CN115561916A - 一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法 - Google Patents

一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法 Download PDF

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CN115561916A CN202210652341.1A CN202210652341A CN115561916A CN 115561916 A CN115561916 A CN 115561916A CN 202210652341 A CN202210652341 A CN 202210652341A CN 115561916 A CN115561916 A CN 115561916A
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Abstract

一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法，属于偏振探测成像技术领域，为了解决偏振像差会降低光学系统偏振成像质量以及现有的偏振补偿方法适用波段范围窄、补偿器件复杂、补偿实时性差和补偿误差累积等问题，该系统包括望远物镜、LD、LR、DMD、中继投影物镜和偏振探测器；光线进入光学系统后，首先由望远物镜反射，再经LD、LR透射后在DMD上成一次像；所成的一次像再经中继投影物镜反射后最终在偏振探测器上生成偏振图像。该方法可以指导含有DMD的偏振成像系统，如编码光谱偏振成像系统、编码超分辨偏振成像系统等的设计。这一偏振补偿系统具有简单易行、成本低、不含运动和变化的器件，不会影响系统的可靠性等显著优点。

Description

一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法，属于偏振探测成像技术领域。
背景技术
偏振像差用来表征光线经过光学系统后，其振幅、相位和偏振态的变化。当一束光非正入射到光学界面时，由于系统存在偏振像差，入射光的水平和垂直偏振分量反射率不同，两者的振幅和相位出现差异，从而改变光线的偏振态。光学系统的偏振像差与光学系统结构和组成有着密切的关系。
数字微镜器件是一种反射式空间光调制器，具有分辨率高，响应速度快等特点，在计算成像领域应用广泛，可用于快照式光谱成像、编码超分辨成像等。在光路中插入数字微镜器件，在开和关的状态下，每个微镜会沿着各自的中心轴线旋转12°或-12°，引起入射光线倾斜，产生较大的偏振像差，影响光学系统的偏振测量精度和偏振成像效果，因此必须进行分析和补偿。
中国专利号为“201610948257.9”，专利名称为“一种基于分光路偏振调制的反射型偏振像差补偿装置”，该专利所述的装置插入到光学系统的平行光路中，任意偏振态的平行光束入射到偏振分束器后分解为两束偏振态相互正交的线偏振光，且传播方向相互垂直，两路光分别经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器，一路光入射到反射式纯位相液晶空间光调制器进行位相调制，另一路光入射到反射式纯振幅液晶空间光调制器进行振幅调制，两路光分别再经过第一消偏振分束器和第二消偏振分束器反射后，再相互垂直入射到第三消偏振分束器进行合光后出射。然而，该专利中的装置无法在非平行光路中进行使用。而且专利中所述的偏振分束器为镀偏振分光膜的棱镜，棱镜光学厚度较大，对红外光的吸收较为严重，因此不适用于在红外波段进行偏振补偿。
中国专利号为：“201210528727.8”，专利名称为“超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法”，该专利是利用改变电光晶体外加电压而改变偏振角的方法实现对系统的偏振补偿，为了构成闭环反馈补偿，在系统焦面处必须放置偏振检测装置。这种偏振补偿方法在实际补偿过程中为了达到较为理想的补偿效果，需要重复进行多次检测、反馈、补偿，存在补偿器件复杂、补偿实时性差和补偿误差累积等问题。
发明内容
本发明为了解决偏振像差会降低光学系统偏振成像质量以及现有的偏振补偿方法适用波段范围窄、补偿器件复杂、补偿实时性差和补偿误差累积等问题，提出了一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法。
本发明技术方案如下：
一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统，其特征是，该系统包括望远物镜、LD、LR、DMD、中继投影物镜和偏振探测器；光线进入光学系统后，首先由望远物镜反射，再经线性延迟器(LD)、线性衰减器(LR)透射后在DMD上成一次像；所成的一次像再经中继投影物镜反射后最终在偏振探测器上生成偏振图像。
一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统设计方法，包括以下步骤：
