CN110595620B - 一种光波偏振快速调制成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光波偏振快速调制成像装置及方法，装置包括计算机、电压控制放大器，以及依次同轴设置的激光器、衰减片组、Glan‑Thompson偏振器、电光相位调制器、1/4波片、sCOMS相机，1/4波片和sCOMS相机之间放置待测样品；计算机通过电压控制放大器接入电光相位调制器，sCOMS与计算机相连。激光器照射待测样品，同时由计算机驱动电压控制放大器和sCOMS相机，分别控制电光相位调制器快速改变相位延迟量和sCOMS相机采集偏振图像，电光相位调制器每一次改变固定相位sCOMS相机采集一次偏振图像，计算机利用通关穆勒矩阵运算对所有的偏振图像进行反演处理，获得细节清晰的非直观图像，实现偏振调制成像。本发明具有调制速度快、成像速度快、调制精确度高等优点。

Description

一种光波偏振快速调制成像装置及方法
技术领域
本发明属于光学图像技术领域，特别涉及一种光波偏振快速调制成像装置及方法。
背景技术
偏振是光波的一种独立信息，偏振成像技术研究内容非常广泛。偏振成像技术方案、偏振成像仪、偏振焦平面探测器、偏振成像试验和偏振光线追迹理论研究方面取得了丰硕成果。偏振成像为传统的光强成像增加偏振附加信息，可以有效抑制嘈杂背景信号，是一种实现立体成像和彩色成像的技术路线，能有效提高探测识别人造目标物体的能力，具有广阔的军事和民用应用前景。
目前光波偏振调制成像已经广泛用于成像技术，调制方法上主要是应用了手动旋转偏振片法、电机带动波片法、液晶偏振法等，这些方法普遍存在速度慢，调制结果误差大等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种速度快、误差低的光波偏振快速 调制成像装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种光波偏振快速调制成像装置，包括计算机、电压控制放大器，以及依次同轴设置的激光器、衰减片组、Glan-Thompson偏振器、电光相位调制器、1/4波片、sCOMS相机，1/4波片和sCOMS相机之间放置待测样品；计算机通过电压控制放大器接入电光相位调制器，sCOMS相机 与计算机相连；
所述激光器照射待测样品，同时由计算机驱动电压控制放大器和sCOMS相机，分别控制电光相位调制器快速改变相位延迟量和sCOMS相机采集偏振图像，电光相位调制器每一次改变固定相位sCOMS相机采集一次偏振图像，计算机利用穆勒矩阵运算对所有的偏振图像进行反演处理，获得细节清晰的非直观图像，实现偏振调制成像。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)调制速度快：电光相位调制器的控制通过电脑发送串口命令给电压控制放大器实现，串口控制是一种高速的控制方式，能够极大地提高调制速率，调制的频率可以达到MHz级别；2)调制误差小：由于电光晶体的特性稳定，调制过程中不易引入外部误差，且调制结果与电压呈线性关系，较为稳定； 3)不含有机械动作机构，大大降低了调制时延。
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的光波偏振快速调制装置示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的光波偏振快速调制成像装置，包括计算机1、电压控制放大器3，以及依次同轴设置的激光器4、衰减片组5、Glan-Thompson偏振器6、电光相位调制器 7、1/4波片8、sCOMS相机9，1/4波片8和sCOMS相机9之间放置待测样品；计算机 1通过电压控制放大器3接入电光相位调制器7，sCOMS相机 9与计算机1相连；
所述激光器4照射待测样品，同时由计算机1驱动电压控制放大器3和sCOMS相机9，分别控制电光相位调制器7快速改变相位延迟量和sCOMS相机9采集偏振图像，电光相位调制器7每一次改变固定相位sCOMS相机9采集一次偏振图像，计算机1利用穆勒矩阵运算对所有的偏振图像进行反演处理，获得细节清晰的非直观图像，实现偏振调制成像。
进一步优选地，Glan-Thompson偏振器6的快轴与电光相位调制器7的竖直方向成45度角，且能保证激光光束正入射至电光相位调制器7。
进一步优选地，所述1/4波片8的光轴与电光相位调制器7的竖直方向成45度角，且沿着激光束的方向与Glan-Thompson偏振器6的快轴重合。
基于上述光波偏振快速调制成像装置的光波偏振快速调制成像方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建光波偏振快速 调制成像装置；
步骤2、利用激光器照射待测样品，利用sCOMS相机采集一幅光强图，作为未被处理的原始图像并输入计算机；
步骤3、通过电压控制放大器控制电光相位调制器进行快速周期性调制，并通过sCOMS相机采集图像，获得多幅光强图并输入计算机；其中，快速周期性调制具体为：
根据入射光的矩阵Sin、Glan-Thompson偏振器6的矩阵Mpol、电光相位调制器7 的矩阵MEOM、1/4波片8的矩阵Mqwp，求得出射光的矩阵Sout：
Figure BDA0002176480430000031
由此获得出射光线偏振角度θ与电光相位调制器7相位延迟角度即方位角
Figure BDA0002176480430000032
之间的关系为：
Figure BDA0002176480430000033
其中，Sin、Mpol、MEOM、Mqwp分别为：
Figure BDA0002176480430000034
Figure BDA0002176480430000035
步骤4、计算机根据输入的光强图确定光强图的相位差和方位角；
步骤5、根据步骤4所得的相位差和方位角的值分别形成灰度图像，所述灰度图像中每点的灰度值代表相位差或方位角的大小，之后将灰度图变为彩色图并调整对比度获得待测样品的相位差非直观图像、方位角非直观图像；
步骤6、根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像；所用公式为：
Figure BDA0002176480430000036
式中，Idp为光强图的平均光强，δ为相位差，S0、S1、S2、S3为Stokes的四个参数。
本发明利用电光相位调制器的高响应速率和调制稳定性，再设计合理的光路，实现光束线偏振方向的快速调制，然后配合高速相机，利用计算机算法进行控制，实现光波偏振快速调制成像，具有调制速度快、成像速度快、调制精确度高等优点。

