CN116297226A - 一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置和方法 - Google Patents

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刘学峰
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Abstract

本发明提供了一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置和方法，所述装置包括激光器、衰减片、起偏器、前置普克尔盒、后置普克尔盒、四分之一波片、CCD相机、计算机，前置普克尔盒和后置普克盒每改变一次相位延迟量CCD相机同时采集一次偏振图像，前置普克尔盒和后置普克盒组合将入射光偏振态调制成庞加球上任意偏振态，CCD相机采集不同偏振态下的样本图像，计算机通过穆勒矩阵运算对所采集的偏振图像进行特征提取和反演处理，获得分辨率更高、特征更加明显的非直观图像，实现全庞加球快速偏振调制成像。本发明将光波偏振态调制成指定的任意目标偏振态实现全庞加球偏振调制、调制速快、调制精度高、调制成像范围广、调制成像速度快等。

Description

一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置和方法
技术领域
本发明属于光学偏振调制成像技术领域，具体为一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置和方法。
背景技术
传统的强度成像只能利用传感器捕获目标的光强信息，获取的目标信息比较单一，在现实应用中，面对光学目标复杂的背景环境，光强信息会受到一定程度的干扰和减弱，导致所得图像失真、产生模糊、识别度低。偏振调制成像技术具有无接触、无损伤、信息量大、不易失真等优点，已经广泛应用于生物医学、图像去雾、目标探测、海洋科学等领域。它不仅可以获取被测目标的光强信息，也可以获取被测目标的偏振信息，加强光学目标与背景的对比度，凸显光学目标的细节和形状信息，大大提高光学成像的分辨率，有效地增加光学目标信息的探测维度，通过对光波偏振特性的探测和反演,可以获得其他成像技术难以获得的独特信息。
在偏振调制成像技术中，偏振调制方法是非常重要的一环，目前广泛使用的主要有机械旋转偏振法、机械旋转波片法、机械挤压光纤法、电驱动液晶调制法等，这些方法普遍存在调制速度慢、调制精度低等问题，且调制偏振态只能覆盖庞加球上的赤道一周或无法调制到庞加球上指定的任意偏振态，存在调制偏振态覆盖少等缺陷。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置，包括：激光器、衰减片、起偏器、前置普克尔盒、后置普克尔盒、四分之一波片、CCD相机、计算机，待测样品设置在后置普克尔盒和四分之一波片之间，计算机连接前置普克尔盒和后置普克盒以及CCD相机；
激光器发射的激光依次经过衰减片、起偏器、前置普克尔盒、后置普克尔盒照射待测样品，含有待测样品信息的光信号经过四分之一波片，由CCD相机采集样本图像；
计算机用于同时控制前置普克尔盒和后置普克尔盒的相位延迟量，通过前置普克尔盒和后置普克盒组合，将入射激光偏振态调制成庞加球上任意偏振态，计算机每控制前置普克尔盒和后置普克盒改变一次相位延迟量，CCD相机同时采集一次样本图像；
计算机用于通过穆勒矩阵运算对所采集的样本图像进行特征提取和反演处理，获得非直观图像，实现全庞加球快速偏振调制成像。
优选地，所述起偏器的透光轴与前置普克尔的快轴方向成45度角，且入射光光束垂直进入前置普克尔盒，前置普克尔盒的快轴与激光出射方向成90度角重合，同时后置普克尔盒的快轴方向与前置普克尔盒的快轴方向成45度角，且沿着激光出射方向与起偏器的透光轴重合。
优选地，所述四分之一波片的快轴与前置普克尔盒的透光轴方向成90度角。
本发明还提出了一种实现全庞加球偏振快速调制的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建实现全庞加球偏振快速调制的成像装置；