第一步，进行光学系统的设计。根据DMD的镜面大小和偏振探测器感光面大小计算中继投影物镜的放大倍率；分别设计望远物镜和中继投影物镜，将二者连在一起并进行结构的调整，得到有中间像面的二次成像光学系统；最后在中间像面处插入DMD，对系统进行整体优化，直到系统成像质量良好。
第二步，采用三维偏振追迹方法，计算并得到DMD表面在全视场坐标和全光瞳坐标下的偏振像差分布，包括二向衰减和相位延迟。二向衰减表示S光和P光的透射率差异，相位延迟表示S光和P 光的相位差。其中，S光与P光分别表示当光线在光学界面入射时，垂直于入射面振动与平行于入射面振动的两个分量。
第三步，选择LD和LR的位置与摆放方向。LD和LR的表面与入射光束的中心光线垂直，依次放置在DMD之前，接近DMD的位置。
第四步，根据第二步的追迹结果，得到DMD表面上产生偏振像差幅度最大的视场点。以该视场条件下，引入偏振像差最大值的光瞳坐标对应的光线作为补偿的基准光线。根据补偿基准光线入射到 DMD表面时产生的偏振像差，设计LD和LR的具体参数。
所述LD的具体参数设计方法：
对于补偿基准光线，DMD面的琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000021
式中，Axx与Ayy分别表示DMD上S光与P光的振幅反射系数，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000022
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000023
分别表示DMD 上S光与P光的相位反射系数。其中Axx与Ayy、
Figure RE-RE-GDA0003803809520000024
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000025
由以下公式得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000026
公式(2)中的rs,DMD、rp,DMD分别为补偿基准光线在DMD上反射时S光与P光的反射系数，可由下式求出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000031
上式中，θDMD为光线在DMD上的入射角，可由光线追迹获得，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000032
为DMD的复折射率，由DMD的材料决定。
所述的LD，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000033
本征偏振态透射系数ts与tp可由下式计算得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000034
式中，nLD表示LD的折射率，是一个待求的量，θi表示补偿基准光线在LD面的入射角，可由第二步光线追迹得到。
则DMD与LD的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000035
易得DMD与LD的累积二向衰减，表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000036
将公式(5)带入公式(7)，可以得到DMD与LD的累积二向衰减是以入射角θi与LD2的折射率nLD为自变量的函数，可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000041
要达到DMD引入的二向衰减完全被LD补偿的效果，Dia值应为0。式中Axx、Ayy与θi都可由光线追迹得到，则根据公式(8)，令Dia＝0，便可确定LD的折射率nLD，从而完成了 LD的设计。当Axx＞Ayy时，DMD产生的二向衰减方向为S光振动方向，此时ts＜tp，即LD 产生的二项衰减方向为P光的振动方向；当Axx＜Ayy时，即DMD产生的二向衰减方向为P 光振动方向，此时ts＞tp，即LD产生的二向衰减方向为S光的振动方向，可保证LD产生的二向衰减方向与DMD产生的二向衰减方向正交。
同样的，所述LR的具体参数设计方法如下：
所述的LR为双折射晶体，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000042
LR的本征偏振态相位透射系数
Figure RE-RE-GDA0003803809520000043
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000044
可由下式计算得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000045
式中no为LR中o光的折射率，ne’(θ)表示当LR中e光波法线与晶体光轴成θ角时，e光的折射率，是需要设计的值，d为LR的厚度，λ表示工作波长。
no和ne’(θ)可由下式求得：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000046
