CN102538971A - 全光场全斯托克斯参量检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种全光场全斯托克斯参量检测装置和检测方法，该装置包括：补偿器、微偏振检偏器阵列、CCD探测器阵列、放大器、同步数据采集卡、计算机系统及偏压控制器。该方法包括：改变偏控电压，得到电光延迟为2π的光强矩阵；改变偏控电压，得到电光延迟为π/2的光强矩阵；对两个光强矩阵进行数据处理即可获得全光场全斯托克斯参量。本发明具有共光轴且结构简单、稳定、高空间分辨率和测量速度快的特点。

Description

全光场全斯托克斯参量检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及斯托克斯参量，特别是一种全光场全斯托克斯参量检测装置和检测方法。

背景技术

高精密成像系统中大数值孔径投影物镜的使用，导致入射波严重离轴倾斜，使TE和TM两种偏振光的透射率不同，从而导致成像对比度严重下降，客观上必然要求对大数值孔径投影物镜全光场全斯托克斯参量进行提取和分析。

在先技术1【Hauge，P.S.，Azzam，R.M.A.，et al，“Stokes Polarimetry，”in Polarized Light，Dennis Goldstein.(Second Edition，Revised and Expanded，Marcel Dekker，Inc.，2003).】中的旋转元件偏振测量法(rotating elementpolarimetry)、振荡元件偏振测量法(oscillating element polarimetry)和相位调制偏振测量法(phase modulation polarimetry)，均可以测量斯托克斯参量中的三个或者四个，在旋转元件偏振测量法中，偏振器或者相位延迟器是旋转的，需要在不同的方位角进行测量，在振荡元件偏振测量法中，需要在振荡过程中的不同点进行测量，在相位调制偏振测量法中，需要在不同相点进行测量，为了提取出光场上某一特定场点的全部斯托克斯参量，需要对该点连续检测四次以上，如果要检测整个光场，需要逐点进行扫描，因此这些装置无法实现全光场全斯托克斯参量快速实时测量，并且有些装置需要精密旋转机构进行旋转，从而引入较大测量误差。

在先技术2【John E.Hubbs，Mark E.Gramer，et al，“Measurement of theRadiometric and Polarization Characteristics of a Micro-Grid PolarizerInfrared Focal Plane Array”，Proc.SPIE 6295，62950C，2006.】、【James K.Boger，et al，“Modeling Precision and Accuracy of a LWIR Microgrid ArrayImaging Polarimeter”，Proc.SPIE 5888，58880U，2005.】、[David B.Chenault，et al，“Handheld Polarimeter for Phenomenology Studies”，Proc.SPIE 5432，2004.]及[Bruce Winker，et al，“Liquid Crystal Tunable Polarization Filterfor Target Detection Applications”，Proc.SPIE 6972，697209，2008.]中提出的瞬时多路测量成像偏振探测仪主要由微偏振检偏器阵列(3)、CCD探测器阵列(4)以及一些其他的原件所组成，但其中没有补偿器(2)，可以实现全光场全斯托克斯参量的实时检测，且不受环境变化影响，然而却只能检测前三个斯托克斯参量，不能够提取右旋或者左旋偏振光的光强度信息，因此提取不出第四个斯托克斯参数，对偏振信息的检测不全。

发明内容

本发明的目的是：为了解决上述在先技术1中存在的需要逐点测量多次、对全光场进行扫描以及在先技术2中存在的对偏振信息的检测不全等问题，提供一种全光场全斯托克斯参量检测装置和检测方法，该装置具有共光轴且结构简单稳定、高空间分辨率和测量速度较快的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种全光场全斯托克斯参量检测装置，其特点在于，该装置包括：补偿器、微偏振检偏器阵列、CCD探测器阵列、放大器、同步数据采集卡、计算机系统和偏压控制器，其位置关系是：沿着待测光学系统所产生的平行入射光束前进方向上，依次是所述的补偿器、微偏振检偏器阵列和CCD探测器阵列；

