一種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 偏振成像技術(shù)是指記錄圖像偏振信息的技術(shù)。圖像的偏振態(tài)可提供從光譜、光強(qiáng)、 相干度等量中無(wú)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(shù)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行區(qū)別和特性表征。在氣象環(huán)境科學(xué)研究中，利用卷云散射輻 射的偏振特征來(lái)獲得其微觀特性和光學(xué)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(lǐng)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(fù)雜背景中提取人造物體目標(biāo)，區(qū)分不同的地表形態(tài)等等。多維的信息和廣 泛的應(yīng)用使偏振成像近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外光學(xué)探測(cè)和遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[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(cè)器前加裝波片和偏振片來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像偏振態(tài)測(cè)量。光偏振態(tài)可用Stokes矢量進(jìn)行完全描 述(50,51，52,53)，具有四個(gè)獨(dú)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(dú)立測(cè)量。根據(jù)多次測(cè)量的方式不同，可以把偏振成像分成分時(shí)成像和同時(shí) 成像兩大類。分時(shí)成像通過(guò)旋轉(zhuǎn)或者調(diào)制光學(xué)器件在不同時(shí)間獲得多次測(cè)量結(jié)果，適用于 植被、礦物、建筑等靜態(tài)目標(biāo)的探測(cè)。而同時(shí)偏振成像技術(shù)通過(guò)多分光路單次曝光的方式獲 取多個(gè)測(cè)量結(jié)果，具有動(dòng)態(tài)測(cè)量能力。已有的同時(shí)成像技術(shù)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(shí)間、空間分辨率較 高，但是光路復(fù)雜，穩(wěn)定性不足，而且不同偏振態(tài)的圖像難以進(jìn)行像素量級(jí)的對(duì)準(zhǔn);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(dǎo)致空間分辨率偏低； 分焦平面方案通過(guò)單次曝光可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)測(cè)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(guó)軍方的雷達(dá)遙感系統(tǒng)，是偏振成像技術(shù)未來(lái)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(cè)量Stokes矢量的前三個(gè)分量(S0，S1，S2)，其原因在于通 過(guò)單純的偏振片方向變化無(wú)法測(cè)量代表旋光成分的S3分量。隨著偏振成像技術(shù)應(yīng)用范圍的 擴(kuò)展，特別是在動(dòng)態(tài)目標(biāo)遙感研究中，迫切需要發(fā)展同時(shí)具備高時(shí)間、空間分辨率，并且能 夠進(jìn)行全Stokes矢量測(cè)量以及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)的全新偏振成像技術(shù)。

【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(shí)現(xiàn)方法，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間、空間分辨率的顯微圖像完全偏振態(tài)測(cè)量。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(shè)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(jī);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(cè)樣品，所述顯微物鏡和所述顯微目鏡對(duì)待測(cè)樣品形成的圖像進(jìn)行 放大，所述微波片陣列處于所述顯微目鏡的焦距位置，對(duì)放大后的圖像進(jìn)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(qiáng)分布，所述成像透鏡將所述二維光強(qiáng) 分布耦合到所述面陣相機(jī)中。
[0006] 進(jìn)一步的，所述面陣相機(jī)的輸出端還連接至一計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)處理 系統(tǒng)對(duì)接收到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演計(jì)算，得到圖像上每個(gè)像素點(diǎn)的偏振態(tài)信息。
[0007] 進(jìn)一步的，所述微波片陣列的制作過(guò)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(zhǎng)光柵，并引入相位延時(shí)，調(diào)整加工參數(shù)使四個(gè)相鄰的亞波長(zhǎng)光柵的光軸 方向和引入的相位延時(shí)不同，構(gòu)成微型波片陣列。
[0008] 進(jìn)一步的，所述微型波片陣列在二維空間重復(fù)排列，覆蓋整個(gè)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(shí)間及聚焦參數(shù)。
[0009] 進(jìn)一步的，所述四個(gè)相鄰的亞波長(zhǎng)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(shí)為90°。
[0010] -種基于微波片陣列的顯微偏振成像裝置的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步 驟：
[0011] 步驟S1:根據(jù)待測(cè)樣品選用特定波長(zhǎng)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(guò)所述待測(cè)樣品后產(chǎn)生由所述待測(cè)樣品光 學(xué)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(duì)所述偏振圖像進(jìn)行放大；