其中nLR表示LR的折射率；no与ne分别表示表示LR中o光和光线与界面垂直入射时e光的折射率，材料确定时，no与ne已知；θ表示LR中e光波法线与晶体光轴的夹角，可由以下公式求得：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000047
上式中，θj表示光线在线性延迟器LR上的入射角，可由第二步光线追迹得到；n1表示空气的折射率；θa表示晶体光轴与晶体表面法线的夹角，晶体光轴的方向由晶体材料决定。将公式(11)带入公式(10)中，可以得到LR上本征偏振态的S光和P光的相位透射系数可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000051
DMD与LR的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000052
DMD与LR的累积相位延迟可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000053
要达到DMD引入的相位延迟完全被LR补偿的效果，需满足以下两个条件：①
Figure RE-RE-GDA0003803809520000054
Figure RE-RE-GDA0003803809520000055
②当
Figure RE-RE-GDA0003803809520000056
时，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000057
当
Figure RE-RE-GDA0003803809520000058
时，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000059
大于
Figure RE-RE-GDA00038038095200000510
即满足LR3引入的相位延迟的方向要与DMD上的相位延迟方向正交。根据公式(13)，在设计LR的过程中，可以先确定晶体材料折射率参数no、ne、材料厚度d，当no与d已知，在特定波长λ条件下，便可求得 S光的相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200000511
再选择合适的P光相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200000512
以满足上述两个补偿条件。根据
Figure RE-RE-GDA00038038095200000513
再进一步确定e光波法线与晶体光轴的夹角θ，根据公式(12)确定晶体光轴与晶体表面法线的夹角θa，最终完成LR的设计。
本发明的有益效果为：
1.本发明提出了一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统的设计方法，该方法可以指导含有DMD的偏振成像系统，如编码光谱偏振成像系统、编码超分辨偏振成像系统等的设计。
2.本发明利用弱偏振器件，包括LD和LR来补偿数字微镜器件成像系统的偏振像差，实际上LD为一个平板玻璃，LR为一个晶体薄片。这一偏振补偿系统具有简单易行、成本低、不含运动和变化的器件，不会影响系统的可靠性等显著优点。
附图说明
图1为补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统示意图；
图2为光学系统的调制传递函数(MTF)曲线。
图3为LD与LR的放置示意图与器件引入的偏振像差方向示意图。
图4为补偿基准光线入射LR，晶体中光线传播方向示意图。
图5(a)为补偿前系统二向衰减大小和方向示意图，(b)为补偿后系统二向衰减大小和方向示意图。
图6(a)为补偿前系统相位延迟大小和方向示意图，(b)为补偿后系统相位延迟大小和方向示意图。
图7为系统偏振成像获取情况仿真，(a)为入射光信息，(b)为补偿前偏振成像效果， (c)为补偿后偏振成像效果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明。
如图1所示，一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统，该系统包括望远物镜1、LD2、 LR3、DMD4、中继投影物镜5和偏振探测器6。光线进入光学系统后，首先由望远物镜1反射，再经LD2、LR3透射后在DMD4上一次成像；所成的一次像再经中继投影物镜5 反射后最终在偏振探测器6上生成偏振图像。
其中，望远物镜1、DMD4和中继投影物镜5组成光学系统；LD2、LR3负责补偿整个数字微镜器件成像系统的偏振像差；DMD4与所述光学系统的中间像面重合，负责对信息进行编码处理；偏振探测器6为附有微偏振片的探测器。
本发明是一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统及其设计方法，其具体步骤如下：
第一步，进行光学系统的设计。该光学系统是一个二次成像的离轴三反射镜系统，该光学系统参数设定如下：
表1光学系统参数
Figure RE-RE-GDA0003803809520000061
该系统由望远物镜1、DMD4和中继投影物镜5组成。求得DMD4的镜面宽a1＝13.824mm, 高b1＝11.0529mm，偏振探测器6感光面宽a2＝10.88mm，高b2＝8.704mm，则中继投影物镜5 的放大倍率为偏振探测器6靶面尺寸与DMD4镜面大小之比：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000062
