一种基于微波片阵列的显微偏振成像装置及其实现方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于微波片阵列的显微偏振成像装置及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 偏振成像技术是指记录图像偏振信息的技术。图像的偏振态可提供从光谱、光强、 相干度等量中无法获取的，包括表面特征、形状、阴影以及粗糙度等大量的信息，因而利用 偏振成像技术可以对目标进行区别和特性表征。在气象环境科学研究中，利用卷云散射辐 射的偏振特征来获得其微观特性和光学特性，为全球的辐射平衡和气候变化的研究提供重 要依据;在军事、海洋以及卫星遥感等领域，利用人造物体与自然背景反射和辐射光偏振态 的差别，可以从复杂背景中提取人造物体目标，区分不同的地表形态等等。多维的信息和广 泛的应用使偏振成像近年来成为国内外光学探测和遥感领域的研究热点。
[0003] 由于现有的CCD或者CMOS等感光元件不能直接分辨光的偏振态，所以通常需要在 探测器前加装波片和偏振片来实现图像偏振态测量。光偏振态可用Stokes矢量进行完全描 述(50,51，52,53)，具有四个独立的分量。要获得完整偏振态信息至少需要四次不同波片和 偏振片组合的独立测量。根据多次测量的方式不同，可以把偏振成像分成分时成像和同时 成像两大类。分时成像通过旋转或者调制光学器件在不同时间获得多次测量结果，适用于 植被、矿物、建筑等静态目标的探测。而同时偏振成像技术通过多分光路单次曝光的方式获 取多个测量结果，具有动态测量能力。已有的同时成像技术中主要采用分幅、分孔径、分频 谱通道以及分焦平面等几种分光方案。目前分幅和分孔径偏振成像的时间、空间分辨率较 高，但是光路复杂，稳定性不足，而且不同偏振态的图像难以进行像素量级的对准;而分频 谱通道方案采用双折射晶体劈组调制图像偏振态，干涉条纹的存在导致空间分辨率偏低； 分焦平面方案通过单次曝光可以实现偏振态测量，而且整体系统结构紧凑、性能稳定，已经 被用于美国军方的雷达遥感系统，是偏振成像技术未来的发展方向。但是目前基于微偏振 片阵列的分焦平面偏振成像只能测量Stokes矢量的前三个分量(S0，S1，S2)，其原因在于通 过单纯的偏振片方向变化无法测量代表旋光成分的S3分量。随着偏振成像技术应用范围的 扩展，特别是在动态目标遥感研究中，迫切需要发展同时具备高时间、空间分辨率，并且能 够进行全Stokes矢量测量以及长期稳定运行等特点的全新偏振成像技术。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于微波片阵列的显微偏振成像装置及其 实现方法，能够进行动态测量，实现高时间、空间分辨率的显微图像完全偏振态测量。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于微波片阵列的显微偏振成 像装置，其特征在于:包括依次并排设置的一激光光源、一显微物镜、一显微目镜、一微波片 阵列、一单向偏振片、一成像透镜及一面阵相机;所述激光光源与显微物镜间于所述显微物 镜的焦距位置处放置待测样品，所述显微物镜和所述显微目镜对待测样品形成的图像进行 放大，所述微波片阵列处于所述显微目镜的焦距位置，对放大后的图像进行偏振调制，所述 单向偏振片将图像的二维偏振态分布转换成二维光强分布，所述成像透镜将所述二维光强 分布耦合到所述面阵相机中。
[0006] 进一步的，所述面阵相机的输出端还连接至一计算机处理系统，所述计算机处理 系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到图像上每个像素点的偏振态信息。
[0007] 进一步的，所述微波片阵列的制作过程为:采用超快激光在一透明介质内部刻蚀 出若干方形亚波长光栅，并引入相位延时，调整加工参数使四个相邻的亚波长光栅的光轴 方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列。
[0008] 进一步的，所述微型波片阵列在二维空间重复排列，覆盖整个通光面;所述加工参 数包括所述超快激光的偏振方向、加工时间及聚焦参数。
[0009] 进一步的，所述四个相邻的亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角0°， 30°，45°和60°，所述相位延时为90°。
[0010] -种基于微波片阵列的显微偏振成像装置的实现方法，其特征在于包括以下步 骤：
[0011] 步骤S1:根据待测样品选用特定波长的激光光源作为照明光源；
[0012] 步骤S2:所述激光光源产生一入射光经过所述待测样品后产生由所述待测样品光 学参数决定的偏振图像；
[0013] 步骤S3:采用所述显微物镜和显微目镜对所述偏振图像进行放大；
