CN111579075B - 一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于偏振检测技术领域，公开了一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法。待测光源发出的偏振态未知的光波经零级涡旋半波片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调制图像，利用相机采集光强调制图像，并对采集的光强图像预处理后进行傅里叶分析，即可计算出待测光波的斯托克斯矢量。本发明提出的偏振检测方法无机械旋转运动部件，单次拍图分析便可实现偏振检测，光路简单、操作便捷、稳定性好、测量速度快、精度高，且检测结果对光源的功率和波长变化不敏感。

Description

一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法

技术领域

本发明涉及偏振检测技术领域，进一步是涉及一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法。

背景技术

偏振是电磁波的一个基本特性，偏振态的快速准确检测在很多领域都有重要应用。在偏振遥感领域，需要根据目标反射光的偏振状态来解算目标的方位朝向、形貌、表面粗糙度等信息；在高速大容量远距离光纤通信领域，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，偏振检测可以用于癌变组织的临床诊断、荧光偏振免疫分析等；在光学薄膜检测领域，通常利用椭偏仪测量出光波经薄膜样品透射或反射前后偏振态的变化，进一步解算出薄膜的厚度与折射率等光学参数。因此，实现光波偏振态的快速准确检测具有十分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、分光型和干涉型三大类。调制型检测系统进一步可以分为时序调制型和空间调制型两种。时序调制型通过旋转测量光路中的光学元件(如偏振片、波片等)或在光路中引入时序型调制器件(如电光调制器、磁光调制器、弹光调制器等)对光波进行连续调制，测量并分析不同时刻下的光强，进而得到待测光波的Stokes(斯托克斯)参量。旋转式时序调制型系统一般适用于测量静态或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等会引入测量误差；基于光电子调制器的系统一般对光源的波长漂移和测量环境的温度变化很敏感，限制了实际的应用范围。空间调制型通常使用空间调制型器件(如空间光调制器、相位延迟器、光栅等)对光波的相位(或偏振)进行调制，使其产生空间变化的光强分布，通过对经空间调制的光强分布进行分析进而得到待测光波的Stokes参量。空间调制型系统单次测量即可得到待测光波的偏振状态，测量速度快，且对光源的功率、波长变化不敏感，但是空间调制型器件的制备与Stokes参量的解算过程通常较为复杂。分光型检测方法进一步可分为分振幅、分波前和分焦平面三种方法，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光功率，进而得到某一时刻光波的Stokes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Stokes参量；分焦平面法是在阵列探测器上方覆盖一层周期性排布的微偏振片阵列，不同取向的微偏振片下方的探测器获取不同的偏振分量信息，通过综合分析便可解算出入射光波的Stokes参量。分光型检测系统由于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比较高。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并发生干涉，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。

近年来广泛研究的光波偏振态检测方法，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(201711227767.8)“一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置”，利用数字编码的双折射晶体对入射光束进行空间偏振调制，并在焦平面前设置微偏振片阵列，最终根据光强探测器对应单个宏像素内相邻四个像元探测到的光强值计算目标的偏振态，单次曝光即可测得全斯托克斯矢量，且测量过程中没有任何机械旋转，系统稳定性好，但缺点是实际应用中系统结构参数需要满足一定的限制条件，双折射晶体材料和参数的选择也会对装置性能产生影响，且二元编码的双折射晶体为波长敏感器件，不适于多波长测量。分光型如对比文件2中公布的中国发明专利(200910092602.3)“一种光偏振检测仪”，利用分束器以分振幅方式实现了多个通道偏振信息的同时检测，但分束器分成三个通道的能量分光比是波长相关的，即波长不同时系统的标校参数不同，影响了检测应用的灵活性和适应性。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：针对现有方法系统稳定性差、操作过程复杂、测量结果对光源功率波动与波长变化敏感，测量速度较慢等缺点，提供一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法。本方法无机械旋转运动部件，单次拍图分析便可实现偏振检测，光路简单、操作便捷、稳定性好、测量速度快、精度高，且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傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法，技术方案是：待测光源发出的偏振态未知的光波经光学系统变换至合适尺寸后入射至零级涡旋半波片，零级涡旋半波片将入射光波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光强调制图像，利用相机采集该光强调制图像，相机的输出端连接计算机，计算机对采集的光强图像预处理后进行傅里叶分析，得到待测光波的偏振状态。

本发明的详细技术方案为：

一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法，包括如下步骤：

第一步，采集光强图像I₀；

第二步：对图像I₀进行感兴趣区域(Region of interest,ROI)裁剪，得到圆环图像I₁；

将采集的光强图像I₀的像素尺寸分为M行×N列，将图像中任意一点的空间坐标表示为(x_m,y_n)，其中1≤m≤M，1≤n≤N；首先确定呈楔形亮暗分布的光强图像的中心坐标(x_m0,y_n0)，然后以该像素点为中心将图像裁剪为内径为R₁、外径为R₂的圆环图像I₁；