在本实施例中，望远物镜1采用一片自由曲面反射镜进行设计，中继投影物镜5采用两片自由曲面反射镜进行设计。将望远物镜1和中继投影物镜5连在一起并进行结构调整，得到有中间像面的离轴三反射镜二次成像光学系统；最后在中间像面处插入DMD4，对光学系统进行整体优化，直到光学系统成像质量良好。最终系统的MTF曲线如图2。
第二步，采用三维偏振追迹方法，计算并得到DMD4表面在全视场坐标和全光瞳坐标下的偏振像差分布，包括二向衰减和相位延迟。二向衰减表示S光和P光的透射率差异，相位延迟表示S光和P 光的相位差。其中，S光与P光分别表示当光线在光学界面入射时，垂直于入射面振动与平行于入射面振动的两个分量。
第三步，选择LD2和LR3的位置与摆放方向。LD2和LR3的表面与入射光束的中心光线垂直，依次放置在DMD4之前20mm处，接近DMD4的位置，如图3所示。
第四步，根据第二步的追迹结果，得到DMD4表面上产生偏振像差幅度最大的视场点。以该视场条件下，引入偏振像差最大值的光瞳坐标对应的光线作为补偿的基准光线。根据补偿基准光线入射到 DMD4表面时产生的偏振像差，设计LD2和LR3的具体参数。
接下来详述LD2的具体参数设计方法：
对于补偿基准光线，DMD4面的琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000071
式中，Axx与Ayy分别表示DMD4上S光与P光的振幅反射系数，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000072
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000073
分别表示DMD4上S光与P光的相位反射系数。其中Axx与Ayy、
Figure RE-RE-GDA0003803809520000074
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000075
由以下公式得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000076
公式(17)中的rs,DMD、rp,DMD分别为补偿基准光线在DMD上反射时S光与P光的反射系数，可由下式求出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000077
上式中，θDMD为光线在DMD上的入射角，可由光线追迹获得，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000078
为DMD的复折射率，由DMD的材料决定。
所述的LD2，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000081
本征偏振态透射系数ts与tp可由下式计算得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000082
式中，nLD表示LD2的折射率，是一个待求的量，θi表示补偿基准光线在LD2表面的入射角，可由第二步光线追迹得到。
则DMD4与LD2的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000083
易得DMD4与LD2的累积二向衰减，表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000084
将公式(20)带入公式(22)，可以得到DMD4与LD2的累积二向衰减是以入射角θi与LD2的折射率nLD为自变量的函数，可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000085
要达到DMD4引入的二向衰减完全被LD2补偿的效果，Dia值应为0。式中Axx、Ayy与θi都可由光线追迹得到，则根据公式(23)，令Dia＝0，便可确定LD2的折射率nLD，从而完成了LD2的设计。当Axx＞Ayy时，DMD4产生的二向衰减方向为S光振动方向，此时ts＜tp，即LD2产生的二项衰减方向为P光的振动方向；当Axx＜Ayy时，即DMD4产生的二向衰减方向为P光振动方向，此时ts＞tp，即LD2产生的二向衰减方向为S光的振动方向，可保证LD2 产生的二向衰减方向与DMD4产生的二向衰减方向正交。
在本实施例中，归一化视场坐标(1，-1)，光瞳坐标(0，-0.3)的光线为补偿的基准光线，补偿系统的二向衰减。该光线在DMD4面上入射时，S光的振幅反射系数Axx＝0.9908，P光的振幅反射系数Ayy＝0.9894，θi＝10.24°。根据公式(20)，计算得到LD2的折射率nLD＝1.4328，进而得到LD2上的S光的振幅透过系数ts＝0.8183，tp＝0.8194。LD2引入的二向衰减大小为 DiaLD＝(|ts|2-|tp|2)/(|ts|2+|tp|2)＝1.41×10-3。如图(3)所示，补偿基准光线在DMD4上产生的二向衰减方向为S光振动方向，与全局坐标系X轴平行，LD2上产生的二向衰减方向为P 光振动方向，与Y轴平行。对比补偿前系统的二向衰减分布图(如图5(a))与补偿后系统的二向衰减分布图(如图5(b))，可以看出，补偿前系统的二向衰减值最大为1.16×10-3，补偿后系统的二向衰减值最大为4.55×10-4，其中补偿基准光线对应的累积二向衰减值为0。系统产生的二向衰减得到有效补偿。