[0014] 步骤S4:所述微波片阵列对所述步骤S3放大后的偏振图像进行偏振态调制，所述 的单向偏振片将进行偏振态调制后的偏振态图像转换成二维光强分布，所述的成像透镜将 所述二维光强分布耦合到所述面阵相机，所述面阵相机将光强数据传输至所述计算机处理 系统；
[0015] 步骤S5:所述计算机处理系统对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到偏 振图像上每个像素点的偏振态信息。
[0016] 进一步的，所述步骤S5具体包括以下步骤：
[0017] 步骤S51:所述计算机处理系统采用公式= Μ %(_/) = 计算出入 射光经过待测样品后的偏振态，其中，为面阵相机采集的光强数据，S(in)为入射光 偏振态，Μ为一4 X 4的Mill ler矩阵，用以描述偏振器件；
[0018] 步骤S52:所述计算机系统采用步骤S51的方法对整个通光面进行计算，从而获得 图像整个二维面内的偏振态信息。
[0019] 进一步的，所述步骤S51中公式由以下推断而出：
[0020] 用Stokes矢量So，Si，S2，S3来描述光的偏振态，对于四次独立的测量，经微波片阵 列的偏振态变化可以用4 X 4的Mill ler矩阵来表示：
[0021]
[0022]
[0023]其中，上标i = l ,2,3,4表示测量的次数；
[0024]由于面阵相机只对光强有响应，因此每次测量只能得到So的值，通过四次测量的 结果，即面阵相机采集的光强数据可表示为：
[0025] (1)
[0026]所述微波片阵列中四个相邻的亚波长光栅的光轴方向分别为0°，30°，45°和60°， 相位延时为90°，则可以计算出：
[0027]
C2)
[0028] Μ的行列式为1.005,不为零，从而使方程(1)存在解，简写为：
[0029]
:(3)
[0030] 其中I1和if分别表示Μ的逆矩阵和伴随矩阵，矣(雜?)通过面阵相机测量得到，利 用公示(3)计算可得入射光的偏振态S( in)。
[0031]本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0032] 1、本发明可测量包含旋光分量在内的全Stokes矢量；
[0033] 2、本发明的微波片阵列采用超快激光微加工制作，可对其引入的相位延迟主轴方 向和延迟量进行设计，优化性能，并且制作精度高，成本和技术要求较低；
[0034] 3、本发明所采用的微波片阵列存在于透明基地的内部，便于对其表面进行镀膜和 维护，可降低成像光路中多重反射和散射等影响，从而提高成像质量。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明一实施例的成像装置结构示意图。
[0036] 图2是本发明一实施例的微波片阵列结构示意图。
[0037]图中：卜激光光源；2-待测样品；3-显微物镜;4-显微目镜；5-微波片阵列；6-单向 偏振片;7-成像透镜;8-面阵相机;9-计算机处理系统。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0039] 请参照图1，本实施例提供一种基于微波片阵列的显微偏振成像装置，其特征在 于:包括依次并排设置的一激光光源1、一显微物镜3、一显微目镜4、一微波片阵列5、一单向 偏振片6、一成像透镜7及一面阵相机8;所述激光光源1与显微物镜3间于所述显微物镜3的 焦距位置处放置待测样品2,本实施例采用808nm的LD激光光源，分别采用线偏振光、左旋与 右旋偏振光作为照射光源，产生一入射光经过待测样品2后产生有待测样品2的光学参数决 定的偏振图像，所述显微物镜3和所述显微目镜4对待测样品2形成的图像进行放大，所述微 波片阵列5处于所述显微目镜4的焦距位置，对放大后的图像进行偏振调制，所述单向偏振 片6将图像的二维偏振态分布转换成二维光强分布，所述成像透镜7将所述二维光强分布親 合到所述面阵相机8中；所述面阵相机8的输出端还连接至一计算机处理系统9,所述计算机 处理系统9对接收到的光强数据进行处理和反演计算，得到图像上每个像素点的偏振态信 息;所述处理和反演计算具体为在Labview软件平台下采用中值滤波、傅里叶变换以及数组 操作等模块编写程序，进行滤波、消除背景处理及图像偏振态反演计算。
[0040] 所述微波片阵列5的制作过程为:采用超快激光在一透明介质内部刻蚀出若干边 长为几微米的方形亚波长光栅，并引入相位延时，调整加工参数使四个相邻的亚波长光栅 的光轴方向和引入的相位延时不同，构成微型波片阵列;所述微型波片阵列在二维空间重 复排列，覆盖整个通光面;所述加工参数包括所述超快激光的偏振方向、加工时间及聚焦参 数;如图2所示，本实施例中四个相邻的亚波长光栅的光轴方向分别为与水平方向夹角为 0°，30°，45°和60°，所述相位延时为90°，图中，单个微型光栅的尺寸约为5X5微米，而四个 不同光轴方向的微型光栅构成一个2X2排列的波片周期单元，整个通光面由这样的周期单 元重复覆盖，对入射