一种基于像素偏振片阵列的实时偏振态和相位测量方法

摘要

本发明公开了一种基于像素偏振片阵列的实时偏振态和实时相位测量方法，该方法将偏振片阵列与感光元件阵列集成在一起，使得偏振片阵列的每个偏振片单元与感光元件阵列的每个感光单元一一对准，偏振片阵列由大小相同的多个子阵列组成，每个子阵列包括多个偏振片单元，同一子阵列中的不同偏振片单元的透偏振方向不同。测量偏振态时，根据各像素所对应光强值获得所对应的光的前三项斯托克斯参量后计算图像各像素的线偏振度和线偏振角；测量相位时，将激光分为物光波和参考光后调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并透过偏振片阵列入射到所述感光元件阵列。本发明能够实时地测量动态物体的光强、偏振态信息以及相位信息。

说明书

技术领域

本发明属于或涉及偏振态或相位测量领域，具体来讲，本发明提出了一种实时测量偏振态和相位的方法，该方法主要基于偏振片阵列结构。 

背景技术

光是电磁波，包含光强、相位以及偏振态(线偏振度、偏振角)等信息。传统单帧照相技术只能记录物体的光强信息，而不能记录光的偏振度和相位信息。为了获得图像的偏振态信息，传统方法为在镜头前放置偏振片，通过多次旋转偏振片并采集图像，来计算图像的斯托克斯参量，从而获得偏振态信息。由于多幅图像是在不同时刻采集的，需要很高的隔振条件，并且这种方法不能实时测量偏振态，也就不能对动态物体进行测量。 

为了记录物光波的相位信息，采用相移技术，引入参考光，通过对参考光进行多次相移，分别记录多帧干涉图的光强信息，从而解算出记录平面物光波的光强和相位信息。传统相移法包括时间相移法和空间相移法两种。时间相移法包括压电陶瓷(PZT)法、移动光栅法、拉伸光纤法、液晶相移法、偏振相移法、空气相移法等。但是传统的时间相移方法记录的图像是在同一空间位置不同时刻采集的，因此时间相移局限于对静态或准静态相位的测量。空间相移与时间相移恰好相反，干涉图为同一时刻不同空间位置获得的，因此可以进行动态测量，主要有“普通分光棱镜分光+偏振相移”、“光栅分光+偏振相移”、“光栅分光+光栅相移”三类。空间相移虽然能够进行动态测量，但是由于干涉图记录的空间位置不同，要求不同探测器(若采用多个探测器接收不同相移干涉图)或探测器不同部分(若采用单个探测器的不同部分接收不同相移干涉图)的光电性能一致，且不同空间位置的干涉图之间要求进行像素级的位置匹配和灰度校正，因此实际操作过程难度高精度低，难以被实际应用。另外，传统的时间相移法和空间相移法都需要在很高的隔振条件下进行。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明提出了一种实时偏振态和相位测量方法，该方法主要基于像素偏振片阵列，采集单帧图像即可实时获得图像的光强、偏振态以及相位等信息，以解决传统测量方法不能实时测量以及需要高隔振的技术问题，可以用于动态物体实时测量。 

(二)技术方案 

本发明提出的实时测量光偏振态的方法，包括如下步骤：将偏振片阵列与感光元件阵列集成在一起，使得所述偏振片阵列的每个偏振片单元与所述感光元件阵列的每个感光单元一一对准，其中，所述偏振片阵列由大小相同的多个子阵列组成，每个子阵列包括多个偏振片单元，同一子阵列中的不同偏振片单元的透偏振方向不同；使光透过所述偏振片阵列后入射到感光元件阵列上，感光元件阵列根据所检测的光强信号形成单帧图像，每个感光元件对应图像的一个像素；将所述图像中与偏振片阵列各子阵列中的具有相同透偏振方向的偏振片阵列单元所对应的像素分别取出，组合成多幅图像；根据组合的多幅图像的各像素所对应光强值获得各像素所对应的光的前三项斯托克斯参量；根据所述组合的多幅图像的各像素所对应的光的前三项斯托克斯参量计算图像各像素的线偏振度和线偏振角。 

根据本发明的具体实施方式，所述偏振片阵列的相邻的每2×2单元构成一个子阵列，子阵列内的四个单元的透偏振方向不同，分别为0、π/4、π/2、3π/4。 

根据本发明的具体实施方式，根据如下公式计算所述图像的各像素所对应的光的线偏振度DoLP：其中S₀,S₁,S₂分别为图像的像素所对应的光的前三项斯托克斯参量，S₀＝I(0)+I(π/2)，S₁＝I(0)-I(π/2)，S₂＝I(π/4)-I(3π/4)，I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)分别是透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4的偏振片单元对应的感光元件单元所检测到光强值。 