所述微偏振检偏器阵列是由微偏振检偏器超像素的阵列组成，所述的微偏振检偏器超像素由0度线偏振微检偏器、45度线偏振微检偏器、90度线偏振微检偏器和135度线偏振微检偏器组成；所述的CCD探测器阵列是由CCD探测器超像素的阵列组成的，所述CCD探测器阵列超像素是由四个相同的CCD探测器子像素组成；所述的微偏振检偏器阵列和所述的CCD探测器阵列集成在一起，使所述的微偏振检偏器超像素阵列和CCD探测器超像素阵列一一对准，形成对准超像素阵列；

所述的CCD探测器阵列经所述的放大器、同步数据采集卡与所述的计算机系统的输入端相连，该计算机系统的输出端接所述的偏压控制器的输入端，该偏压控制器的输出端接所述的补偿器的控制端。

所述补偿器为光弹调制器、液晶相位延迟器、铌酸锂晶体光学元件或者器件。

所述同步数据采集卡是具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡。

所述计算机安装有数据处理、分析软件以及偏压控制器的偏压控制软件。

所述偏压控制器是0V-6000V连续可调的直流稳压电源。

利用上述全光场全斯托克斯参量检测装置对平行入射光的全光场全斯托克斯参量的检测方法，该方法包括下列步骤：

①改变偏控电压，得到电光延迟为2π的光强矩阵：

计算机系统通过所述的偏压控制器改变所述的补偿器上偏控电压的大小，使所述的补偿器产生的电光延迟为2π，此时，待测光学系统产生的平行入射光束通过所述的补偿器照射在所述的微偏振检偏器阵列的超像素，由所述的CCD探测器阵列的超像素对光强信号进行探测，与所述的微偏振检偏器超像素中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器、45度线偏振微检偏器、90度线偏振微检偏器、135度线偏振微检偏器相对应所述的CCD探测器阵列的超像素的四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅：

$I_0=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{45}=\frac{s_0+s_2}{2}$ $I_{90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{135}=\frac{s_0-s_2}{2}$

经过适当的变换之后，所述的微偏振检偏器阵列的超像素的第一斯托克斯参量、第二斯托克斯参量和第三斯托克斯参量分别为：

s₀＝I₀+I₉₀     s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅

其中，s₀、s₁、s₂和s₃分别为待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素对应处的四个斯托克斯参量，I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵超像素(1001)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\right)$

该电光延迟为2π的光强矩阵超像素阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\end{array}\right)$

②改变偏控电压，使所述的补偿器产生π/2电光延迟，得到电光延迟为π/2的光强矩阵：

在其他条件不变的情况下，所述的计算机通过所述的偏压控制器改变所述补偿器上偏控电压，使补偿器产生的电光延迟为π/2，此时与微偏振检偏器超像素中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器、45度线偏振微检偏器、90度线偏振微检偏器、135度线偏振微检偏器相对应的所述的CCD探测器阵列的超像素四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I_R0、I_R45、I_R90和I_R135：

$I_{R0}=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{R45}=\frac{s_0+s_3}{2}$ $I_{R90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{R135}=\frac{s_0-s_3}{2}$

经过适当的变换之后，该微偏振检偏器阵列超像素的第一斯托克斯参量、第二斯托克斯参量和第四斯托克斯参量，分别为：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₃＝I_R45-I_R135

其中，s₀、s₁、s₂和s₃分别为待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素对应处的四个斯托克斯参量，I_R0、I_R45、I_R90和I_R135可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵超像素，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\right)$

电光延迟为π/2的光强矩阵超像素阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵(11)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\end{array}\right)$

②根据算法对两个光强矩阵进行处理；

通过电光延迟为2π的光强矩阵超像素和与之对应的电光延迟为π/2的光强矩阵超像素，求出待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素对应处的全斯托克斯参量为：

s₀＝I₀+I₉₀    s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

或者：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

写成矢量的形式有：

$S^{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_0+I_{90}\\ I_0-I_{90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{R0}+I_{R90}\\ I_{R0}-I_{R90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right).$

本发明的优点是：

1、能够获得待测光学系统全光场任一特定场点的全部斯托克斯参量：本发明通过测量得到电光延迟为2π的光强矩阵和电光延迟为π/2的光强矩阵，将这两个光强矩阵与待测光学系统全光场特定场点相对应的两个光强矩阵超像素通过计算机进行数据处理，可以得到待测光学系统全光场特定场点的全部斯托克斯参量。

