一種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置及其實現(xiàn)方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置及其實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002] 偏振成像技術是指記錄圖像偏振信息的技術。圖像的偏振態(tài)可提供從光譜、光強、 相干度等量中無法獲取的，包括表面特征、形狀、陰影以及粗糙度等大量的信息，因而利用 偏振成像技術可以對目標進行區(qū)別和特性表征。在氣象環(huán)境科學研究中，利用卷云散射輻 射的偏振特征來獲得其微觀特性和光學特性，為全球的輻射平衡和氣候變化的研究提供重 要依據(jù);在軍事、海洋以及衛(wèi)星遙感等領域，利用人造物體與自然背景反射和輻射光偏振態(tài) 的差別，可以從復雜背景中提取人造物體目標，區(qū)分不同的地表形態(tài)等等。多維的信息和廣 泛的應用使偏振成像近年來成為國內(nèi)外光學探測和遙感領域的研究熱點。
[0003] 由于現(xiàn)有的CCD或者CMOS等感光元件不能直接分辨光的偏振態(tài)，所以通常需要在 探測器前加裝波片和偏振片來實現(xiàn)圖像偏振態(tài)測量。光偏振態(tài)可用Stokes矢量進行完全描 述(50,51，52,53)，具有四個獨立的分量。要獲得完整偏振態(tài)信息至少需要四次不同波片和 偏振片組合的獨立測量。根據(jù)多次測量的方式不同，可以把偏振成像分成分時成像和同時 成像兩大類。分時成像通過旋轉(zhuǎn)或者調(diào)制光學器件在不同時間獲得多次測量結(jié)果，適用于 植被、礦物、建筑等靜態(tài)目標的探測。而同時偏振成像技術通過多分光路單次曝光的方式獲 取多個測量結(jié)果，具有動態(tài)測量能力。已有的同時成像技術中主要采用分幅、分孔徑、分頻 譜通道以及分焦平面等幾種分光方案。目前分幅和分孔徑偏振成像的時間、空間分辨率較 高，但是光路復雜，穩(wěn)定性不足，而且不同偏振態(tài)的圖像難以進行像素量級的對準;而分頻 譜通道方案采用雙折射晶體劈組調(diào)制圖像偏振態(tài)，干涉條紋的存在導致空間分辨率偏低； 分焦平面方案通過單次曝光可以實現(xiàn)偏振態(tài)測量，而且整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，已經(jīng) 被用于美國軍方的雷達遙感系統(tǒng)，是偏振成像技術未來的發(fā)展方向。但是目前基于微偏振 片陣列的分焦平面偏振成像只能測量Stokes矢量的前三個分量(S0，S1，S2)，其原因在于通 過單純的偏振片方向變化無法測量代表旋光成分的S3分量。隨著偏振成像技術應用范圍的 擴展，特別是在動態(tài)目標遙感研究中，迫切需要發(fā)展同時具備高時間、空間分辨率，并且能 夠進行全Stokes矢量測量以及長期穩(wěn)定運行等特點的全新偏振成像技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置及其 實現(xiàn)方法，能夠進行動態(tài)測量，實現(xiàn)高時間、空間分辨率的顯微圖像完全偏振態(tài)測量。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:一種基于微波片陣列的顯微偏振成 像裝置，其特征在于:包括依次并排設置的一激光光源、一顯微物鏡、一顯微目鏡、一微波片 陣列、一單向偏振片、一成像透鏡及一面陣相機;所述激光光源與顯微物鏡間于所述顯微物 鏡的焦距位置處放置待測樣品，所述顯微物鏡和所述顯微目鏡對待測樣品形成的圖像進行 放大，所述微波片陣列處于所述顯微目鏡的焦距位置，對放大后的圖像進行偏振調(diào)制，所述 單向偏振片將圖像的二維偏振態(tài)分布轉(zhuǎn)換成二維光強分布，所述成像透鏡將所述二維光強 分布耦合到所述面陣相機中。
[0006] 進一步的，所述面陣相機的輸出端還連接至一計算機處理系統(tǒng)，所述計算機處理 系統(tǒng)對接收到的光強數(shù)據(jù)進行處理和反演計算，得到圖像上每個像素點的偏振態(tài)信息。
[0007] 進一步的，所述微波片陣列的制作過程為:采用超快激光在一透明介質(zhì)內(nèi)部刻蝕 出若干方形亞波長光柵，并引入相位延時，調(diào)整加工參數(shù)使四個相鄰的亞波長光柵的光軸 方向和引入的相位延時不同，構(gòu)成微型波片陣列。
[0008] 進一步的，所述微型波片陣列在二維空間重復排列，覆蓋整個通光面;所述加工參 數(shù)包括所述超快激光的偏振方向、加工時間及聚焦參數(shù)。
[0009] 進一步的，所述四個相鄰的亞波長光柵的光軸方向分別為與水平方向夾角0°， 30°，45°和60°，所述相位延時為90°。
[0010] -種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置的實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步 驟：
[0011] 步驟S1:根據(jù)待測樣品選用特定波長的激光光源作為照明光源；
[0012] 步驟S2:所述激光光源產(chǎn)生一入射光經(jīng)過所述待測樣品后產(chǎn)生由所述待測樣品光 學參數(shù)決定的偏振圖像；
[0013] 步驟S3:采用所述顯微物鏡和顯微目鏡對所述偏振圖像進行放大；