Claims (5)

1.一种光波偏振快速调制成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建光波偏振快速 调制成像装置；
该装置包括计算机(1)、电压控制放大器(3)，以及依次同轴设置的激光器(4)、衰减片组(5)、Glan-Thompson偏振器(6)、电光相位调制器(7)、1/4波片(8)、sCOMS相机(9)，1/4波片(8)和sCOMS相机(9)之间放置待测样品；计算机(1)通过电压控制放大器(3)接入电光相位调制器(7)，sCOMS相机 (9)与计算机(1)相连；
所述激光器(4)照射待测样品，同时由计算机(1)驱动电压控制放大器(3)和sCOMS相机(9)，分别控制电光相位调制器(7)快速改变相位延迟量和sCOMS相机(9)采集偏振图像，电光相位调制器(7)每一次改变固定相位sCOMS相机(9)采集一次偏振图像，计算机(1)利用穆勒矩阵运算对所有的偏振图像进行反演处理，获得细节清晰的非直观图像，实现偏振调制成像；
步骤2、利用激光器照射待测样品，利用sCOMS相机采集一幅光强图，作为未被处理的原始图像并输入计算机；
步骤3、通过电压控制放大器控制电光相位调制器进行快速周期性调制，并通过sCOMS相机采集图像，获得多幅光强图并输入计算机；
步骤4、计算机根据输入的光强图确定光强图的相位差和方位角；
步骤5、根据步骤4所得的相位差和方位角的值分别形成灰度图像，所述灰度图像中每点的灰度值代表相位差或方位角的大小，之后将灰度图变为彩色图并调整对比度获得待测样品的相位差非直观图像、方位角非直观图像；
步骤6、根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像。
2.根据权利要求1所述的光波偏振快速调制成像方法，其特征在于，所述Glan-Thompson偏振器(6)的快轴与电光相位调制器(7)的竖直方向成45度角，且能保证激光光束正入射至电光相位调制器(7)。
3.根据权利要求1所述的光波偏振快速调制成像方法，其特征在于，所述1/4波片(8)的光轴与电光相位调制器(7)的竖直方向成45度角，且沿着激光束的方向与Glan-Thompson偏振器(6)的快轴重合。
4.根据权利要求1所述的光波偏振快速调制成像方法，其特征在于，步骤3所述电光相位调制器进行快速周期性调制，具体为：
根据入射光的矩阵Sin、Glan-Thompson偏振器(6)的矩阵Mpol、电光相位调制器(7)的矩阵MEOM、1/4波片(8)的矩阵Mqwp，求得出射光的矩阵Sout：
Figure FDA0002962405220000021
由此获得出射光线偏振角度θ与电光相位调制器(7)相位延迟角度即方位角
Figure FDA0002962405220000022
之间的关系为：
Figure FDA0002962405220000023
其中，Sin、Mpol、MEOM、Mqwp分别为：
Figure FDA0002962405220000024
Figure FDA0002962405220000025
5.根据权利要求1所述的光波偏振快速调制成像方法，其特征在于，步骤6所述根据相位差、方位角，通过Mueller矩阵确定Stokes参量并进行Stokes参数非直观成像，所用公式为：
Figure FDA0002962405220000026
式中，Idp为光强图的平均光强，δ为相位差，S0、S1、S2、S3为Stokes的四个参数。
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