2、能够获得待测光学系统全光场全斯托克斯参量：本发明使用大面型的微偏振检偏器阵列和CCD探测器阵列，这些阵列是由超像素阵列组成的，每组相对应的两个超像素可以获得相应场点的全部四个斯托克斯参量，因而相应的超像素阵列就能够获得待测光学系统全光场全斯托克斯参量。

3、本发明装置共光轴且结构简单稳定、空间分辨率高：本发明中使用的补偿器为采取偏压控制的静态相位延迟器，只需要改变偏控电压即可改变相位延迟的大小，不需要机械移动，不存在对准问题，并且系统中各组成元件共光轴，系统稳定性大大提高，同时空间分辨率主要由微偏振检偏器阵列和CCD探测器阵列中的超像素面元大小所限制，利用较小的超像素面元可以获得较高的空间分辨率。

4、测量速度较快，不受周围环境变化影响：本发明中电光延迟的大小可以通过计算机系统控制偏控电压的大小进行改变，速度快捷，同时由于超像素阵列的使用，不需要对全光场进行逐点扫描，可以进行快速检测。

附图说明

图1为本发明全光场全斯托克斯参量检测装置结构图；

图2为本发明实施例中大尺寸铌酸锂晶体放置结构图；

图3为本发明实施例中大尺寸铌酸锂晶体偏压控制结构图；

图4为本发明实施例中大尺寸铌酸锂晶体放置及偏压控制结构图；

图5为本发明实施例中微偏振检偏器阵列及CCD探测器阵列对准结构图；

图6为本发明实施例中电光延迟为2π的光强矩阵和电光延迟为π/2的光强矩阵对准结构图；

图7为本发明全光场全斯托克斯参量检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的包含范围。

本发明实施例提供了一种全光场全斯托克斯参量检测装置及方法，为了更好的理解本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合本发明实施例的附图加以说明，基于发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都是本发明所保护的范围。

实施例1

为了测量全光场全斯托克斯参量，本发明实施例中提供了一种全光场全斯托克斯参量检测装置，参见图1，该装置包括：补偿器2、微偏振检偏器阵列3、CCD探测器阵列4、放大器6、同步数据采集卡7、计算机系统8及偏压控制器9，其位置关系是：沿着待测光学系统1所产生的平行入射光束前进方向上，依次是所述的补偿器2、微偏振检偏器阵列3和CCD探测器阵列4，所述的CCD探测器阵列4探测到的光强信号经所述的放大器6放大后，由同步数据采集卡7进行数据采集，所述的同步数据采集卡7的输出端与所述的计算机系统8的输入端相连，该计算机系统8的输出端接所述的偏压控制器9的输入端，该偏压控制器9的输出端接所述的补偿器2的控制端。

本实施例中

所述补偿器2为两块制作完全相同的大尺寸铌酸锂晶体，参见图2，为大尺寸铌酸锂晶体放置结构图，z轴为待测光学系统产生平行入射光束的传播方向，第一大尺寸铌酸锂晶体的光轴201方向沿x轴，第二大尺寸铌酸锂晶体的光轴202沿y轴方向，第一大尺寸铌酸锂晶体的上面203、下面204以及第二大尺寸铌酸锂晶体的前面205和后面206均为金属电极层，参见图3，为大尺寸铌酸锂晶体偏压控制结构图，z轴为待测光学系统产生平行入射光束的传播方向，第一大尺寸铌酸锂晶体的光轴201方向沿x轴，第二大尺寸铌酸锂晶体的光轴202沿y轴方向，第一大尺寸铌酸锂晶体的上面203和下面204分别连接偏控电压的正极和负极，第二大尺寸铌酸锂晶体的前面205和后面206分别连接偏控电压的正极和负极，第一大尺寸铌酸锂晶体和第二大尺寸铌酸锂晶体在偏压控制器9的相同大小的电压条件下产生连续可调的相位延迟。参见图4，为大尺寸铌酸锂晶体放置及偏压控制的第二种方式，z轴为待测光学系统产生平行入射光束的传播方向，第一、二大尺寸铌酸锂晶体的光轴方向201、202均沿x轴方向，上面203和206以及下面204和205均为金属电极层，并且上面203和206均连接偏控电压的正极，下面204和205均连接偏控电压的负极，在第一大尺寸铌酸锂晶体和第二大尺寸铌酸锂晶体之间放置一块1/2波片，其光轴平行或垂直于x轴放置，第一大尺寸铌酸锂晶体和第二大尺寸铌酸锂晶体在偏压控制器9的相同大小的电压条件下产生连续可调的相位延迟。

