CN103454712A

CN103454712A - 基于像素的波片阵列及其制备方法

Info

Publication number: CN103454712A
Application number: CN 201310410622
Authority: CN
Inventors: 张青川; 张志刚; 程腾; 伍小平
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103454712B

Abstract

本发明公开了一种基于像素的波片阵列，所述波片阵列由纵横排列的多个波片单元(11)构成，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组(12)，所述单元组(12)内的四个波片单元(11)的厚度不同，使得光经过不同的波片时，光矢量沿慢轴方向分量相对于快轴方向分量的相位延迟量不相等，相位延迟量分别为0，π／2，π，3π／2。所述波片阵列(1)、偏振片(2)与图像传感器(3)可依次叠置构成光学元件。本发明还公开了制备该波片阵列的多种制备方法及应用该波片阵列的方法。本发明采集一帧图像即可获得物光的光强、相位分布和光的四个斯托克斯参量。

Description

基于像素的波片阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体来讲，本发明涉及基于像素尺寸的波片阵列、该波片阵列的制备方法及其相关应用方法和设备。本发明的波片阵列的每一个阵列单元的尺寸与所搭配使用的图像传感器(CCD或CMOS)像素尺寸相一致，可用于实时提取和分析具有任意偏振状态的入射光的光强和偏振的图像信息，也即获得入射光的斯托克斯参量；另外，本发明还可应用于数字全息技术中，可实时解算出物光的光强和相位分布，实现动态物体相位测量。

背景技术

1852年，斯托克斯(stokes)提出用四个参量来描述光波的强度和偏振态。它可以描述光的所有偏振态，四个参量都是光强的时间平均值，组成一个数学矢量。传统的获得入射光的斯托克斯矢量的方法，需要经过多次曝光，每次曝光时需要改变偏振片的偏振方向或者改变相位延迟，操作较为复杂，且只能应用于被测量光的光强和相位不变的情况下，对于变化的光强和相位则不能测量。

传统照相技术只能记录物体的光强信息，而不能记录相位信息。为了记录物光波的相位信息，采用全息相移技术，引入参考光，通过对参考光进行多次相移，分别记录多帧干涉图的光强信息，从而解算出记录平面物光波的光强和相位信息。传统的应用相移法获得物光波的光强和相位的全息干涉方法，需要在参考光路中加入压电陶瓷，通过压电陶瓷来调节参考光的光程，也即改变了记录平面参考光的相位，获得物光与参考光不同的相位差。通过对物光和参考光不同相位差时采集图像，记录多帧干涉图像才能解算出物光的光强和相位信息，因此只能测量静态物体的光强和相位信息，而不能测量动态物体的光强和相位信息。

近几年出现的微偏振片阵列是一种用于测量光经过不同透过方向的像素尺寸的偏振片单元后各个偏振方向的光强的器件，通常与图像传感器(例如数码相机)搭配使用从而获得包含由该微偏振片阵列测得的各偏振分量的图像，并可以进行实时相移分析(见下方参考文献1)。偏振片阵列制备方法主要有基于聚乙烯醇薄膜刻蚀(见下方参考文献2)、基于光控取向的液晶材料(见下方参考文献3)以及基于金属纳米光栅(见下方参考文献4、5)几种。微偏振片阵列解决了实时相移数字全息和实时获得图像四个斯托克斯矢量的问题，但微偏振片阵列制作工艺较为复杂，因此成本也很高。

参考文献1：T.Tahara，K.Ito，et al.(2010).″Parallel phase-shiftingdigital holographic microscopy.″Biomedical Optics Express1(2)：610-616；

参考文献2：V.Gruev，A.Ortu，et al.(2007).″Fabrication of a dual-tierthin film micropolarization array.″Optics Express15(8)：4994-5007；

参考文献3：Z.Xiaojin，F.Boussaid，et a1.(2011).″High-resolution thin″guest-host″micropolarizer arrays for visible imaging polarimetry.″Optics Express19(6)：5565-55735573；

