CN113447126B - 一种空间调制偏振检测系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间调制偏振检测系统及设计方法，用于对待测样品的偏振特性进行检测，属于光学设计技术领域，该系统包括光源、偏振态产生器、空间光滤波器、准直透镜、相位延迟器、偏振态分析器、聚焦透镜、探测器及数据处理模块；该系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于相位延迟器与准直透镜之间；所述四分之一波片的快轴方位角为

所述

由所述偏振态系数对比度最大来确定。本申请选取四分之一波片的最优快轴方位角使强度分布模型中的模型参数有最大的对比度，以使得拟合解算偏振态过程中有全局最优解，来提高偏振态的解算精度。

Description

一种空间调制偏振检测系统及设计方法

技术领域

本发明属于偏振测量的技术领域，具体涉及一种空间调制偏振检测系统及设计方法。

背景技术

偏振是光的重要属性，偏振光对光学元件、材料、生物组织等样品中微结构特性十分敏感。光与样品相互作用会发生折射、反射、散射等过程进而改变入射光的偏振态。样品对光的偏振态的改变能力用穆勒Mueller矩阵表示，Mueller矩阵包含了样品的全部偏振信息，可进一步分解为退偏、相位延迟、二向色性、快轴方向角、旋光等与样品微结构密切相关的、具有实际物理意义的、可量化的偏振参数，可用于获取样品的偏振特性和结构参数。偏振测量作为光和样品偏振特性分析的重要工具，已经被广泛的应用于生物医学、量子通信、激光雷达等领域。

如图1所示，目前现有的空间调制偏振检测系统包括光源101、偏振态产生器102、空间光滤波器103、准直透镜104、相位延迟器105、偏振态分析器106、聚焦透镜107、探测器108及数据处理模块109；待测光束依次透过偏振态产生器102、空间光滤波器103、准直透镜104、空间变化的相位延迟器105及偏振态分析器106，之后光束被聚焦透镜107成像到探测器108；探测器108接收一幅待测光的强度分布，将获取的强度图发送到数据处理模块109进行数据处理，进一步给出待测光的偏振信息。在该系统中，偏振态分析器快轴方位角设置位置不相同时，所检测的结果也存在不同，因此偏振态分析器快轴方位角的朝向，决定了系统测量的精准度。

专利文件CN110806266A公开了一种偏振态检测系统中偏振态分析器的选择方法，此方法通过计算偏振几率密度的偏导数，判断偏导数是否有唯一零点来确定合适的偏振态分析器，但是该方法存在如下问题：

第一、当多次旋转偏振态分析器的波片得到多个波片快轴方位角，由此得到的多个偏振几率密度函数的偏导数同时有唯一零点时，此时无法判断出哪个唯一零点所对应波片快轴方位角最优，因此上述方法在给定几个偏振态分析器时，仅能选出合适的偏振态分析器，不能够遍历所有偏振态分析模式找出最优的偏振态分析器。

第二、设定约束条件为：选择偏振态分析器的波片可变快轴方位角，其偏振片透光轴方向固定为水平方向；因此该技术中仅考虑偏振态分析器波片的不同快轴方位角对偏振检测的影响，没有考虑偏振片不同旋转角度的影响，通过此方法得到的偏振态分析模式仅得到偏振态分析器中合适的四分之一波片快轴方位角，不能够获得合适的偏振片角度。

论文文件“Spatially modulated polarimetry based on a vortex retarderand Fourier analysis”公开了一种使用涡旋半波片作为空间变化调制器的空间调制偏振计，该方法光路结构简单通过单次拍摄获取待测光偏振态，系统稳定性、鲁棒性高。然而，该方法仅使用涡旋半波片不能够实现对圆偏振分量的空间调制，因此该方法不能直接检测斯托克斯的s₃参量，仅能够实现完全偏振光的偏振态检测不能够实现部分偏振光的偏振态检测。因此，需要对空间调制器涡旋半波片进行设计优化，以实现准确测量全部归一化的斯托克斯参量。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种空间调制偏振检测系统及设计方法，利用该系统能够实现对待测样品的偏振特性进行精准的测量。

实现本发明的技术方案如下：

一种空间调制偏振检测系统，用于对待测样品的偏振特性进行检测，包括光源、偏振态产生器、空间光滤波器、准直透镜、相位延迟器、偏振态分析器、聚焦透镜、探测器及数据处理模块；该系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于相位延迟器与准直透镜之间；所述四分之一波片的快轴方位角为