参见图5，为微偏振检偏器阵列及CCD探测器阵列对准结构图，z轴为待测光学系统产生平行入射光束的传播方向，所述微偏振检偏器阵列3是由微偏振检偏器超像素301阵列组成的，所述微偏振检偏器超像素301由四个微检偏器子像素组成：0度线偏振微检偏器302，45度线偏振微检偏器303，90度线偏振微检偏器304和135度线偏振微检偏器305，所述CCD探测器阵列4是由CCD探测器超像素401阵列组成的，所述CCD探测器阵列超像素401是由四个相同的CCD探测器子像素组成，所述微偏振检偏器阵列3及CCD探测器阵列4是对准集成在一起的，构成高分辨率偏振成像传感器5(High Resolution Polarization Imaging Sensor)，所述微偏振检偏器超像素301阵列和CCD探测器超像素401阵列一一对准，形成对准超像素301-401阵列。

所述同步数据采集卡7是具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡。

所述计算机系统8安装有数据处理、分析软件以及偏压控制器9的偏压控制软件。

所述偏压控制器9是能够向补偿器2提供0V-6000V连续可调偏控电压的直流稳压电源。

本发明实施例的具体结构和参数如下：

所述待测光学系统1产生的平行入射光束为632.8nm的He-Ne激光，补偿器2为大尺寸铌酸锂晶体，无掺杂，在0.4～0.5μm波长范围内的透过率高达98％，相位延迟量误差小于0.3°，微偏振检偏器阵列3和CCD探测器阵列4采用二者集成后的高分辨率偏振成像传感器5(High Resolution Polarization Imaging Sensor)，其分辨率为1000×1000，像素间距为7.4μm，偏压控制器9采用能够提供0V-6000V连续可调偏控电压的直流稳压电源。

实施例2

为了测量全光场全斯托克斯参量，本发明实施例中提供了基于所述全光场全斯托克斯参量检测装置的一种全光场全斯托克斯参量检测方法，参见图7，该方法包括下列步骤：

①改变偏控电压，得到电光延迟为2π的光强矩阵；

计算机系统通过所述的偏压控制器改变所述的补偿器上偏控电压的大小，使补偿器产生的电光延迟为2π，此时，待测光学系统产生的平行入射光束通过所述的补偿器入射在所述的微偏振检偏器超像素阵列上面，最终由CCD探测器超像素阵列对光强信号进行探测，与微偏振检偏器超像素中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器、45度线偏振微检偏器、90度线偏振微检偏器、135度线偏振微检偏器相对应的四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅。

为简单起见，本发明仅以任一特定场点的全斯托克斯参量的检测为例进行说明，即以微偏振检偏器阵列3与CCD探测器阵列4一一对准的一个超像素301-401为例进行说明。

将该特定场点的待测斯托克斯参量设为：

$S^{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)$

其中，s₀、s₁、s₂和s₃分别为待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素(301)对应处的四个斯托克斯参量，

两块制作完全相同的大尺寸铌酸锂晶体在加有偏控电压的情况下，相当于一个线性相位延迟器，在光轴方向角为α，电光延迟为δ的情况下，其米勒矩阵为：

$R_{\mathrm{\α},\mathrm{\δ}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos }^{2}2\mathrm{\α}+{\sin }^{2}2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\δ}& (1-\cos \mathrm{\δ})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& -\sin 2\mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}\\ 0& (1-\cos \mathrm{\δ})\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& {\sin }^{2}2\mathrm{\α}+{\cos }^{2}2\mathrm{\α}\cos \mathrm{\δ}& \cos 2\mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}\\ 0& \sin 2\mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}& -\cos 2\mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right)$