步骤2、通过激光器发射激光照射待测样品，同时利用CCD相机采集样品的光强图像，作为原始图像并保存在计算机中；
步骤3、通过计算机输出指令同时控制前置普克尔盒和后置普克尔盒改变相位延迟量，实现对光波的偏振调制，通过前置普克尔盒和后置普克尔盒的组合调制，对光波实现全庞加球调制，同时通过CCD相机采集不同偏振光下的图像，获得多幅光强图像并保存在计算机中；
步骤4、计算机根据获取的样本光强图像确定光强图像的相位差和方位角；
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，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、根据相位差和方位角，通过穆勒矩阵确定斯托克斯参量并计算得到样品的斯托克斯参数非直观成像图。
优选地，步骤3所述的前置普克尔盒和后置普克尔盒组合工作，对光波进行快速精确定量地偏振调制，实现庞加球上任意指定的偏振态，具体为：
根据入射光的斯托克斯参量矩阵Sin、起偏器(3)的穆勒矩阵Mpol、前置普克尔盒(4)的穆勒矩阵MEOM1、后置普克尔盒(5)的穆勒矩阵MEOM2、四分之一波片(6)的穆勒矩阵Mqwp，求得出射光的斯托克斯参量Sout:
Figure BDA0004101187090000021
其中，
Figure BDA0004101187090000031
为前置普克尔盒(4)的相位延迟角度即方位角，/>
Figure BDA0004101187090000032
为后置普克尔盒(5)相位延迟角度即方位角，由此计算得到出射光偏振角度θ与和后置普克盒(5)的相位延迟角度即方位角/>
Figure BDA0004101187090000033
的关系为：
Figure BDA0004101187090000034
其中，Sin、Mpol、MEOM1、MEOM2、Mqwp分别为：
Figure BDA0004101187090000035
Figure BDA0004101187090000036
Figure BDA0004101187090000037
优选地，步骤6所述的根据相位差、方位角，通过穆勒矩阵确定斯托克斯参量并计算得到样品的斯托克斯参数非直观成像图，具体公式为：
Figure BDA0004101187090000038
式中，Idp为光强图的平均光强，δ为样本所引入的相位差，S0、S1、S2、S3为斯托克斯参量，
Figure BDA0004101187090000039
为后置普克尔盒相位延迟角度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)可以调制庞加球上任意指定的偏振态，实现全庞加球调制，能够满足各种不同的调制要求；2)调制精度高，普克尔盒由电控晶体制成，有稳定的电致双折射特性，调制结果与电压呈线性关系，能够得到稳定的调制结果；3)没有引入机械动作，不会产生机械振动等噪声，可以应用于高精度成像系统等；4)调制速度非常快，该系统调制速度取决于普克尔盒中电光晶体的响应速度，电光晶体通过计算机使用指令控制，调制速度非常快；5)由于采用前置普克尔盒、后置普克尔盒的组合结构，只需要施加信号电压即可实现庞加球上任意偏振态的快速调制，无需像单个电光晶体调制器、单个液晶延迟器那样需要不断改变入射光偏振方向才能实现任意偏振态调制；6)通过同时给前置普克尔盒和后置普克尔盒施施加信号电压的方法来设计任意偏振调制系统，具有结构简单、光路简单、使用自由度高、调制速度快、成像信噪比高、准确性高、适用范围广的优点。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
本发明构思为，一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置，所述装置包括激光器1、衰减片2、起偏器3、前置普克尔盒4、后置普克尔盒5、四分之一波片6、CCD相机7、计算机8，中，后置普克尔盒5和四分之一波片6之间放置待测样品，计算机8连接前置普克尔盒4和后置普克盒5以及CCD相机7；