根据本发明的具体实施方式，根据如下公式计算所述图像的各像素所对应的光的线偏振角AoLP：其中，S₁、S₂分别为图像的像素所对应的光的第二、第三项斯托克斯参量，S₁＝I(0)-I(π/2)，S₂＝I(π/4)-I(3π/4)，I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)分别是与图像透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4的偏振片单元对应的感光元件单元所检测到光强值。 

本发明还提出一种实时测量光相位的方法，包括：将偏振片阵列与感光元件阵列集成在一起，使得所述偏振片阵列的每个偏振片单元与所述感光元件阵列的每个感光单元一一对准，其中，所述偏振片阵列由大小相同的多个子阵列组成，每个子阵列包括多个偏振片单元，同一子阵列中的不同偏振片单元的透偏振方向不同；将激光经扩束准直后，照射到偏振分光棱镜上，使之分为两束互相垂直的线偏振光，一束照射到测试样品上，为物光波，另一束照射到参考面上，为参考光；所述物光波和参考光分别被所述测试样品和参考面反射后再次经过所述偏振分光棱镜，且分别两次经过四分之一波片，使得偏振角度分别旋转了90°，从而分别被偏振分光棱镜透射和反射，之后经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并透过所述偏振片阵列入射到所述感光元件阵列；照明光源选为相干激光光源，两束相干光调制为互相垂直的线偏振光，其中一束为待测物光波，另一束为平行光。两束光透过四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并透过所述偏振片阵列入射到所述感光元件阵列；将所述图像中与偏振片阵列各子阵列中的具有相同透偏振方向的偏振片阵列单元所对应的像素分别取出，组合成多幅图像；根据所述组合的多幅图像的各像素所对应光强值计算图像各像素的光相位。 

根据本发明的具体实施方式，所述偏振片阵列的相邻的每2×2单元构成一个子阵列，子阵列内的四个单元的透偏振方向不同，分别为0、π/4、π/2、3π/4。 

根据本发明的具体实施方式，根据如下公式计算所述图像的各像素所对应的光的相位：其中，I(0)、I(π/4)、I(π/2) 和I(3π/4)分别是透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4的偏振片单元对应的感光元件单元所检测到光强值。 

(三)有益效果 

本发明采集一帧图像即可获得物光的光强和偏振态等信息，因此可用来实时测量动态物体的光强和偏振态信息。 

本发明应用于相移测量中时，采集一帧图像即可获得光的光强和相位信息，因此可用来测量动态物光波的光强和相位信息，既克服了传统时间相移法不能测量动态物体的缺点，又克服了传统空间相移法需要精确地位置匹配和灰度矫正的缺点。 

本发明基于像素的偏振片阵列，可以和感光元件(CCD或CMOS)集成到一起，不需要在具体应用时对准，大大降低了使用繁琐程度； 

本发明对抗振要求不高，因此使用范围更广。 

附图说明

图1是像素偏振片阵列的示意图； 

图2是本发明的一种实施方式的由单帧图像拆分为四幅图像的示意图； 

图3是单帧图像差值平均获得同等分辨率的四幅图像的示意图； 

图4是本发明的一种实施方式的像素偏振片阵列应用于偏振态测量的示意图； 

图5是本发明一实施例中像素偏振片阵列应用于相移方法实时测量相位的光路图； 

图6是本发明一实施例中像素偏振片阵列应用于相移方法测平面波相位的示意图； 

图7是本发明一实施例中像素偏振片阵列应用于相移方法测球面波相位的示意图。 

具体实施方式

本发明提出了一种实时测量光的光强、偏振态以及相位方法，该方法主要基于像素偏振片阵列。偏振片阵列是一种用于测量光经过不同透过方向的偏振片单元后各个偏振方向的光强的器件，通常与感光元件(CCD或 CMOS)阵列搭配使用，从而获得包含由该偏振片阵列测得的各偏振分量的图像，并可以进行实时相移分析。本发明中，偏振片阵列的每个偏振片单元的尺寸与感光元件阵列的每个感光单元一一对准，尺寸也相同，而每个感光单元用于记录图像的一个像素，因此，本发明中的偏振片阵列也称像素偏振片阵列。 

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 

图1是本发明的像素偏振片阵列的结构示意图。如图1所示，像素偏振片阵列1由多个按行列排列的偏振片单元11组成。偏振片阵列需要与感光元件阵列集成在一起使用，偏振片单元11与感光单元(CCD或CMOS的单元)一一对准，且每个偏振片单元的尺寸与感光元件的单元的尺寸一致。 