所述

由所述偏振态系数对比度最大来确定。

进一步地，本发明所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角为水平方向。

一种空间调制偏振检测系统的设计方法，用于对待测样品的偏振特性进行检测，具体过程为：

在空间调制偏振检测系统中相位延迟器与准直透镜之间设置四分之一波片；

多次调整所述四分之一波片的快轴方位角θ，计算每一次调整所对应的偏振态的偏振系数ν₁、ν₂、ν₃；

获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

将所述四分之一波片的快轴方位角调整为

进一步地，本发明所述相位延迟器采用涡旋半波片。

进一步地，本发明将所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角固定为水平方向。

进一步地，本发明所述偏振态系数ν₁、ν₂、ν₃的表示形式如下：

其中，θ表示四分之一波片的快轴方位角，

表示涡旋波片的快轴方位角。

进一步地，本发明所述获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

的具体过程为：

构建最优偏振态分析模型，根据所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

所述最优偏振态分析模型为：

其中，ν_imax表示模型参数ν_i(i＝1,2,3)中的较大值，mean(ν_imax)表示ν_imax的平均值，ν_imin表示模型参数ν_i中较小的值，mean(ν_imin)表示ν_imax平均值，两平均值的差值表示模型参数ν_i的对比度。

进一步地，本发明所述模型参数ν_i中的较大值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较大的(n₁×n₂)/2个元素，模型参数ν_i中的较小值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较大的(n₁×n₂)/2个元素。

进一步地，本发明所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

的快速搜索方法为：

设定θ的初始值；

设定损失函数的改变量

当所计算的损失函数大于零时，增大所述θ，反之，减小所述θ；

将所述θ增大或减小为：

其中α表示学习率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为目前现有的空间调制偏振检测系统的示意图；

图2为本发明设计的空间调制偏振检测系统的示意图；

其中，201-光源，202-偏振态产生器，203-空间光滤波器，204-准直透镜，205-四分之一波片，206-涡旋半波片，207-偏振态分析器，208-聚焦透镜，209-探测器，210-数据处理模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

本发明的设计思想为：当待测光透过系统后在探测面强度分布差异越大，对比度就越大，在利用拟合算法解算偏振态收敛性越好，解得的偏振态更为准确，因此本申请在系统中设置四分之一波片，待测光束依次透过四分之一波片、涡旋半波片、聚焦透镜、偏振态分析器，最终成像到探测器。探测器接收一幅待测光的强度分布，将获取的强度图发送到数据处理模块进行数据处理，进一步解算出待测光的偏振信息。探测面强度分布同四分之一波片、涡旋半波片及偏振态分析器的穆勒矩阵、入射光偏振态之间存在关系，涡旋半波片及偏振态分析器相对固定，多次调整四分之一波片快轴方位角，当在某一方位角下对比度达到最大，表明在该方位角下解得的偏振态的准确度越高。

基于上述设计思想，本申请实施例一种空间调制偏振检测系统，用于对待测样品的偏振特性进行检测，包括光源、偏振态产生器、空间光滤波器、准直透镜、相位延迟器、偏振态分析器、聚焦透镜、探测器及数据处理模块；该系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于相位延迟器与准直透镜之间；所述四分之一波片的快轴方位角为

所述

由所述偏振态系数对比度最大来确定。

本发明一实施例中，所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角为水平方向。

基于上述设计思想，本申请实施例一种空间调制偏振检测系统的设计方法，用于对待测样品的偏振特性进行检测，具体过程为：

如图2所示，在空间调制偏振检测系统中相位延迟器与准直透镜之间设置四分之一波片；

将所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角固定为水平方向；

多次调整所述四分之一波片的快轴方位角θ，计算每一次调整所对应的偏振态的偏振系数ν₁、ν₂、ν₃；

获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

将所述四分之一波片的快轴方位角调整为

本实施例在系统中设置四分之一波片，由于不同快轴方位角的四分之一波片，会产生不同模型参数，模型参数空间变化特性直接影响待测偏振态的检测结果，若模型参数无空间变化特性或是空间变化特性很小(对比度较小)，那不同偏振态对应的强度分布差异不明显，在使用拟合算法解算待测偏振态的过程中，会导致偏振态解算不收敛，因此偏振态解算误差较大。本申请实施例中选取所述四分之一波片的最优快轴方位角是使强度分布模型中的模型参数(即偏振态系数)有最大的对比度，以使得拟合解算偏振态过程中有全局最优解，来提高偏振态的解算精度。利用本申请实施例的设计方法所设计的系统，能够精确测量偏振光的偏振态。