激光器1发射激光照射待测样品，计算机8同时控制前置普克尔盒4和后置普克盒5快速定量地改变相位延迟量和CCD相机7采集待测样品的偏振图像，前置普克尔盒4和后置普克盒5每改变一次相位延迟量CCD相机7同时采集一次偏振图像，前置普克尔盒4和后置普克盒5组合工作快速精确地将入射激光偏振态调制成庞加球上任意偏振态，CCD相机7采集不同偏振态下的样本图像，计算机8通过穆勒矩阵运算对所采集的偏振图像进行特征提取和反演处理，获得分辨率更高、特征更加明显的非直观图像，实现全庞加球快速偏振调制成像。
进一步的，所述起偏器3的透光轴与前置普克尔4的快轴方向成45度角，且入射光光束垂直进入前置普克尔盒4，前置普克尔盒4的快轴与竖直方向重合，同时后置普克尔盒5的快轴方向与前置普克尔盒4的快轴方向成45度角，且沿着激光出射方向与起偏器3的透光轴重合。
进一步地，所述所述四分之一波片6的快轴与前置普克尔盒4的透光轴方向成90度角，为水平方向。
基于上述可以实现全庞加球偏振快速调制成像装置的全庞加球快速偏振调制成像方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建实现全庞加球偏振快速调制的成像装置；
步骤2、通过激光器发射激光照射待测样品，同时利用CCD相机采集样品的光强图像，作为原始图像并保存在计算机中；
步骤3、通过计算机输出指令同时控制前置普克尔盒和后置普克尔盒快速、定量地改变相位延迟量，实现对光波的快速偏振调制，前置普克尔盒和后置普克尔盒的组合调制，能够对光波实现精准快速的全庞加球调制，同时通过CCD相机采集不同偏振光下的图像，获得多幅光强图像并保存在计算机中；其中前置普克尔盒和后置普克尔盒组合工作，对光波进行快速精确定量地偏振调制，实现庞加球上任意指定的偏振态，具体为：
根据入射光的斯托克斯参量矩阵Sin、起偏器3的穆勒矩阵Mpol、前置普克尔盒4的穆勒矩阵MEOM1、后置普克尔盒5的穆勒矩阵MEOM2、四分之一波片6的穆勒矩阵Mqwp，求得出射光的斯托克斯参量
Figure BDA0004101187090000051
其中/>
Figure BDA0004101187090000054
为前置普克尔盒4的相位延迟角度即方位角，/>
Figure BDA0004101187090000055
为后置普克尔盒5相位延迟角度即方位角，由此计算得到出射光偏振角度θ与和后置普克盒5的相位延迟角度即方位角φ2的关系为：
Figure BDA0004101187090000052
其中Sin、Mpol、MEOM1、MEOM2、Mqwp分别为：
Figure BDA0004101187090000053
Figure BDA0004101187090000061
Figure BDA0004101187090000062
步骤4、计算机根据获取的样本光强图像确定光强图像的相位差和方位角；
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、根据相位差和方位角，通过穆勒矩阵确定斯托克斯参量并计算得到样品的斯托克斯参数非直观成像图，其具体公式为：
Figure BDA0004101187090000063
式中，Idp为光强图的平均光强，δ为样本所引入的相位差，与样本的结构特征有关，S0、S1、S2、S3为斯托克斯矢量的四个参数。
本发明利用普克尔盒稳定的电光效应、极高的响应速度，通过两个普克尔盒的组合调制，再利用计算机进行算法控制，实现了对光波偏振的全庞加球覆盖和快速偏振调制，且设计了简单实用的光路，通过高速相机抓拍样本在入射光不同偏振状态下的光强图像，而后利用算法处理这些光强图像得到分辨率更高、特征更加明显的非直观图像，实现了全庞加球快速偏振调制成像，其主要的优势在于可以将光波偏振态调制成指定的任意目标偏振态实现全庞加球偏振调制、调制速快、调制精度高、调制成像范围广、调制成像速度快等。
本发明的优势在于可以将光波偏振态调制成指定的任意目标偏振态实现全庞加球偏振调制、调制速快、调制精度高、调制成像范围广、调制成像速度快等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

Claims (6)

1.一种实现全庞加球偏振快速调制的成像装置，其特征在于，包括：激光器(1)、衰减片(2)、起偏器(3)、前置普克尔盒(4)、后置普克尔盒(5)、四分之一波片(6)、CCD相机(7)、计算机(8)，待测样品设置在后置普克尔盒(5)和四分之一波片(6)之间，计算机(8)连接前置普克尔盒(4)和后置普克盒(5)以及CCD相机(7)；