参考文献4：V.Gruev，(2011).″Fabrication of a dual-layer aluminumnanowires polarization filter array.″Optics Express19(24)：24361-24369；

参考文献5：发明名称为“基于金属纳米光栅的微偏振片阵列及其制备方法”的中国发明专利申请，申请人为中国科学技术大学，申请号为201310030339.1，发明人为张青川、张志刚、赵旸。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于像素的波片阵列及其制备方法，以实时提取和分析任意入射光的斯托克斯参量，并应用于实时相移数字全息技术来获得动态物体的光强分布和相位信息。

(二)技术方案

本发明的一个方面提出一种基于像素的波片阵列，由纵横排列的多个波片单元构成，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，所述单元组内的四个波片单元的厚度不同，使得光经过不同的波片时，光矢量沿慢轴方向分量相对于快轴方向分量的相位延迟量不相等，相位延迟量分别为0，π／2，π，3π／2。

本发明的另一个方面提出一种光学元件，包括波片阵列、偏振片和图像传感器。所述波片阵列为权利要求1所述的基于像素的波片阵列。所述波片阵列、偏振片与图像传感器可依次叠置。所述偏振片的透偏振方向与所述波片阵列的快轴方向的夹角优选为π／8。

本发明还提出一种基于像素的波片阵列的制作方法，包括如下步骤：步骤A1：在基底上粘贴一片真零级波片，该波片的慢轴相对于快轴的相位延迟量为3π／2；步骤A2：对所述波片进行刻蚀，使之具有多个单元，且每相邻的2×2个单元构成一个单元组，每个单元组中的第一个单元的刻蚀深度为刚好刻蚀透波片；步骤A3：在每个单元组中刻蚀第二个单元，该第二个单元的刻蚀深度为波片厚度的2／3；步骤A4：在每个单元组中刻蚀第三个单元，该第三个单元的刻蚀深度为波片厚度的1／3。

本发明还提出一种基于像素的波片阵列的制作方法，包括如下步骤：步骤B1、在基底上粘合第一片真零级四分之一波片，将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、0、π／2；步骤B2、在第一片真零级四分之一波片上粘合第二片真零级四分之一波片，第二片波片快轴与第一片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2；步骤B3、在第二片四分之一波片上粘合第三片真零级四分之一波片，第三片波片快轴与第二片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组的慢轴方向相对于快轴方向相位延迟量分别为0、π/2、π/2、π／2。

本发明还提出一种基于像素的波片阵列的制作方法，包括如下步骤：步骤C1、在基底上粘合第一片真零级四分之一波片，其快轴与x轴重合，并对第一片四分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的第一块四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组的y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2；步骤C2、在第一片波片上粘合第二片真零级四分之一波片，第二片波片的快轴与第一片波片的快轴垂直，并对第二片四分之一波片进行刻蚀纵向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的第二块四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组的y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、-π／2、0、-π／2。

本发明还提出一种基于像素的波片阵列的制作方法，包括如下步骤：步骤D1：在基底上粘合一片真零级二分之一波片，其快轴方向与x轴重合，对该二分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的二分之一波片包括多个波片单元，每2×2个单元组成一个单元组，单元组的y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、0、π、π，其中，x、y方向是所述二分之一波长的平面方向上两个相互垂直的方向；步骤D2：在二分之一波片上粘合真零级四分之一波片，四分之一波片的快轴与二分之一波片的快轴垂直，并对四分之一波片进行刻蚀纵向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的该四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组中y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、-π／2、0、-π／2。

(三)有益效果

本发明提出的基于像素的波片阵列具有如下有益效果：

(1)采集一帧图像即可获得物光的光强和相位分布，因此可用来测量动态物体的光强和相位分布。

(2)采集一帧图像即可获得光的四个斯托克斯参量，因此可用来测量动态光波的四个斯托克斯参量。

(3)基于像素的波片阵列可以和偏振片、CCD(CMOS)集成到一起，不需要实验时对准。

(4)基于像素的波片阵列的刻蚀工艺是微米尺度，传统的光刻技术就能达到要求，工艺简单容易实现，成本低；而能够得到同样效果的金属纳米栅线的微偏振片阵列的刻蚀工艺是纳米尺度，必须采用干涉光刻或全息光刻，且需要三到四次干涉光刻或全息光刻，工艺复杂难度高，成本高。

