CN111256827B - 一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于偏振检测技术领域，公开了一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法。待测光源发出的偏振态未知的光波经四分之一波片后入射至零级涡旋半波片，零级涡旋半波片将入射光场转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器作用后形成亮暗呈楔形分布的光强图像。在检测时，通过前后两次调整四分之一波片的角度，使光强图像亮区分别到达两种特定的方位并采集光强图像，将两次采集的光强图像进行图像分析处理，并结合两次测量中四分之一波片的角度即可解算出待测光波的偏振态。本发明操作便捷、检测精度高，检测结果对光源的功率和波长变化不敏感。

Description

一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法

技术领域

本发明涉及偏振检测技术领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场调制与数字图像处理技术实现光波偏振态检测的方法。

背景技术

偏振是光波最基本的特征之一，偏振态的检测在很多领域中都有重要的应用，如在遥感探测中，可以从目标反射光的偏振状态中得知目标的方向朝向、形状、表面粗糙度等信息；在大容量、高速率、远距离光纤通信系统中需要对光纤中的偏振效应(如偏振模色散，偏振相关调制及损耗等)做出及时的检测、抑制与补偿，以提高信息的传输质量与传输距离；在生物医学领域，偏振检测可以用于皮肤癌的诊断、荧光偏振免疫分析等；在光学检测领域，可以利用椭偏仪检测出光波经薄膜样品透射或反射前后偏振态的变化，解算出薄膜样品的厚度与折射率等光学特性。因此实现对光波偏振态快速准确的检测具有重要的应用价值与实际意义。

目前实现偏振检测的方法主要有：调制型、分光型和干涉型三类。调制型检测系统通过旋转光路中的光学元件(如偏振片，波片等)或在光路中引入调制器件(如电光调制，磁光调制等)对光强进行调制，测量调制后的光强而得到斯托克斯参量。这类检测系统结构简单，但其一般适用于测量偏振态变化较慢的光波，且光学元件的机械旋转和光源功率的波动会引入测量误差。分光型检测方法进一步可分为分振幅和分波前两种方法，分振幅法利用部分反射镜或其它分光器件将待测光分为设置有不同检偏器件的多路，利用多个光电探测器同时测量各路功率，进而得到某一时刻光波的斯托克斯参量；分波前法通常是用同尺寸的多个光阑将光波的波前按功率等分为多路，然后对每路光信号进行相互关联的调制，再同时对各路光强进行探测并解算得到斯托克斯参量。分光型检测系统采用多通道同时测量的方法，有效地提高了测量速度，适用于实时检测场合，但降低了能量利用率并牺牲部分空间分辨率，且对各通道的空间配准要求较高。干涉型检测系统通过构造干涉光路，将多路调制有偏振信息的光束汇聚在探测面使其发生干涉，通过分析干涉图像获得光波的偏振状态，该方法仅适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测，且从干涉图像中提取偏振信息的运算量较大。

近年来广泛研究的偏振态检测方法，基本都可归结为以上三类。调制型如对比文件1中公布的(中国发明专利，201310176136.3)“光波偏振态高速静态测量装置及测量方法”，对铌酸锂晶体进行横向电光调制来实现光波偏振态的静态测量，测量过程中没有任何机械旋转，系统稳定性好，测量速度快，但其缺点是晶体自然双折射的存在会导致调制光发生畸变，因此测量过程需要采用其它方法补偿自然双折射的影响。分光型如对比文件2中公布的(中国发明专利，201410779529.8)“一种快速偏振检测仪和检测方法”，通过在检偏模块设置至少3个通道，同时对同一待测偏振光束进行分束检测，来获得待测光束的偏振状态，该方法可同时测量出待测光的全部斯托克斯参量，测量速度快，但其对各通道的空间配准要求较高。干涉型如对比文件3中公布的(中国发明专利，201110226648.7)“监测光纤偏振变化的方法与光路系统”，采用光纤耦合器构成干涉光路，通过对干涉光强进行检测来监测光纤偏振状态的变化，但该方案仅适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测。

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提供一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法。本发明操作简单便捷、检测精度高，检测结果对光源的功率和波长变化不敏感。

本发明提供的一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法，技术方案是：待测光源发出的偏振态未知的光波经四分之一波片后入射至零级涡旋半波片，零级涡旋半波片将入射光转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器检偏后形成亮暗呈楔形分布的图像并被相机采集，相机的输出端连接计算机，计算机对相机采集的光强图像进行处理。

本发明的详细技术方案为：

一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法，包括如下步骤：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为45°或135°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₁；

第三步，采集光强图像I₁并计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

3.1采集并处理光强图像I₁，得到光强图像I₁的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁，对比度C₁的定义为：

3.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的振幅比τ₁：

第四步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₂；

第五步，采集光强I₂并计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

5.1采集并处理光强图像I₂得到光强图像I₂亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂；

5.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂，计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的相位差δ₂：

第六步，计算待测光波的偏振参数，得到光波的偏振态

待测光波的P、S分量的振幅比为τ，相位差为δ，则(τ,δ)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)关系确定为：

其中，(式4)中|()|表示求括号内复数的模；(式5)中arg()表示求括号内复数的辐角；i表示虚数单位；利用(式4)、(式5)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)计算出待测光波P、S分量的振幅比τ与相位差δ，进而得到待测光波的偏振态。

本发明具有以下效益：

(1)本发明的检测结果对光源功率和波长变化不敏感，避免了光源功率和波长波动带来的检测误差；

(2)本发明提供的检测方法，其光路紧凑、操作简便、光能利用率高；

(3)通过两次对特征位置的测量，显著降低了图像对比度测量误差对检测结果的影响，提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法的光路示意图；

