全介质超表面的偏振测量单元，偏振测量单元由3对共6个偏振测量子单元组成，分别用于完成(I0°


技术研发人员：李克武 崔志英 邱元芳 郑驰 沈开远
受保护的技术使用者：宁波永新光学股份有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/25