激光器(1)发射的激光依次经过衰减片(2)、起偏器(3)、前置普克尔盒(4)、后置普克尔盒(5)照射待测样品，含有待测样品信息的光信号经过四分之一波片(6)，由CCD相机(7)采集样本图像；
计算机(8)用于同时控制前置普克尔盒(4)和后置普克尔盒(5)的相位延迟量，通过前置普克尔盒(4)和后置普克盒(5)组合，将入射激光偏振态调制成庞加球上任意偏振态，计算机(8)每控制前置普克尔盒(4)和后置普克盒(5)改变一次相位延迟量，CCD相机(7)同时采集一次样本图像；
计算机(8)用于通过穆勒矩阵运算对所采集的样本图像进行特征提取和反演处理，获得非直观图像，实现全庞加球快速偏振调制成像。
2.根据权利要求1所述的实现全庞加球偏振快速调制的成像装置，其特征在于，所述起偏器(3)的透光轴与前置普克尔(4)的快轴方向成45度角，且入射光光束垂直进入前置普克尔盒(4)，前置普克尔盒(4)的快轴与激光出射方向成90度角，同时后置普克尔盒(5)的快轴方向与前置普克尔盒(4)的快轴方向成45度角，且沿着激光出射方向与起偏器(3)的透光轴重合。
3.如权利要求2所述的实现全庞加球偏振快速调制的成像装置，其特征在于，所述四分之一波片(6)的快轴与前置普克尔盒(4)的透光轴方向成90度角。
4.一种实现全庞加球偏振快速调制的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建如权利要求1～3任一所述的实现全庞加球偏振快速调制的成像装置；
步骤2、通过激光器发射激光照射待测样品，同时利用CCD相机采集样品的光强图像，作为原始图像并保存在计算机中；
步骤3、通过计算机输出指令同时控制前置普克尔盒和后置普克尔盒改变相位延迟量，实现对光波的偏振调制，通过前置普克尔盒和后置普克尔盒的组合调制，对光波实现全庞加球调制，同时通过CCD相机采集不同偏振光下的图像，获得多幅光强图像并保存在计算机中；
步骤4、计算机根据获取的样本光强图像确定光强图像的相位差和方位角；
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，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、根据相位差和方位角，通过穆勒矩阵确定斯托克斯参量并计算得到样品的斯托克斯参数非直观成像图。
5.如权利要求1所述的实现全庞加球偏振快速调制的成像方法，其特征在于，步骤3所述的前置普克尔盒和后置普克尔盒组合工作，对光波进行快速精确定量地偏振调制，实现庞加球上任意指定的偏振态，具体为：
根据入射光的斯托克斯参量矩阵Sin、起偏器(3)的穆勒矩阵Mpol、前置普克尔盒(4)的穆勒矩阵MEOM1、后置普克尔盒(5)的穆勒矩阵MEOM2、四分之一波片(6)的穆勒矩阵Mqwp，求得出射光的斯托克斯参量Sout:
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
为前置普克尔盒(4)的相位延迟角度即方位角，/>
Figure QLYQS_3
为后置普克尔盒(5)相位延迟角度即方位角，由此计算得到出射光偏振角度θ与和后置普克盒(5)的相位延迟角度即方位角/>
Figure QLYQS_4
的关系为：
Figure QLYQS_5
其中，Sin、Mpol、MEOM1、MEOM2、Mqwp分别为：
Figure QLYQS_6
Figure QLYQS_7
Figure QLYQS_8
6.如权利要求1所述的实现全庞加球偏振快速调制的成像方法，其特征在于，步骤6所述的根据相位差、方位角，通过穆勒矩阵确定斯托克斯参量并计算得到样品的斯托克斯参数非直观成像图，具体公式为：
Figure QLYQS_9
式中，Idp为光强图的平均光强，δ为样本所引入的相位差，S0、S1、S2、S3为斯托克斯参量，
Figure QLYQS_10
为后置普克尔盒(5)相位延迟角度。
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