本申请一实施例中，相位延迟器采用涡旋半波片。

本实施例中将四分之一波片同涡旋半波片相结合，通过使用模型参数对比度最大化的优化算法，选出最优的四分之一波片的快轴方位角。该发明解决了原空间调制偏振计不能获取空间调制圆偏振分量的问题，实现了对全偏振分量的空间调制，能够直接解算出归一化的斯托克参量。对于待测光偏振态的检测，本方法不需要旋转复杂光学器件，能够实现高精度、实时动态测量。

本申请一实施例中，在本系统中，所述偏振态系数ν₁、ν₂、ν₃的表示形式如下：

其中，θ表示四分之一波片的快轴方位角，

表示涡旋波片的快轴方位角；由于所述涡旋波片的快轴是变化，因此快轴方位角

为一矩阵，可以通过实测获得。

本实施例中，偏振态系数ν₁、ν₂、ν₃表达式的推导过程为：

步骤一，获取空间变化涡旋半波片的穆勒矩阵值M；

本步骤中空间变化涡旋半波片的穆勒矩阵值通过实验测得，假设入设至空间变化涡旋半波片的待测光偏振态为

T表示矩阵转置，则从空间变化涡旋半波片出射光束的偏振态为

偏振分析器的偏振片透光轴方向和波片的快轴方位角固定为水平方向，偏振片和波片的穆勒矩阵可表示为：

设涡旋波片的快轴方位角为

涡旋半波片的穆勒矩阵表示为M₂：

步骤二，建立探测面强度分布模型，利用穆勒-斯托克斯理论关系，将上述穆勒矩阵与待测光斯托克斯矢量相乘，即能得到偏振态分析器出射光的偏振态，取出射光偏振态的第一个斯托克斯分量来表示所述探测面的强度值I表示为：

其中，所指强度分布是相对强度，使用探测器获取图像的灰度值表示。考虑到器件加工和对准误差以及系统微弱变动，为弥补系统误差，上述空间变化涡旋半波片的穆勒矩阵值可以实验测得，使用测得的实验值代替理论值带入到上述强度分布模型，以实现器件加工和对准误差的标定。

步骤二中的公式可如下表示：

其中，ν₁,ν₂,ν₃可表示为：

模型参数ν₁、ν₂、ν₃是偏振态(s₁,s₂,s₃)的系数，其与所选空间变化调制器的穆勒矩阵和偏振态分析器的检偏方式相关的物理量，通过上式可以将入射光偏振态映射到一幅强度分布，不同偏振态对应的强度分布伴随不同的空间变化特性。获取探测面强度图后，进一步通过拟合算法可以解算出入射光的偏振态，偏振态的解算精度取决于理论模型的模型参数ν₁、ν₂、ν₃是否具有强的空间变化属性，以实现对全偏振分量(s₁,s₂,s₃)的空间调制。ν₁、ν₂、ν₃是具有强的空间变化说明模型参数的对比度较大。

本申请一实施例中，获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

的具体过程为：

构建最优偏振态分析模型，根据所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

所述最优偏振态分析模型为：

其中，ν_imax表示模型参数ν_i(i＝1,2,3)中的较大值，mean(ν_imax)表示ν_imax的平均值，ν_imin表示模型参数ν_i中较小的值，mean(ν_imin)表示ν_imax平均值，两平均值的差值表示模型参数ν_i的对比度。Argmax表示取最大值函数，表示当四分之一波片的快轴方位角θ变化时取对比度的最大值。通过上式可以选择出最优的θ用

表示，也即选出最优的偏振态分析模式。

本实施例中，将所述偏振系数对比度确定为：偏振系数矩阵中的较大值的均值减较小值的均值，两者之差对应模型参数对比度，由于所述偏振系数有3个，即ν₁、ν₂、ν₃，因此针对每一偏振系数计算差值，三个偏振系数差值之和越大，则认为对比度就越大，通过该方式所计算出的对比度，可以很好的反应探测面光强差异，对比度越大，差异越大，偏振态的收敛性就越好，检测结果就越准确。