(5)四种不同相位延迟的波片的厚度主要由材料的双折射系数决定的，采用方解石的真零级波片，厚度仅有几个微米。

附图说明

图1是本发明的基于像素的波片阵列的结构示意图；

图2是本发明的波片阵列与偏振片、图像传感器集成在一起的结构示意图；

图3是本发明的波片阵列的第一种制作方法的示意图；

图4是本发明的波片阵列的第二种制作方法的示意图；

图5是本发明的波片阵列的第三种制作方法的示意图；

图6是本发明的波片阵列的第四种制作方法的示意图；

图7波片阵列应用于实时全息测量物光的光强和相位分布的光路示意图

图8原始物光光强与相位分布和波片阵列应用于实时全息测量物光的光强和相位分布的数值模拟结果图像

图9以模拟的光强图像重构CCD处物光的光强和相位图像方法一

图10以模拟的光强图像重构CCD处物光的光强和相位图像方法二

具体实施方式

本发明提出了一种波片阵列，可实现测量动态物光波的斯托克斯矢量以及动态物体的光强和相位信息。本发明还给出了该波片阵列的几种不同的制作工艺，制作工艺基于微米尺寸，比偏振片阵列制作要简单，成本更低。

波片阵列的结构

图1是本发明的基于像素的波片阵列的结构示意图，如图1所示，波片阵列1由纵横排列的多个波片单元11构成。每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组12，单元组12内的四个波片单元11的厚度不同，使得光经过不同的波片时，光矢量沿慢轴方向分量相对于快轴方向分量的相位延迟量不相等，相位延迟量分别为0，π／2，π，3π／2。图1中横向阴影线表示相位延迟量为0的单元，45度斜向阴影线表示相位延迟量为π／2单元，竖向阴影线表示相位延迟量为π的单元，135度斜向阴影线表示相位延迟量为3π／2单元。

图2显示了本发明的波片阵列与偏振片和图像传感器集成在一起的光学元件的结构示意图。如图2所示，将波片阵列1、偏振片2与图像传感器3(如CCD、CMOS)依次叠置到一起。其中，将偏振片2加工到波片阵列1上较为合适，可直接在波片阵列1上用紫外敏感胶粘合一层含碘化物聚乙烯醇(PVA)薄膜(厚度约10um)或刻蚀一层金属纳米光栅(厚度约100nm)。

每个波片单元11的尺寸与所要装配的图像传感器阵列单元的一个像素(CCD或CMOS的像素)的尺寸一致。由于每个单元组12内的四个阵列单元11所获得的光强值并不是相互独立的，已知其中三个阵列单元的光强值即可算出另一个阵列单元的光强值，因此也可只制作具有三个相位延迟量的波片阵列。

该波片阵列1可用于实时测量光的斯托克斯矢量和实时相移数字全息测量物光的光强和相位信息，但是，当将偏振片2集成到波片阵列1上时，偏振片2的透偏振方向有特殊要求，偏振片2的透偏振方向与波片阵列1的快轴方向的夹角不能为0、π／4、π／2、3π／4，一般选为π／8最为合适。

波片阵列的制作方法一

图3是本发明的波片阵列的第一种制作方法的示意图。波片阵列可以通过直接对一片波片刻蚀不同厚度得到不同的相位延迟量，如图3所示，具体过程如下：

步骤A1：在一个基底上粘贴一片真零级波片，该波片的慢轴相对于快轴的相位延迟量为3π／2。该步骤还选取高透光率的材料作为基底并对其进行双面抛光；

步骤A2：对所述波片进行刻蚀，使之具有多个单元，且每相邻的2×2个单元构成一个单元组，每个单元组中的第一个单元的刻蚀深度为刚好刻蚀透波片。该步骤对波片进行像素尺寸刻蚀，所述波片单元的尺寸与图像传感器(CCD或CMOS)相同，此时获得第一个单元的相位延迟量为0；