同样的，LR3的具体参数设计方法如下：
所述的LR3为双折射晶体，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000091
LR3的本征偏振态相位透射系数
Figure RE-RE-GDA0003803809520000092
与
Figure RE-RE-GDA0003803809520000093
可由下式计算得出：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000094
式中no为LR3中o光的折射率，ne’(θ)为LR3中e光波法线与光轴成θ角的波法线的折射率，是需要设计的值，d为LR3的厚度，λ表示工作波长。
no和ne’(θ)可由下式求得：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000095
其中nLR表示LR3的折射率；no与ne分别表示表示LR3中o光与e光(垂直入射)的折射率，材料确定时，no与ne已知；θ表示LR3中e光波法线与晶体光轴的夹角，可由以下公式求得：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000096
上式中，θj表示光线在LR3上的入射角，可由第二步光线追迹得到；n1表示入射晶体前介质的折射率；θa表示晶体光轴与晶体表面法线的夹角，晶体光轴的方向由晶体材料决定。
将公式(26)带入公式(25)中，可以得到LR3上本征偏振态的S光和P光的相位透射系数可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000097
DMD4与LR3的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000101
DMD4与LR3的累积相位延迟可表示为：
Figure RE-RE-GDA0003803809520000102
要达到DMD4引入的相位延迟完全被LR3补偿的效果，需满足以下两个条件：①
Figure RE-RE-GDA0003803809520000103
Figure RE-RE-GDA0003803809520000104
②当
Figure RE-RE-GDA0003803809520000105
时，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000106
当
Figure RE-RE-GDA0003803809520000107
时，
Figure RE-RE-GDA0003803809520000108
大于
Figure RE-RE-GDA0003803809520000109
即满足LR3引入的相位延迟的方向与DMD4上的相位延迟方向正交。根据公式(28)，在设计LR3的过程中，可以先确定晶体材料折射率参数no、ne、材料厚度d，当no与d已知，在特定波长λ条件下，便可求得 S光的相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200001010
再选择合适的P光相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200001011
以满足上述两个补偿条件。根据
Figure RE-RE-GDA00038038095200001012
再进一步确定e光波法线与晶体光轴的夹角θ，根据公式(27)确定晶体光轴与晶体表面法线的夹角θa，最终完成LR3的设计。
在本实施例中，视场坐标(1，-1)，光瞳坐标(0，-0.3)的光线作为补偿基准光线，补偿系统的相位延迟。该光线在DMD4面上入射时，S光的相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200001013
P光的相位反射系数
Figure RE-RE-GDA00038038095200001014
引入的相位延迟
Figure RE-RE-GDA00038038095200001015
本实施例中，为了满足相位延迟补偿需要满足的两个条件，我们取厚度为0.1mm的MgF2晶体作为LR3，其o光与e光折射率ne＝1.378，no＝1.390。根据公式(25)可以求得
Figure RE-RE-GDA00038038095200001016
进而确定
Figure RE-RE-GDA00038038095200001017
求得e光波法线与光轴的夹角θ＝4.25°。已知补偿基准光线在线性延迟器LR上的入射角θj＝10.24°，将θj、θ代入公式(27)，求得晶体光轴与晶体表面法线的夹角θa＝8.10°，至此完成LR3的设计。如图(3)所示，补偿基准光线在DMD4 上产生的相位延迟方向为P光振动方向，与全局坐标系Y轴平行，在LR3上产生的相位延迟的大小为