在光轴方向角为0，产生电光延迟为分别为2π、π/2时，带入上述公式，其米勒矩阵分别为：

$R_{\mathrm{0,2}\mathrm{\π}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$ $R_{0,\mathrm{\π}/2}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)$

线偏振检偏器在其偏振方向角为β时，其米勒矩阵为：

$P_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& \cos 2\mathrm{\β}& \sin 2\mathrm{\β}& 0\\ \cos 2\mathrm{\β}& {\cos }^{2}2\mathrm{\β}& \cos 2\mathrm{\β}\sin 2\mathrm{\β}& 0\\ \sin 2\mathrm{\β}& \cos 2\mathrm{\β}\sin 2\mathrm{\β}& \mathrm{si}{n}^{2}2\mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

因此，从上述公式可以求出0度线偏振微检偏器302，45度线偏振微检偏器303，90度线偏振微检偏器304和135度线偏振微检偏器305的米勒矩阵分别为：

$P_0=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$ $P_{45}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

$P_{90}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& -1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$ $P_{135}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ -1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

设由四个微检偏器子像素出射光的斯托克斯矢量分别为：

和

则由大尺寸铌酸锂晶体相应位置上出射的光束透过微偏振检偏器阵列上的相应超像素301后，则有下列关系：

$S_0^{\mathrm{out}}=P_0{R}_{\mathrm{0,2}\mathrm{\π}}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_1\\ s_0+s_1\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

$S_{45}^{\mathrm{out}}=P_{45}{R}_{\mathrm{0,2}\mathrm{\π}}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_2\\ 0\\ s_0+s_2\\ 0\end{array}\right)$

$S_{90}^{\mathrm{out}}=P_{90}{R}_{\mathrm{0,2}\mathrm{\π}}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& -1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0-s_1\\ s_1-s_0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

$S_{135}^{\mathrm{out}}=P_{135}{R}_{\mathrm{0,2}\mathrm{\π}}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ -1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0-s_2\\ 0\\ s_2-s_0\\ 0\end{array}\right)$

与微偏振检偏器阵列超像素301中四个微检偏器子像素相对应的CCD探测器阵列超像素401中的四个子探测器只能探测光强度信号，不能够探测偏振态信号，因此子探测器探测到的信号为透过微检偏器子像素的光强度，对应于斯托克斯矢量的第一个参量，分别为：

$I_0=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{45}=\frac{s_0+s_2}{2}$ $I_{90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{135}=\frac{s_0-s_2}{2}$

经过适当的变换之后可以求出该微偏振检偏器阵列3超像素301的前三个斯托克斯参量，分别为：

s₀＝I₀+I₉₀    s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅

其中，I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵超像素1001，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\right)$

该电光延迟为2π的光强矩阵超像素1001阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵10，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\end{array}\right)$

②改变偏控电压，得到电光延迟为π/2的光强矩阵；

在其他条件不变的情况下，计算机系统8通过所述的偏压控制器9改变所述补偿器2上偏控电压的大小，使补偿器2产生的电光延迟为π/2，此时与微偏振检偏器超像素301中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器302，45度线偏振微检偏器303，90度线偏振微检偏器304、135度线偏振微检偏器305相对应的四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I_R0、I_R45、I_R90和I_R135。

设由四个微检偏器子像素出射光的斯托克斯矢量的分别为

和

则有下面的关系：

$S_{R0}^{\mathrm{out}}=P_0{R}_{0,\mathrm{\π}/2}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_1\\ s_0+s_1\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

$S_{R45}^{\mathrm{out}}=P_{45}{R}_{0,\mathrm{\π}/2}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0+s_3\\ 0\\ s_0+s_3\\ 0\end{array}\right)$

$S_{R90}^{\mathrm{out}}=P_{90}{R}_{0,\mathrm{\π}/2}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& -1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0-s_1\\ s_1-s_0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

$S_{R135}^{\mathrm{out}}=P_{135}{R}_{0,\mathrm{\π}/2}{S}^{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ -1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{s}_0-s_3\\ 0\\ s_3-s_0\\ 0\end{array}\right)$