步骤A3：在每个单元组中刻蚀第二个单元，该第二个单元的刻蚀深度为波片厚度的2／3。同样，波片单元的尺寸与感光元件(CCD或CMOS)相同，此时获得第二个单元的相位延迟量为π／2；

步骤A4：在每个单元组中刻蚀第三个单元，该第三个单元的刻蚀深度为波片厚度的1／3。同样，波片单元的尺寸与感光元件(CCD或CMOS)相同，此时获得第三个单元的相位延迟量为π。

第四个单元未被刻蚀，相位延迟量为3π／2。因此，通过本方法获得的波片阵列中每个2×2单元组中慢轴相对于快轴的相位延迟量为0，π／2，π，3π／2.

波片阵列的制作方法二

图4是本发明的波片阵列的第二种制作方法的示意图。波片阵列可通过在玻璃基底上依次粘贴四分之一波片并进行刻蚀，如图4所示，步骤如下：

步骤B1、在一个基底上粘合一个第一片真零级四分之一波片，将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、0、π／2。该步骤选取高透光率的材料作为基底，并进行双面抛光处理，在基底上用紫外敏感胶粘合该四分之一波片。

步骤B2、在第一片真零级四分之一波片上用粘合第二片真零级四分之一波片，第二片波片快轴与第一片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2。同样，可采用紫外敏感胶粘合。

步骤B3、在第二片四分之一波片上粘合第三片真零级四分之一波片，第三片波片快轴与第二片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组的慢轴方向相对于快轴方向相位延迟量分别为0、π／2、π／2、π／2。同样，可采用紫外敏感胶粘合。

因此其组合后的波片阵列中每个2×2单元组的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、π／2、π、3π／2。

波片阵列的制作方法三

图5是本发明的波片阵列的第三种制作方法的示意图。由于采用具有三个相位延迟量的波片阵列即可实现测量动态物体光强的斯托克斯参量和实时相移测量物光光强和相位的目的，本实时案例波片阵列可通过在玻璃基底上依次粘贴两片快轴方向互相垂直的四分之一波片并进行刻蚀，获得具有三个相位延迟量的波片阵列，如图5所示，步骤如下：

步骤C1、在基底上粘合第一片真零级四分之一波片，其快轴与x轴重合，并对第一片四分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的第一块四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组的y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2。其中，x、y方向是所述二分之一波长的平面方向上两个相互垂直的方向。该步骤选用透光率高的材料作为基底，并进行双面抛光处理，可采用紫外敏感胶粘合。

步骤C2、在第一片波片上粘合第二片真零级四分之一波片，第二片波片的快轴与第一片波片的快轴垂直，并对第二片四分之一波片进行刻蚀纵向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的第二块四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组的y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、-π／2、0、-π／2。

此时得到的波片阵列中每个2×2单元组沿第一片波片慢轴方向相对于第一片波片快轴方向的相位延迟量分别为0、-π／2、π／2、0，也即0、3π／2、π／2、0。

波片阵列的制作方法四

图6是本发明的波片阵列的第四种制作方法的示意图。波片阵列可通过在玻璃基底上依次粘贴快轴方向互相垂直的二分之一波片和四分之一波片并进行刻蚀制得，如图6所示，步骤如下：

步骤D1、在一个基底上粘合一片真零级二分之一波片，其快轴方向与x轴重合，对该二分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的二分之一波片包括多个波片单元，每2×2个单元组成一个单元组，单元组的y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、0、π、π。其中，x、y方向是所述二分之一波长的平面方向上两个相互垂直的方向，该步骤选用高透光率材料作为基底，并进行双面抛光处理。同样，可采用紫外敏感胶粘合。