第三步，计算光强随方位角变化的调制曲线；

对图像I₁沿从圆心指向圆环的半径方向进行投影，即对图像I₁沿各个半径做线积分，选择投影的方位角范围为0到2π，投影步长为L，共有2π/L+1个投影角度，将它们所组成的投影角度序列表示为

则

0≤k≤2π/L；记录各方位角处的投影值的序列为

则

作

图得到光强随方位角变化的调制曲线；

第四步，对光强调制曲线进行傅里叶分析，计算待测光波的斯托克斯参量；

对光强调制曲线进行傅里叶分析，得出常数项A₀与二次谐波项的傅里叶系数余弦二次谐波项A₁与正弦二次谐波项A₂：

将待测光波归一化斯托克斯矢量的前三个参量S₀，S₁与S₂表示为：

对于完全偏振的入射光波，其斯托克斯矢量的第四个参量由其它三个参量间接计算而得：

本发明具有以下效益：

(1)本发明提供的检测方法光路简单、操作简便，无机械旋转运动部件，稳定性高；

(2)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；

(3)选取成像质量较好的圆环区域作为感兴趣区域进行图像处理，避免了相机成像时的渐晕效应及涡旋波片中心制作不完美所带来的成像缺陷，有助于提高测量精度；

(4)本发明对光强图像进行单次采集即可计算出待测光波的偏振状态，测量速度快，适合于实时测量。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法的光路示意图；

图2为本发明提供的一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法的具体实施流程图；

图3为某线偏振光入射时采集到典型光强图像I₀；

图4为对光强图像I₀进行裁剪得到的圆环图像I₁；

图5为光强随方位角变化的调制曲线；

图6为对某一偏振态的入射光进行重复测量得到的S₁的测量值；

图7为对某一偏振态的入射光进行重复测量得到的S₂的测量值；

图8为对不同偏振态的入射光测量的斯托克斯参量S₁的值及其测量误差；

图9为对不同偏振态的入射光测量的斯托克斯参量S₂的值及其测量误差；

其中：1—待测光源，2—扩束器，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傅里叶分析的光波偏振态快速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、扩束器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扩束器2扩束后入射至零度快轴设置在0°方向的零级涡旋半波片3，零级涡旋半波片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光强图像并被相机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，并得到待测光波的斯托克斯矢量。

图2为本发明提供的一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速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，采集光强图像I₀；

第二步：对图像I₀进行感兴趣区域(Region of interest,ROI)裁剪，得到圆环图像I₁；

将采集的光强图像I₀的像素尺寸分为M行×N列，将图像中任意一点的空间坐标表示为(x_m,y_n)，其中1≤m≤M，1≤n≤N；首先确定呈楔形亮暗分布的光强图像的中心坐标(x_m0,y_n0)，然后以该像素点为中心将图像裁剪为内径为R₁、外径为R₂的圆环图像I₁；

第三步，计算光强随方位角变化的调制曲线；

对图像I₁沿从圆心指向圆环的半径方向进行投影，即对图像I₁沿各个半径做线积分，选择投影的方位角范围为0到2π，投影步长为L，共有2π/L+1个投影角度，将它们所组成的投影角度序列表示为

则

0≤k≤2π/L；记录各方位角处的投影值的序列为

则

作

图得到光强随方位角变化的调制曲线；

第四步，对光强调制曲线进行傅里叶分析，计算待测光波的斯托克斯参量；

对光强调制曲线进行傅里叶分析，得出常数项A₀与二次谐波项的傅里叶系数余弦二次谐波项A₁与正弦二次谐波项A₂：

将待测光波归一化斯托克斯矢量的前三个参量S₀，S₁与S₂表示为：

对于完全偏振的入射光波，其斯托克斯矢量的第四个参量由其它三个参量间接计算而得：

为检验本发明所提技术方案的实际检测效果，依据图1所示的系统结构图搭建了光波偏振态检测实验光路。具体实施例中使用的主要设备说明如下：偏振态检测实验系统中所用光源为波长632.8nm的He-Ne激光器，涡旋波片为Thorlabs(索雷博)公司生产的WPV10L-633型零级涡旋半波片，检偏器为Thorlabs(索雷博)公司生产的LPVISE100-A型偏振片，相机为FLIR(菲力尔)公司生产的GS3-U3-41C6M-C型相机。