图2为本发明提供的一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法的具体实施流程图；

图3为调节四分之一波片使亮区中心线在135°附近时的光强图像；

图4为对图3中图像处理得到亮区中心线的方位角；

图5为调节四分之一波片使亮区中心线在0°附近时的光强图像；

图6为对图5中图像处理得到亮区中心线的方位角；

图7为实施例待测光波偏振态的椭圆表示方式；

图8为实施例待测光波偏振态的庞加莱球表示方式；

其中：1—待测光源，2—四分之一波片，3—零级涡旋半波片，4—检偏器，5—相机，6—计算机。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明提供的一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法的光路示意图，从左至右依次并排设置待测光源1、四分之一波片2、零级涡旋半波片3、检偏器4、相机5和计算机6。待测光源1发出偏振态未知的光波经四分之一波片2后入射至零级涡旋半波片3，零度快轴设置在0^°方向的零级涡旋半波片3将入射光场转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经水平方向透光的检偏器4检偏后形成亮暗呈楔形分布的图像并被相机5采集，相机的输出端连接计算机6，计算机对相机采集的光强图像进行处理。

图2为本发明提供的一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法的具体实施流程图。本发明提供的检测方法具体步骤包括：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为45°或135°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₁；

第三步，采集光强图像I₁并计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

3.1采集并处理光强图像I₁，得到光强图像I₁的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁，对比度C₁的定义为：

3.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的振幅比τ₁：

第四步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₂；

第五步，采集光强I₂并计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

5.1采集并处理光强图像I₂得到光强图像I₂亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂；

5.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂，计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的相位差δ₂：

第六步，计算待测光波的偏振参数，得到光波的偏振态

待测光波的P、S分量的振幅比为τ，相位差为δ，则(τ,δ)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)关系确定为：

其中，(式4)中|()|表示求括号内复数的模；(式5)中arg()表示求括号内复数的辐角；i表示虚数单位；利用(式4)、(式5)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)计算出待测光波P、S分量的振幅比τ与相位差δ，进而得到待测光波的偏振态。

采用本发明检测方法进行了仿真验证实验，结果表明本发明提供的方法可有效检测光波的偏振态。

仿真验证实例具体实施中所采用的待测光波的P、S分量振幅比和相位差分别为：τ＝3,δ＝120°；仿真实验过程中，在光强图像中加入高斯噪声以模拟实际采集图像中的噪声，噪声参数设置为0.01。

首先旋转四分之一波片使得入射光经过检测系统后的光强图像如图3所示(亮区中心线在135度附近)，记录此时四分之一波片的方位角θ₁＝27.0°。

对图3所示的光强图像采集并进行处理即可得到亮区方位角

如图4所示，同时得到光强图像的亮暗对比度C₁：

待测光波经过四分之一波片后P分量与S分量振幅比可由(式7)计算：

再次旋转四分之一波片使得入射光经过偏振态检测系统后，在相机上采集的图像如图5所示(亮区中心线在0度附近)，记录此时四分之一波片的方位角θ₂＝51.3°。

对图5所示的光强图像进行处理即可得到亮区方位角

如图6所示，同时得到光强图像的亮暗对比度C₂：

待测光波经过四分之一波片后P分量与S分量相位差可由(式8)计算：

利用(式9)、(式10)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)即可计算出待测光波P、S分量的振幅比τ与相位差δ：

从图3与图5可以看出，所采集的图像中虽然包含了大量的噪声，但是利用本发明所提供的检测光波偏振态方法，检测得到的光波P、S分量的振幅比τ与相位差δ误差分别为0.0005与0.007°以内，表现出了极高的检测精度。图7为此待测光波偏振态的椭圆表示，图8为此待测光波偏振态的庞加莱球表示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法，其特征在于，从左至右依次并排设置待测光源、四分之一波片、零级涡旋半波片、检偏器、相机和计算机，待测光源发出偏振态未知的光波经四分之一波片后入射至零级涡旋半波片，零级涡旋半波片将入射光转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器检偏后形成亮暗呈楔形分布的图像并被相机采集，相机的输出端连接计算机，计算机对相机采集的光强图像进行处理，具体包括如下步骤：

第一步，实时监测光强图像亮区方位角；

第二步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为45°或135°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₁；

第三步，采集光强图像I₁并计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

3.1采集并处理光强图像I₁，得到光强图像I₁的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁，对比度C₁的定义为：

3.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的振幅比；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₁计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的振幅比τ₁：

第四步，调整四分之一波片的角度，使得图像亮区方位角为0°或90°或两者附近，记录当前四分之一波片的角度θ₂；

第五步，采集光强I₂并计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

5.1采集并处理光强图像I₂得到光强图像I₂亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂；

5.2计算四分之一波片之后光波P、S分量的相位差；

利用图像处理得到的亮区方位角

与亮暗区域对比度C₂，计算四分之一波片之后光波P分量和S分量的相位差δ₂：

第六步，计算待测光波的偏振参数，得到光波的偏振态

待测光波的P、S分量的振幅比为τ，相位差为δ，则(τ,δ)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)关系确定为：

其中，(式4)中|()|表示求括号内复数的模；(式5)中arg()表示求括号内复数的辐角；i表示虚数单位；利用(式4)、(式5)与测量中得到的参量(θ₁,τ₁)和(θ₂,δ₂)计算出待测光波P、S分量的振幅比τ与相位差δ，进而得到待测光波的偏振态。

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