步骤D2、在二分之一波片上粘合真零级四分之一波片，四分之一波片的快轴与二分之一波片的快轴垂直，并对四分之一波片进行刻蚀纵向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的该四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组中y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、-π／2、0、-π／2。

此时得到的波片阵列中每个2×2单元组沿y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、-π／2、π、π／2，也即0、3π／2、π、π／2。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：基于像素的波片阵列实时相移测量物光的光强分布和相位的方法。

如前所述，将波片阵列1、偏振片2集成到图像传感器3(CCD或CMOS)上，使得波片阵列1的每一个波片单元都与图像传感器3(CCD或CMOS)的像素单元一一对应，并用来采集图像。

该实施例的方法选用平行光作为参考光，将物光和参考光调制为互相垂直的线偏振光。波片阵列的快轴为f轴，慢轴为s轴。经第二块偏振分光棱镜反射的物光和透射的参考光为互相垂直的线偏振光，其中物光振幅E_s，频率ω，初始相位

，偏振方向与波片阵列快轴f夹角为θ；参光振幅E_r，频率ω，初始相位，偏振方向与波片阵列快轴f夹角为θ_π／2；偏振片的透偏振方向为物光初始偏振方向，与快轴f夹角为θ。

经过相位延迟量为0的波片和偏振片后被图像传感器单元记录的光强值I₀为物光在记录平面的光强值；经过相位延迟量为π／2的波片和偏振片后被感光元件记录的光强值I_π/2为物光振幅E_s、参考光振幅E_r、以及物光与参考光的相位差的正弦值

以及余弦值的函数；经过相位延迟量为π的波片和偏振片后被感光元件记录的光强值I_π为物光振幅E_s、参考光振幅E_r、以及物光与参考光的相位差的余弦值的函数；由三角函数知识，相位差的正弦值

与余弦值

的平方和为1。

可得到四个方程：

含有四个未知数(物光振幅E_s、参考光振幅E_r、物光与参考光相位差的正弦值

物光与参考光相位差的余弦值

且四个方程相互独立有唯一解，因此采用上式即可获得物光振幅E_s、参考光振幅E_r、物光与参考光的相位差

由方程组得

2(I_π/2-I₀/2-I_π/2)²+(I_π/-I₀/2-I_r/2)²=I₀I_r

I_r为参光光强，等于

式中只有I_r一个变量，因此可解出I_r值，也即解出了E_r值。将E_s与E_r值代入方程组，可得值和

值，因此可得

值。

由于参考光为平行光，记录平面上参考光的相位相等，因此物光与参考光的相位差值分布即可作为物光相位分布。因此通过一帧图像即可算出CCD(或CMOS)上的物光的光强和相位，并通过菲涅尔变换即可得到物面的光强和相位信息。

实施例2：基于像素的波片阵列实时测量光的四个斯托克斯参量的方法。

单色平面光波的各种偏振态可以用斯托克斯参量(S₀，S₁，S₂，S₃)来表示，斯托克斯参量可由光的电矢量s分量E_s和p分量振幅E_r及相位差

计算出来。该实施例2中，将波片阵列1和偏振片2组装到图像传感器3(CCD或CMOS)上，使得波片阵列1的每一个单元都与图像传感器3(CCD或CMOS)的像素单元一一对应，选择电矢量s方向为偏振片的透偏振方向，并用来采集图像。

经过相位延迟量为0的波片和偏振片后被感光元件记录的光强值I₀为s方向分量的光在记录平面的光强值；经过相位延迟量为π／2的波片和偏振片后被感光元件记录的光强值I_π/2为s方向分量振幅E_s、p方向分量振幅E_r、以及s分量与p分量的相位差的正弦值

以及余弦值

的函数；经过相位延迟量为π的波片和偏振片后被感光元件记录的光强值I_π为s方向分量振幅E_s、p方向分量振幅E_r、以及s方向与p方向的相位差的余弦值的函数；由三角函数知识，相位差的正弦值