本发明的偏振片阵列由大小相同的多个子阵列组成，每个子阵列包括多个偏振片单元，同一子阵列中的不同偏振片单元的透偏振方向不同。 

本发明的一种实施方式是，偏振片阵列1的相邻的每2×2单元构成一个子阵列12，子阵列12内四个单元11的透偏振方向不同，分别为0、π/4、π/2、3π/4。 

偏振片阵列单元和感光元件单元之间的距离要尽可能小，通常为约几十到几百纳米。 

每个像素偏振片子阵列12内的四个单元所对应的感光元件单元(像素单元)所获得的光强值并不是相互独立的，已知其中三个像素单元的光强值即可算出另一个像素单元的光强值，因此另一种实施方式是，也可只制作具有三个透偏振方向的像素偏振片阵列。 

本发明的像素偏振片阵列应用于偏振态测量方法如下： 

使光透过所述偏振片阵列后入射到感光元件阵列上，感光元件阵列根据所检测的光强信号形成单帧图像，每个感光元件单对应图像的一个像素。接着，将所述图像中与偏振片阵列各子阵列中的具有相同透偏振方向的偏振片阵列单元所对应的像素分别取出，组合成多幅图像。 

图2是本发明的一种实施方式的由单帧图像拆分为四幅图像的示意图.该实施例中的偏振片阵列的相邻的每2×2单元构成一个子阵列，子阵列 内四个单元的透偏振方向不同，分别为0、π/4、π/2、3π/4。如图2所示，其中图2的(a)图为由集成了偏振片阵列的CCD/CMOS相机拍摄的单帧图像，将四种透偏振方向的图像灰度值取出，重新组合为四幅图像，如图2(b)所示，分别代表透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4时感光元件阵列所采集到的图像，其光强值分别为I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)。 

由于拆分过程并不增加新的数据值，拆分后的单个图像像素数为原始图像像素数的四分之一，因此上述方法使得图像分辨率降低，也可用差值平均方法补充数据值，使得图像分辨率不变。 

图3是单帧图像差值平均获得同等分辨率的四幅图像的示意图。如图3所示，其中图3的(a)图为集成了像素偏振片阵列的相机拍摄的单帧图像，将这四种透偏振方向的图像灰度值取出，分别放到四幅同等分辨率的空值图像的相应位置，如图3的(b图)所示。四幅图每幅包含四分之一的原始数据值和四分之三的空值。之后采用插值平均的方法，用于空值相邻的原始数据值取平均值，从而将空值区域补齐，得到了四幅完整的图像，如图3(c)所示。 

接着，根据组合的多幅图像的各像素所对应光强值获得各像素所对应的光的前三项斯托克斯参量。 

对于上述实施例，子阵列包括四个单元，图像的像素所对应的光的前三项斯托克斯参量(S₀,S₁,S₂)可由四幅图像对应光强值获得： 

S₀＝I(0)+I(π/2)            (1) 

S₁＝I(0)-I(π/2)            (2) 

S₂＝I(π/4)-I(3π/4)        (3) 

其中S₀表示感光元件阵列前未叠置偏振片阵列时，感光元件单元所采集到的光强值，因此S₀图像与普通相机拍摄的图像效果相同。 

最后，根据所述组合的多幅图像的各像素所对应的光的前三项斯托克斯参量计算图像各像素的线偏振度和线偏振角。 

采集图像的各像素所对应的光的线偏振度DoLP(Degree of linear polarization)可表示为： 

$\mathrm{DoLP}=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2}}{S_0}---\left(4\right)$

对于线偏振光，其线偏振角AoLP(Angle of linear polarization)为： 

$\mathrm{AoLP}=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{S_2}{S_1}\right)---\left(5\right)$

由于I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)，I(0)+I(π/2)＝I(π/4)+I(3π/4)，因此也可使用具有三个透偏振方向的偏振片阵列，如选用三个透偏振方向为0、π/4、π/2，图像的像素所对应的光的前两项斯托克斯参量S₀,S₁表述不变，S₂可表述为：S₂＝I(0)+I(π/2)-2I(π/4) 

因此，本发明采用一帧图像即可获得图像的线偏振度和偏振角信息，可应用于动态物体实时偏振态的测量。 

本发明还提出将偏振片阵列应用于相移方法测量物光相位，具体如下： 

将偏振片阵列与感光元件阵列集成在一起，使得所述偏振片阵列的每个偏振片单元与所述感光元件阵列的每个感光单元一一对准，其中，所述偏振片阵列由大小相同的多个子阵列组成，每个子阵列包括多个偏振片单元，同一子阵列中的不同偏振片单元的透偏振方向不同。 