与微偏振检偏器阵列超像素301中四个微检偏器子像素相对应的CCD探测器阵列超像素401中的四个子探测器只能探测光强度信号，不能够探测偏振态信号，因此子探测器探测到的信号为透过微检偏器子像素光强度，对应于斯托克斯矢量的第一个参量，分别为：

$I_{R0}=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{R45}=\frac{s_0+s_3}{2}$ $I_{R90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{R135}=\frac{s_0-s_3}{2}$

经过适当的变换之后可以求出该微偏振检偏器阵列3超像素301的第一、二和四这三个斯托克斯参量，分别为：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₃＝I_4R5-I_R135

其中，I_R0、I_R45、I_R90和I_R135可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵超像素1101，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\right)$

电光延迟为π/2的光强矩阵超像素1101阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵11，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\end{array}\right)$

③根据算法对两个光强矩阵进行处理。

由于在改变补偿器2上面偏控电压的过程中不涉及机械运动，并且是在保证其他条件不发生变化的情况下进行的，即微偏振检偏器阵列3中的超像素301和CCD探测器阵列4中的超像素401形成的一一对准的超像素301-401始终是对准的，所以计算机系统8中电光延迟为2π的光强矩阵10的超像素1001和计算机系统8中电光延迟为π/2的光强矩阵11的超像素1101形成一一对准的超像素1001-1101也是一一对准的，因此整个过程中不会发生校准的问题，所以由计算机系统8对电光延迟为2π的光强矩阵超像素1001和电光延迟为π/2的光强矩阵超像素1101分析和处理后，可以求出待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素301对应处的全斯托克斯参量为：

s₀＝I₀+I₉₀    s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

或者：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

写成矢量的形式有：

$S^{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_0+I_{90}\\ I_0-I_{90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{R0}+I_{R90}\\ I_{R0}-I_{R90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right)$

由于待测平行入射光束全光场是和微偏振检偏器超像素301阵列相对应的，因此，通过电光延迟为2π的光强矩阵10和电光延迟为π/2的光强矩阵11，可以求出待测平行入射光束的全光场全斯托克斯参量。

Claims (6)

1.一种全光场全斯托克斯参量检测装置，其特征在于，该装置包括：补偿器(2)、微偏振检偏器阵列(3)、CCD探测器阵列(4)、放大器(6)、同步数据采集卡(7)、计算机系统(8)及偏压控制器(9)，其位置关系是：沿着待测光学系统(1)所产生的平行入射光束前进方向上，依次是所述的补偿器(2)、微偏振检偏器阵列(3)和CCD探测器阵列(4)；

所述微偏振检偏器阵列(3)是由微偏振检偏器超像素(301)的阵列组成，所述的微偏振检偏器超像素(301)由0度线偏振微检偏器(302)、45度线偏振微检偏器(303)、90度线偏振微检偏器(304)和135度线偏振微检偏器(305)组成；所述的CCD探测器阵列(4)是由CCD探测器超像素(401)的阵列组成的，所述CCD探测器阵列超像素(401)是由四个相同的CCD探测器子像素组成；所述的微偏振检偏器阵列(3)和所述的CCD探测器阵列(4)集成在一起，使所述的微偏振检偏器超像素(301)阵列和CCD探测器超像素(401)阵列一一对准，形成对准超像素阵列(301-401)；

所述的CCD探测器阵列(4)经所述的放大器(6)、同步数据采集卡(7)与所述的计算机系统(8)的输入端相连，该计算机系统(8)的输出端接所述的偏压控制器(9)的输入端，该偏压控制器(9)的输出端接所述的补偿器(2)的控制端。

2.根据权利要求1所述的全光场全斯托克斯参量检测装置，其特征在于：所述补偿器(2)为光弹调制器、液晶相位延迟器、铌酸锂晶体等光学元件或者器件。

3.根据权利要求1所述的全光场全斯托克斯参量检测装置，其特征在于：所述同步数据采集卡(7)是具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的全光场全斯托克斯参量检测装置，其特征在于：所述计算机(8)安装有数据处理、分析软件以及偏压控制器(9)的偏压控制软件。

5.根据权利要求1所述的全光场全斯托克斯参量检测装置，其特征在于：所述偏压控制器(9)是0V-6000V连续可调的直流稳压电源。

6.利用权利要求1所述的全光场全斯托克斯参量检测装置对平行入射光的全光场全斯托克斯参量的检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①改变偏控电压，得到电光延迟为2π的光强矩阵：