与余弦值

的平方和为1。由以上可得到四个方程：

含有四个未知数(s方向分量振幅E_s、p方向分量振幅E_r、s方向分量与p方向分量的相位差的正弦值

s方向分量与p方向分量的相位差的余弦值

且四个方程相互独立，因此采用上式即可获得s方向分量振幅E_s、p方向分量振幅E_r、s方向分量与p方向分量的相位差

。

由方程组得

2(I_π/2-I₀/2-I_π/2)²+(I_π-I₀/2-I_r/2)²=I₀I_r

I_r为p方向光强，等于p方向振幅平方

。式中只有p方向光强I_r一个变量，因此可解出I_r值，也即解出了p方向振幅E_r值。将E_s与E_r值代入方程组，可得

值和

值，因此可得

值。

因此，通过一帧图像即可算出CCD(或CMOS)处的E_s、E_r以及

即可解算出斯托克斯参量。

实施例3：基于像素的波片阵列实时全息测量物光的光强和相位分布的方法和设备。

图7是实施例3的基于像素的波片阵列实时全息测量物光的光强和相位分布的设备的光路图。

如图7所示，该设备包括波片阵列1、偏振片2、图像传感器3、第一偏振分光器4、第二偏振分光器6、第一反射镜5、第二反射镜8和激光器9。

由激光器9发出的光经过扩束准直后照射第二偏振分光棱镜6，经偏振分光棱镜6透射和反射的光为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，其中反射光照射到待测物体7上，为物光，透射光为参考光。物光和参考光分别经过全反镜8和全反镜5反射后到达第一偏振分光棱镜4，被第一偏振分光棱镜4反射的物光和透射的参考光经过波片阵列1和偏振片2被图像传感器3接收。

在该实施例中，给定物光的振幅和相位，图像传感器3是像素数为1024×1024的CCD，每个像素的尺寸为10μm，物面与CCD记录平面的距离为10cm，激光波长为532nm。

初始光强和相位分布见图8A和图8B，图像的尺寸为2.56mm×2.56mm，代表物光照射的待测物体7后出射的光的光强和相位。

步骤S1：对物面的光的复振幅(由图8A和图8B合成)进行菲涅尔变换来模拟平行光照射到物面后传播的过程，获得CCD记录平面所能接收到的物光的复振幅。

步骤S2：参考光选用平行光，数值模拟物光与参考光经过波片阵列1和偏振片2后CCD记录的光强图像。

步骤S3：以模拟的记录光强图像解算出CCD处物光的光强和相位图像，并用菲涅尔变换还原物面7处物光的光强图8C和相位分布图8D。

在以上步骤S3中以模拟的记录光强图像解算出CCD处物光的光强和相位图像时，可以采用两种重构方法，图9是第一种重构方法的示意图。所述步骤S3包括步骤S3.1.1～S3.1.4。如图9所示，图9的a图为CCD记录平面得到的光强值；步骤S3.1.1、将图9的a图中所有相位延迟量为0处的点的光强值取出，得到图9的b图；步骤S3.1.2、将图9的a图中所有相位延迟量为π／2处的点的光强值取出，得到图9的c图；步骤S3.1.3、将图9a中所有相位延迟量为π处的点的光强值取出，得到图9的d图；步骤S3.1.4、将图9a中所有相位延迟量为3π／2处的点的光强值取出，得到图9的e图。

因此图9的b图至e图分别对应相位延迟量为0，π／2，π，3π／2时CCD记录的光强图，对于图9的b图至e图中的空值点，采用插值平均的方法近似，将空值点处补满。之后对图9的b图至e图进行相移计算，即可得到记录平面物光的复振幅，再通过菲涅尔变换，即可获得物面处的光的复振幅。以这种方法得到的物光的光强和相位分布结果见图8C和图8D。