[0014] 步驟S4:所述微波片陣列對所述步驟S3放大后的偏振圖像進行偏振態(tài)調(diào)制，所述 的單向偏振片將進行偏振態(tài)調(diào)制后的偏振態(tài)圖像轉(zhuǎn)換成二維光強分布，所述的成像透鏡將 所述二維光強分布耦合到所述面陣相機，所述面陣相機將光強數(shù)據(jù)傳輸至所述計算機處理 系統(tǒng)；
[0015] 步驟S5:所述計算機處理系統(tǒng)對接收到的光強數(shù)據(jù)進行處理和反演計算，得到偏 振圖像上每個像素點的偏振態(tài)信息。
[0016] 進一步的，所述步驟S5具體包括以下步驟：
[0017] 步驟S51:所述計算機處理系統(tǒng)采用公式= Μ %(_/) = 計算出入 射光經(jīng)過待測樣品后的偏振態(tài)，其中，為面陣相機采集的光強數(shù)據(jù)，S(in)為入射光 偏振態(tài)，Μ為一4 X 4的Mill ler矩陣，用以描述偏振器件；
[0018] 步驟S52:所述計算機系統(tǒng)采用步驟S51的方法對整個通光面進行計算，從而獲得 圖像整個二維面內(nèi)的偏振態(tài)信息。
[0019] 進一步的，所述步驟S51中公式由以下推斷而出：
[0020] 用Stokes矢量So，Si，S2，S3來描述光的偏振態(tài)，對于四次獨立的測量，經(jīng)微波片陣 列的偏振態(tài)變化可以用4 X 4的Mill ler矩陣來表示：
[0021]
[0022]
[0023]其中，上標i = l ,2,3,4表示測量的次數(shù)；
[0024]由于面陣相機只對光強有響應，因此每次測量只能得到So的值，通過四次測量的 結(jié)果，即面陣相機采集的光強數(shù)據(jù)可表示為：
[0025] (1)
[0026]所述微波片陣列中四個相鄰的亞波長光柵的光軸方向分別為0°，30°，45°和60°， 相位延時為90°，則可以計算出：
[0027]
C2)
[0028] Μ的行列式為1.005,不為零，從而使方程(1)存在解，簡寫為：
[0029]
:(3)
[0030] 其中I1和if分別表示Μ的逆矩陣和伴隨矩陣，矣(雜?)通過面陣相機測量得到，利 用公示(3)計算可得入射光的偏振態(tài)S( in)。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果：
[0032] 1、本發(fā)明可測量包含旋光分量在內(nèi)的全Stokes矢量；
[0033] 2、本發(fā)明的微波片陣列采用超快激光微加工制作，可對其引入的相位延遲主軸方 向和延遲量進行設計，優(yōu)化性能，并且制作精度高，成本和技術要求較低；
[0034] 3、本發(fā)明所采用的微波片陣列存在于透明基地的內(nèi)部，便于對其表面進行鍍膜和 維護，可降低成像光路中多重反射和散射等影響，從而提高成像質(zhì)量。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明一實施例的成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明一實施例的微波片陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖中：卜激光光源；2-待測樣品；3-顯微物鏡;4-顯微目鏡；5-微波片陣列；6-單向 偏振片;7-成像透鏡;8-面陣相機;9-計算機處理系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0039] 請參照圖1，本實施例提供一種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置，其特征在 于:包括依次并排設置的一激光光源1、一顯微物鏡3、一顯微目鏡4、一微波片陣列5、一單向 偏振片6、一成像透鏡7及一面陣相機8;所述激光光源1與顯微物鏡3間于所述顯微物鏡3的 焦距位置處放置待測樣品2,本實施例采用808nm的LD激光光源，分別采用線偏振光、左旋與 右旋偏振光作為照射光源，產(chǎn)生一入射光經(jīng)過待測樣品2后產(chǎn)生有待測樣品2的光學參數(shù)決 定的偏振圖像，所述顯微物鏡3和所述顯微目鏡4對待測樣品2形成的圖像進行放大，所述微 波片陣列5處于所述顯微目鏡4的焦距位置，對放大后的圖像進行偏振調(diào)制，所述單向偏振 片6將圖像的二維偏振態(tài)分布轉(zhuǎn)換成二維光強分布，所述成像透鏡7將所述二維光強分布親 合到所述面陣相機8中；所述面陣相機8的輸出端還連接至一計算機處理系統(tǒng)9,所述計算機 處理系統(tǒng)9對接收到的光強數(shù)據(jù)進行處理和反演計算，得到圖像上每個像素點的偏振態(tài)信 息;所述處理和反演計算具體為在Labview軟件平臺下采用中值濾波、傅里葉變換以及數(shù)組 操作等模塊編寫程序，進行濾波、消除背景處理及圖像偏振態(tài)反演計算。
[0040] 所述微波片陣列5的制作過程為:采用超快激光在一透明介質(zhì)內(nèi)部刻蝕出若干邊 長為幾微米的方形亞波長光柵，并引入相位延時，調(diào)整加工參數(shù)使四個相鄰的亞波長光柵 的光軸方向和引入的相位延時不同，構(gòu)成微型波片陣列;所述微型波片陣列在二維空間重 復排列，覆蓋整個通光面;所述加工參數(shù)包括所述超快激光的偏振方向、加工時間及聚焦參 數(shù);如圖2所示，本實施例中四個相鄰的亞波長光柵的光軸方向分別為與水平方向夾角為 0°，30°，45°和60°，所述相位延時為90°，圖中，單個微型光柵的尺寸約為5X5微米，而四個 不同光軸方向的微型光柵構(gòu)成一個2X2排列的波片周期單元，整個通光面由這樣的周期單 元重復覆蓋，對入射