计算机系统(8)通过所述的偏压控制器(9)改变所述的补偿器(2)上偏控电压的大小，使所述的补偿器(2)产生的电光延迟为2π，此时，待测光学系统(1)产生的平行入射光束通过所述的补偿器(2)照射在所述的微偏振检偏器阵列(3)的超像素(301)，由所述的CCD探测器(4)阵列的超像素(401)对光强信号进行探测，与所述的微偏振检偏器超像素(301)中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器(302)、45度线偏振微检偏器(303)、90度线偏振微检偏器(304)、135度线偏振微检偏器(305)相对应所述的CCD探测器(4)阵列的超像素(401)的四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅：

$I_0=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{45}=\frac{s_0+s_2}{2}$ $I_{90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{135}=\frac{s_0-s_2}{2}$

经过适当的变换之后，所述的微偏振检偏器阵列(3)的超像素(301)的第一斯托克斯参量、第二斯托克斯参量和第三斯托克斯参量分别为：

s₀＝I₀+I₉₀    s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅

其中，s₀、s₁、s₂和s₃分别为待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素(301)对应处的四个斯托克斯参量，I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵超像素(1001)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\right)$

该电光延迟为2π的光强矩阵超像素(1001)阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为2π的光强矩阵(10)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_0& I_{45}\\ I_{135}& I_{90}\end{array}\end{array}\right)$

②改变偏控电压，使所述的补偿器(2)产生π/2电光延迟，得到电光延迟为π/2的光强矩阵：

在其他条件不变的情况下，所述的计算机(8)通过所述的偏压控制器(9)改变所述补偿器(2)上偏控电压，使补偿器(2)产生的电光延迟为π/2，此时与微偏振检偏器超像素(301)中的四个微检偏器子像素：0度线偏振微检偏器(302)、45度线偏振微检偏器(303)、90度线偏振微检偏器(304)、135度线偏振微检偏器(305)相对应的所述的CCD探测器(4)阵列的超像素(401)四个相同的CCD探测器子像素探测到的光强依次为：I_R0、I_R45、I_R90和I_R135：

$I_{R0}=\frac{s_0+s_1}{2}$ $I_{R45}=\frac{s_0+s_3}{2}$ $I_{R90}=\frac{s_0-s_1}{2}$ $I_{R135}=\frac{s_0-s_3}{2}$

经过适当的变换之后，该微偏振检偏器阵列(3)超像素(301)的第一斯托克斯参量、第二斯托克斯参量和第四斯托克斯参量，分别为：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₃＝I_R45-I_R135

其中，s₀、s₁、s₂和s₃分别为待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素(301)对应处的四个斯托克斯参量，I_R0、I_R45、I_R90和I_R135可以合写成为一个矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵超像素(1101)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\right)$

电光延迟为π/2的光强矩阵超像素(1101)阵列可以合写成一个更大的矩阵，称之为电光延迟为π/2的光强矩阵(11)，可以表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}\begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& K& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\\ M& O& M\\ \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}& L& \begin{array}{cc}{I}_{R0}& I_{R45}\\ I_{R135}& I_{R90}\end{array}\end{array}\right)$

②根据算法对两个光强矩阵进行处理；

通过电光延迟为2π的光强矩阵超像素(1001)和与之对应的电光延迟为π/2的光强矩阵超像素(1101)，可以求出待测平行入射光束中和微偏振检偏器超像素(301)对应处的全斯托克斯参量为：

s₀＝I₀+I₉₀    s₁＝I₀-I₉₀    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

或者：

s₀＝I_R0+I_R90    s₁＝I_R0-I_R90    s₂＝I₄₅-I₁₃₅    s₃＝I_R45-I_R135

写成矢量的形式有：

$S^{\mathrm{in}}=\left(\begin{array}{c}{s}_0\\ s_1\\ s_2\\ s_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_0+I_{90}\\ I_0-I_{90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_{R0}+I_{R90}\\ I_{R0}-I_{R90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_{R45}-I_{R135}\end{array}\right).$

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