图10是第二种重构方法的示意图。在该方法中，包括如下步骤：步骤S3.2.1、从图像中取出所有相邻的2×2的点组成的波片阵列单元组，每2×2个点包括相位延迟量为0、π／2、π、3π／2时记录的光强。步骤S3.2.2、将这四个点的光强值近似为同一点处的四个位相延迟量时的光强值，可通过对这四个光强值进行相移计算，解算出记录平面上一个点的光的复振幅值。步骤S3.2.3将解算出来的光的复振幅作为这四个点中的某一特定方位点的复振幅(如图10中作为左上方处点的复振幅)。步骤S3.2.4对所有相邻2×2的点都进行以上的相移计算后，即可得到记录平面物光的复振幅(横纵像素尺寸相对于原尺寸各减少一个像素)。步骤S3.2.5、通过对记录平面物光的复振幅进行菲涅尔变换，即可得到物面处光的复振幅。以这种方法得到的物光的光强和相位分布结果见图8E和图8F。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于像素的波片阵列，由纵横排列的多个波片单元(11)构成，其特征在于：每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组(12)，所述单元组(12)内的四个波片单元(11)的厚度不同，使得光经过不同的波片时，光矢量沿慢轴方向分量相对于快轴方向分量的相位延迟量不相等，相位延迟量分别为0、π／2、π、3π／2。

2.一种光学元件，包括波片阵列(1)、偏振片(2)和图像传感器(3)，其特征在于：所述波片阵列(1)为权利要求1所述的基于像素的波片阵列。

3.如权利要求2所述的光学元件，其特征在于：所述波片阵列(1)、偏振片(2)与图像传感器(3)依次叠置。

4.如权利要求3所述的光学元件，其特征在于：所述偏振片(2)的透偏振方向与所述波片阵列(1)的快轴方向的夹角为π／8。

5.一种基于像素的波片阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A1：在基底上粘贴一片真零级波片，该波片的慢轴相对于快轴的相位延迟量为3π／2；

步骤A2：对所述波片进行刻蚀，使之具有多个单元，且每相邻的2×2个单元构成一个单元组(12)，每个单元组中的第一个单元的刻蚀深度为刚好刻蚀透波片；步骤A3：在每个单元组中刻蚀第二个单元，该第二个单元的刻蚀深度为波片厚度的2／3；

步骤A4：在每个单元组中刻蚀第三个单元，该第三个单元的刻蚀深度为波片厚度的1／3。

6.一种基于像素的波片阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤B1、在基底上粘合一个第一片真零级四分之一波片，将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、0、π／2

步骤B2、在第一片真零级四分之一波片上粘合一个第二片真零级四分之一波片，第二片波片快轴与第一片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组中的慢轴方向相对于快轴方向的相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2；

步骤B3、在第二片四分之一波片上粘合第三片真零级四分之一波片，第三片波片快轴与第二片波片快轴重合，然后对该四分之一波片进行刻蚀，同样将其刻蚀成为包括多个波片单元，每相邻的2×2个波片单元构成一个单元组，每个单元组的慢轴方向相对于快轴方向相位延迟量分别为0、π／2、π／2、π／2。

7.一种基于像素的波片阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤C1、在基底上粘合第一片真零级四分之一波片，其快轴与x轴重合，并对第一片四分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的第一块四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组的y轴方向相对于x轴方向相位延迟量分别为0、0、π／2、π／2；

8.一种基于像素的波片阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤D1：在基底上粘合一片真零级二分之一波片，其快轴方向与x轴重合，对该二分之一波片进行刻蚀横向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的二分之一波片包括多个波片单元，每2×2个单元组成一个单元组，单元组的y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、0、π、π，其中，x、y方向是所述二分之一波长的平面方向上两个相互垂直的方向；

步骤D2：在二分之一波片上粘合真零级四分之一波片，四分之一波片的快轴与二分之一波片的快轴垂直，并对四分之一波片进行刻蚀纵向周期性光栅结构，光栅的周期为两个像素尺寸，得到的该四分之一波片包括多个波片单元，每2×2个波片单元组成一个单元组，每个单元组中y轴方向相对于x轴方向的相位延迟量分别为0、-π／2、0、-π／2。