Figure RE-RE-GDA00038038095200001018
方向为S光振动方向，与X轴平行。本实施例中仿真的LR3 为单轴晶体材料，其光轴方向，入射光方向、o光矢量、e光矢量的传播方向以及e光波法线方向如图 4所示。对比补偿前系统的的相位延迟分布图(如图6(a))与补偿后系统的相位延迟分布图(如图6(b))可以看出，补偿前DMD4上相位延迟值最大为9.52×10-3rad，补偿后DMD4 与LR3的累积相位延迟值最大为4.64×10-3rad，其中补偿基准光线对应的累积相位延迟值为 0。系统产生的相位延迟得到有效补偿。
最后进行系统偏振成像仿真，如图7所示。(a)为入射光信息，(b)为补偿前偏振成像效果，(c)为补偿后偏振成像效果。对比补偿前后系统成像仿真效果，加入偏振补偿器件前， S0image1、S2image1和S3image1的理想强度分别为1，0，0，由于系统存在偏振像差，S0image1、S2image1和S3image1实际强度分别变为0.978，0.036和0.021。加入偏振补偿器件后，S0image2、S2image2和S3image2图像强度分别变为0.996、0.014和0.001。易得，进行偏振补偿后，系统S0、S2与 S3偏振信息获取精度分别提升了1.8％，2.2％和2.0％，说明提出的偏振补偿方法取得了良好的效果。

Claims (4)

1.一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统，其特征是，该系统包括望远物镜(1)、LD(2)、LR(3)、DMD(4)、中继投影物镜(5)和偏振探测器(6)，光线进入光学系统后，首先由望远物镜(1)反射，再经LD(2)、LR(3)透射后在DMD(4)上成一次像；所成的一次像再经中继投影物镜(5)反射后最终在偏振探测器(6)上生成偏振图像。
2.一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统设计方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
第一步，进行光学系统的设计；
根据DMD(4)的镜面大小和偏振探测器(6)感光面大小计算中继投影物镜的放大倍率；分别设计望远物镜(1)和中继投影物镜(5)，将二者连在一起并进行结构的调整，得到有中间像面的二次成像光学系统；最后在中间像面处插入DMD(4)，对系统进行整体优化，直到系统成像质量良好；
第二步，采用三维偏振追迹方法，计算并得到DMD(4)表面在全视场坐标和全光瞳坐标下的偏振像差分布，包括二向衰减和相位延迟；二向衰减表示S光和P光的透射率差异，相位延迟表示S光和P光的相位差；其中，S光与P光分别表示当光线在光学界面入射时，垂直于入射面振动与平行于入射面振动的两个分量；
第三步，选择LD(2)和LR(3)的位置与摆放方向；
LD(2)和LR(3)的表面与入射光束的中心光线垂直，依次放置在DMD(4)之前，接近DMD(4)的位置；
第四步，根据第二步的追迹结果，得到DMD(4)表面上产生偏振像差幅度最大的视场点；
以该视场条件下，引入偏振像差最大值的光瞳坐标对应的光线作为补偿的基准光线；根据补偿基准光线入射到DMD(4)表面时产生的偏振像差，设计LD(2)和LR(3)的具体参数。
3.根据权利要求2所述的一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统设计方法，其特征在于，所述第四步中LD(2)的具体参数设计方法：
对于补偿基准光线，DMD(4)面的琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000011
式中，Axx与Ayy分别表示DMD(4)上S光与P光的振幅反射系数，
Figure RE-RE-FDA0003803809510000012
与
Figure RE-RE-FDA0003803809510000013
分别表示DMD(4)上S光与P光的相位反射系数；其中Axx与Ayy、
Figure RE-RE-FDA0003803809510000014
与
Figure RE-RE-FDA0003803809510000015
由以下公式得出：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000016
公式(二)中的rs,DMD、rp,DMD分别为补偿基准光线在DMD(4)上反射时S光与P光的反射系数，可由下式求出：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000021
上式中，θDMD为光线在DMD(4)上的入射角，可由光线追迹获得，
Figure RE-RE-FDA0003803809510000022
为DMD(4)的复折射率，由DMD(4)的材料决定；
所述的LD(2)，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000023
本征偏振态透射系数ts与tp可由下式计算得出：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000024