将待测光波设置为62°方向振动的线偏振光，经计算其斯托克斯参量的标准值S₀＝1,S₁＝-0.5592,S₂＝0.8290，该待测偏振光波经检偏光路后形成亮暗呈楔形分布的光强图像。第一步，对光强分布图像进行采集，采集的光强图像I₀如图3所示；第二步，对图像的感兴趣区域(ROI)进行裁剪，相机所采集的光强图像I₀的像素尺寸为2048×2048，图像的中心为像素(1003,1009)，以图像中心为原点，将图像裁剪为内径R₁＝200，外径R₂＝500的圆环图像I₁，图4即为裁剪所得的圆环图像；第三步，计算光强随方位角变化的调制曲线，对图像I₁沿从圆心指向圆环的半径方向进行投影，选择投影的方位角范围为0到2π，投影步长取为L＝2π720，共有721个投影角度，将它们所组成的投影角度序列表示为

则

0≤k≤720，记录各方位角处的投影值的序列为

则

图5为所作的

图，即光强随方位角变化的调制曲线图；第四步，对图5中的光强调制曲线进行傅里叶分析，得出常数项A₀与二次谐波项的傅里叶系数余弦二次谐波项A₁与正弦二次谐波项A₂：

并对其进行归一化得到待测光的归一化斯托克斯参量为：

与标准值S₀＝1,S₁＝-0.5592,S₂＝0.8290的最大误差不超过0.003，初步验证了采用本发明所提技术方案可实现光波偏振态的有效检测。

为检验本发明测量系统的稳定性，利用本发明所提供的偏振态测量方法在某一入射偏振态下采集多幅图像并进行重复性计算实验。实验中入射光波的偏振态(起偏器的方位)保持不变，控制相机每隔2秒采集一幅图像，连续采集20幅光强图像并对它们进行傅里叶分析以计算待测光的斯托克斯参量。图6与图7为对某一偏振态的入射光进行重复测量得到的S₁与S₂的测量值。由图6与图7可见，同一偏振状态下采集的不同图像的计算结果重复性很好，20幅图像计算结果的S₁的平均值为-0.3076，标准偏差为8.256×10^-5，任意两个S₁测量值的最大误差为0.0002；S₂的平均值为0.8733，标准偏差为9.733×10^-5，任意两个S₂测量值的最大误差为0.0003。

为进一步验证本发明的有效性与精确性，采用本发明所提供的技术方案对不同偏振状态的光波进行检测，实验中通过控制步进电机(Thorlabs公司生产的PRM1Z8型高精度步进电机)每次旋转1度，带动偏振片旋转1度，连续产生16个不同偏振方向的光波作为待测线偏振光，并连续采集待测光波进入偏振检测系统之后形成的光强图像，然后对16幅光强图像进行傅里叶分析以计算待测光的斯托克斯参量，具体计算结果如图8与图9所示。图8与图9分别为对不同偏振态的入射光测量的斯托克斯参量S₁与S₂的测量值及其测量误差。由图8与图9可见，在从起始位置1度旋转至16度的变化范围内，斯托克斯参量S₁、S₂的测量值与标准值吻合很好，16个测量结果中S₁与S₂的最大误差分别为0.0045和0.0018，标准偏差分别为0.0025和0.0009，进一步证明了本发明的有效性与精确性。

上述说明示出并描述了发明应用的实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，采集光强图像I₀；

第二步：对图像I₀进行感兴趣区域裁剪，得到圆环图像I₁；

将采集的光强图像I₀的像素尺寸分为M行×N列，将图像中任意一点的空间坐标表示为(x_m,y_n)，其中1≤m≤M，1≤n≤N；首先确定呈楔形亮暗分布的光强图像的中心坐标(x_m0,y_n0)，然后以该像素点为中心将图像裁剪为内径为R₁、外径为R₂的圆环图像I₁；

第三步，计算光强随方位角变化的调制曲线；

对图像I₁沿从圆心指向圆环的半径方向进行投影，即对图像I₁沿各个半径做线积分，选择投影的方位角范围为0到2π，投影步长为L，共有2π/L+1个投影角度，将它们所组成的投影角度序列表示为

则

记录各方位角处的投影值的序列为

则

作

—

图得到光强随方位角变化的调制曲线；

第四步，对光强调制曲线进行傅里叶分析，计算待测光波的斯托克斯参量；

对光强调制曲线进行傅里叶分析，得出常数项A₀与二次谐波项的傅里叶系数余弦二次谐波项A₁与正弦二次谐波项A₂：

将待测光波归一化斯托克斯矢量的前三个参量S₀，S₁与S₂表示为：

对于完全偏振的入射光波，其斯托克斯矢量的第四个参量由其它三个参量间接计算而得：

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