[0014] 步驟S4:所述微波片陣列對(duì)所述步驟S3放大后的偏振圖像進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制，所述 的單向偏振片將進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制后的偏振態(tài)圖像轉(zhuǎn)換成二維光強(qiáng)分布，所述的成像透鏡將 所述二維光強(qiáng)分布耦合到所述面陣相機(jī)，所述面陣相機(jī)將光強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸至所述計(jì)算機(jī)處理 系統(tǒng)；
[0015] 步驟S5:所述計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)接收到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演計(jì)算，得到偏 振圖像上每個(gè)像素點(diǎn)的偏振態(tài)信息。
[0016] 進(jìn)一步的，所述步驟S5具體包括以下步驟：
[0017] 步驟S51:所述計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)采用公式= Μ %(_/) = 計(jì)算出入 射光經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品后的偏振態(tài)，其中，為面陣相機(jī)采集的光強(qiáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用步驟S51的方法對(duì)整個(gè)通光面進(jìn)行計(jì)算，從而獲得 圖像整個(gè)二維面內(nèi)的偏振態(tài)信息。
[0019] 進(jìn)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(lái)描述光的偏振態(tài)，對(duì)于四次獨(dú)立的測(cè)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(lái)表示：
[0021]
[0022]
[0023]其中，上標(biāo)i = l ,2,3,4表示測(cè)量的次數(shù)；
[0024]由于面陣相機(jī)只對(duì)光強(qiáng)有響應(yīng)，因此每次測(cè)量只能得到So的值，通過(guò)四次測(cè)量的 結(jié)果，即面陣相機(jī)采集的光強(qiáng)數(shù)據(jù)可表示為：
[0025] (1)
[0026]所述微波片陣列中四個(gè)相鄰的亞波長(zhǎng)光柵的光軸方向分別為0°，30°，45°和60°， 相位延時(shí)為90°，則可以計(jì)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(jiǎn)寫(xiě)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(guò)面陣相機(jī)測(cè)量得到，利 用公示(3)計(jì)算可得入射光的偏振態(tài)S( in)。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：
[0032] 1、本發(fā)明可測(cè)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(duì)其引入的相位延遲主軸方 向和延遲量進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化性能，并且制作精度高，成本和技術(shù)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(duì)其表面進(jìn)行鍍膜和 維護(hù)，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(shuō)明】
[0035] 圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明一實(shí)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(cè)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(jī);9-計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0039] 請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)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(shè)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(jī)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(cè)樣品2,本實(shí)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(guò)待測(cè)樣品2后產(chǎn)生有待測(cè)樣品2的光學(xué)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(duì)待測(cè)樣品2形成的圖像進(jìn)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(duì)放大后的圖像進(jìn)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(qiáng)分布，所述成像透鏡7將所述二維光強(qiáng)分布親 合到所述面陣相機(jī)8中；所述面陣相機(jī)8的輸出端還連接至一計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)9,所述計(jì)算機(jī) 處理系統(tǒng)9對(duì)接收到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演計(jì)算，得到圖像上每個(gè)像素點(diǎn)的偏振態(tài)信 息;所述處理和反演計(jì)算具體為在Labview軟件平臺(tái)下采用中值濾波、傅里葉變換以及數(shù)組 操作等模塊編寫(xiě)程序，進(jìn)行濾波、消除背景處理及圖像偏振態(tài)反演計(jì)算。
[0040] 所述微波片陣列5的制作過(guò)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(zhǎng)為幾微米的方形亞波長(zhǎng)光柵，并引入相位延時(shí)，調(diào)整加工參數(shù)使四個(gè)相鄰的亞波長(zhǎng)光柵 的光軸方向和引入的相位延時(shí)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(fù)排列，覆蓋整個(gè)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(shí)間及聚焦參 數(shù);如圖2所示，本實(shí)施例中四個(gè)相鄰的亞波長(zhǎng)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(shí)為90°，圖中，單個(gè)微型光柵的尺寸約為5X5微米，而四個(gè) 不同光軸方向的微型光柵構(gòu)成一個(gè)2X2排列的波片周期單元，整個(gè)通光面由這樣的周期單 元重復(fù)覆蓋，對(duì)入射