式中，nLD表示LD(2)的折射率，是一个待求的量，θi表示补偿基准光线在LD(2)表面的入射角，可由第二步光线追迹得到；
则DMD(4)与LD(2)的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000025
易得DMD(4)与LD(2)的累积二向衰减，表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000026
将公式(五)带入公式(七)，可以得到DMD(4)与LD(2)的累积二向衰减是以入射角θi与LD(2)的折射率nLD为自变量的函数，可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000031
要达到DMD(4)引入的二向衰减完全被LD(2)补偿的效果，Dia值应为0；式中Axx、Ayy与θi都可由光线追迹得到，则根据公式(八)，令Dia＝0，便可确定LD(2)的折射率nLD，从而完成了LD(2)的设计；当Axx＞Ayy时，DMD(4)产生的二向衰减方向为S光振动方向，此时ts＜tp，即LD(2)产生的二项衰减方向为P光的振动方向；当Axx＜Ayy时，即DMD(4)产生的二向衰减方向为P光振动方向，此时ts＞tp，即LD(2)产生的二向衰减方向为S光的振动方向，可保证LD(2)产生的二向衰减方向与DMD(4)产生的二向衰减方向正交。
4.根据权利要求2所述的一种补偿偏振像差的数字微镜器件成像系统设计方法，其特征在于，所述第四步中LR(3)的具体参数设计方法如下：
所述的LR(3)为双折射晶体，其琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000032
LR3的本征偏振态相位透射系数
Figure RE-RE-FDA0003803809510000033
与
Figure RE-RE-FDA0003803809510000034
可由下式计算得出：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000035
式中no为LR(3)中o光的折射率，ne’(θ)表示当LR(3)中e光波法线与晶体光轴成θ角时，e光的折射率，是需要设计的值，d为LR(3)的厚度，λ表示工作波长；
no和ne’(θ)可由下式求得：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000036
其中nLR表示LR(3)的折射率；no与ne分别表示表示LR(3)中o光和光线与界面垂直入射时e光的折射率，材料确定时，no与ne已知；θ表示LR(3)中e光波法线与晶体光轴的夹角，可由以下公式求得：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000041
上式中，θj表示光线在线性延迟器LR(3)上的入射角，可由第二步光线追迹得到；n1表示空气的折射率；θa表示晶体光轴与晶体表面法线的夹角，晶体光轴的方向由晶体材料决定；将公式(十一)带入公式(十)中，可以得到LR(3)上本征偏振态的S光和P光的相位透射系数可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000042
DMD(4)与LR(3)的累积琼斯矩阵可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000043
DMD(4)与LR(3)的累积相位延迟可表示为：
Figure RE-RE-FDA0003803809510000044
要达到DMD(4)引入的相位延迟完全被LR(3)补偿的效果，需满足以下两个条件：①
Figure RE-RE-FDA0003803809510000045
②当
Figure RE-RE-FDA0003803809510000046
时，
Figure RE-RE-FDA0003803809510000047
当
Figure RE-RE-FDA0003803809510000048
时，
Figure RE-RE-FDA0003803809510000049
大于
Figure RE-RE-FDA00038038095100000410
即满足LR(3)引入的相位延迟的方向要与DMD(4)上的相位延迟方向正交；根据公式(十三)，在设计LR(3)的过程中，可以先确定晶体材料折射率参数no、ne、材料厚度d，当no与d已知，在特定波长λ条件下，便可求得S光的相位反射系数
Figure RE-RE-FDA00038038095100000411
再选择合适的P光相位反射系数
Figure RE-RE-FDA00038038095100000412
以满足上述两个补偿条件；根据
Figure RE-RE-FDA00038038095100000413
再进一步确定e光波法线与晶体光轴的夹角θ，根据公式(十二)确定晶体光轴与晶体表面法线的夹角θa，最终完成LR(3)的设计。
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