本是申请又一实施例中，模型参数ν_i中的较大值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较大的(n₁×n₂)/2个元素，模型参数ν_i中的较小值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较大的(n₁×n₂)/2个元素。

例如，上模型参数较大和较小灰度值确定方式为：模型参数ν_i，其本质是一幅强度图(假设该强度图的像素是40*40)，每一个像素有其对应的灰度值，模型参数较大灰度值是1600个像素点中较大的800个像素值，模型参数较小灰度值是1600个像素点中较小的800个像素值，较大、较小像素灰度值的划分可以通过MATLAB中排序算法来实现。

本申请又一实施例，所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

的快速搜索方法为：

设定θ的初始值；

设定损失函数的改变量

当所计算的损失函数大于零时，增大所述θ，反之，减小所述θ；

将所述θ增大或减小为：

其中α表示学习率。

具体实施时：使用梯度下降法快速搜索最优的

梯度下降法能够沿着模型参数对比度梯度上升的方向快速寻找出模型参数对比度最大时对应的

首先给θ赋值初始值，本发明给定的初始值是θ＝0；进一步的，设定损失函数的改变量，

上式所得结果大于零，模型参数对比度与θ成正比关系，欲最大化模型参数对比度，在迭代过中应该增大θ；反之，应该减小θ；进一步每次更新迭代的θ，找到模型参数的最大值，更新迭代如下式所示：

这里θ_n表示第n次迭代取到的θ，α表示学习率，也即是寻优步长。通过上式可以求得下一次迭代的θ，经过多步迭代可以寻找到最优的

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空间调制偏振检测系统，用于对待测样品的偏振特性进行检测，包括光源、偏振态产生器、空间光滤波器、准直透镜、相位延迟器、偏振态分析器、聚焦透镜、探测器及数据处理模块；其特征在于，该系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于相位延迟器与准直透镜之间；所述四分之一波片的快轴方位角为

所述

由所述偏振态系数对比度最大来确定。

2.根据权利要求1所述空间调制偏振检测系统，其特征在于，所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角为水平方向。

3.一种空间调制偏振检测系统的设计方法，该系统用于对待测样品的偏振特性进行检测，该系统包括光源、偏振态产生器、空间光滤波器、准直透镜、相位延迟器、偏振态分析器、聚焦透镜、探测器及数据处理模块；其特征在于，具体过程为：

在空间调制偏振检测系统中相位延迟器与准直透镜之间设置四分之一波片；

将所述偏振态分析器中偏振片透光轴和偏振波片的快轴方位角固定为水平方向；

多次调整所述四分之一波片的快轴方位角θ，计算每一次调整所对应的偏振态的偏振系数ν₁、ν₂、ν₃；

获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

将所述四分之一波片的快轴方位角调整为

4.根据权利要求3所述空间调制偏振检测系统的设计方法，其特征在于，所述相位延迟器采用涡旋半波片。

5.根据权利要求4所述空间调制偏振检测系统的设计方法，其特征在于，所述偏振态系数ν₁、ν₂、ν₃的表示形式如下：

其中，θ表示四分之一波片的快轴方位角，

表示涡旋波片的快轴方位角。

6.根据权利要求3或5所述空间调制偏振检测系统的设计方法，其特征在于，所述获取所述偏振态系数对比度达到最大时，所述四分之一波片对应的快轴方位角

的具体过程为：

构建最优偏振态分析模型，根据所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

所述最优偏振态分析模型为：

其中，ν_imax表示模型参数ν_i(i＝1,2,3)中的较大值，mean(ν_imax)表示ν_imax的平均值，ν_imin表示模型参数ν_i中较小的值，mean(ν_imin)表示ν_imin平均值，两平均值的差值表示模型参数ν_i的对比度。

7.根据权利要求6所述空间调制偏振检测系统的设计方法，其特征在于，所述模型参数ν_i中的较大值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较大的(n₁×n₂)/2个元素，模型参数ν_i中的较小值是指模型参数ν_i所包含的n₁×n₂个元素，元素值较小的(n₁×n₂)/2个元素。

8.根据权利要求6或7所述空间调制偏振检测系统的设计方法，其特征在于，所述模型计算偏振态系数对比度达到最大时的四分之一波片对应的快轴方位角

的快速搜索方法为：

设定θ的初始值；

设定损失函数的改变量

当所计算的损失函数大于零时，增大所述θ，反之，减小所述θ；

将所述θ增大或减小为：

其中α表示学习率。

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