将激光经扩束准直后，照射到偏振分光棱镜上，使之分为两束互相垂直的线偏振光，一束照射到测试样品上，为物光波，另一束照射到参考面上，为参考光； 

所述物光波和参考光分别被所述测试样品和参考面反射后再次经过所述偏振分光棱镜，且分别两次经过四分之一波片，使得偏振角度分别旋转了90°，从而分别被偏振分光棱镜透射和反射，之后经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并透过所述偏振片阵列入射到所述感光元件阵列。照明光源选为相干激光光源，两束相干光调制为互相垂直的线偏振光，其中一束为待测物光波，另一束为平行光。两束光透过四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并透过所述偏振片阵列入射到所述感光元件阵列。 

接着，如前所述，将所述图像中与偏振片阵列各子阵列中的具有相同透偏振方向的偏振片阵列单元所对应的像素分别取出，组合成多幅图像。然后，根据组合的多幅图像的各像素所对应光强值计算图像各像素的光相位。 

图4是本发明一种实施方式的像素偏振片阵列应用于相移方法实时测量相位的光路图，如图4所示，由激光器发出的激光经扩束准直后，照射到偏振分光棱镜上，被分为两束互相垂直的线偏振光，一束经反射照射到测试样品上，为物光波，另一束经透射照射到光滑参考面上，为参考光。反射的物光和参考光再一次到达偏振分光棱镜，分别两次经过四分之一波片，使得偏振角度分别旋转了90°，从而分别被偏振分光棱镜透射和反射，之后经四分之一波片后分别被调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并被上述像素偏振片阵列所附的感光元件阵列采集。将采集的图像中相同透偏振方向单元像素分别取出，重新组合为四幅图片，如图2所示。同样，该方法使得图像分辨率降低，也可采用图3的方式，用差值平均方法补充数据值，使得图像分辨率不变。 

与前一实施方式类似，该实施方式中的偏振片阵列的相邻的每2×2单元构成一个子阵列，子阵列内四个单元的透偏振方向不同，分别为0、π/4、π/2、3π/4。被采集的光强与偏振片单元的偏振角有关，如下公式所示： 

$I=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}\cos (\phi +2\alpha ))---\left(6\right)$

其中I_s为物光光强，I_r为参考光光强，φ为物光相位，α为偏振片单元的透偏振角度。可得： 

$I\left(0\right)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}\cos \left(\phi \right))---\left(7\right)$

$I(\pi /4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}\cos (\phi +\pi /2))---\left(8\right)$

$I(\pi /2)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}\cos (\phi +\pi ))---\left(9\right)$

$I(3\pi /4)=\frac{1}{2}(I_s+I_r+2\sqrt{I_s{I}_r}\cos (\phi +3\pi /2))---\left(10\right)$

从而可得物光相位为： 

$\phi =\arctan \left(\frac{I(\pi /2)-I\left(0\right)}{I(3\pi /4)-I(\pi /4)}\right)---\left(11\right)$

实施例1、基于像素偏振片阵列的实时偏振态测量 

图5为像素偏振片阵列应用于偏振态测量实例，被拍摄物体为由六块方形偏振片组成的偏振片样品阵列和一个表面光滑的金属圆片，背景为粗糙墙面。六块方形偏振片的材质相同，透偏振方向略有不同。由相机拍摄的单幅图像可以分为四幅图像，分别为I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)，从而可以计算出S₀和DoLP。S₀代表未集成像素偏振片阵列的相机所应拍摄的效果图。DoLP为图像的线偏振度，其范围为0到1(见图5中DoLP色标)，图中用灰度来表示线偏振度的强度，灰度越高，则代表的线偏振度强度也越高。对于DoLP值大于0.2的像素，计算AoLP。AoLP为图像的线偏振角度，其范围为0°到180°(见图5中AoLP色标)，图中用灰度表示线偏振角度。由结果可见，六块偏振片透射的光为线偏振光，因此偏振度较高，且计算得到的偏振角因偏振片透射角度不同而不同；光滑金属圆片表面反射的光具有明显线偏振性，因此线偏振度较高，且因表面较平整，偏振角基本一致；背景墙面和偏振片框架表面较粗糙，其反射的光不具有明显偏振特性，因此线偏振度接近于0，也就不需计算线偏振角信息。 

实施例2、基于像素偏振片阵列实时测量平行光的相位信息 

本实施例为测量平行光相位，待测物体选为光滑平面镜，并使其法线与入射光线略有倾斜。该实施例的光路如图4所示，在此不再赘述。 

图6是该实施例中像素偏振片阵列应用于相移方法测平面波相位的示意图，图6的(a)图为集成了像素偏振片阵列的CCD所采集到的单帧干涉图像，将采集的图片中相同透偏振方向单元像素分别取出，并进行插值平均，可获得同分辨率的四幅图片，如图6的(b)～(e)图所示，分别代表透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4时CCD所采集到的图像，其光强值分别为I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)。 

因此，本发明只需要一帧图像即可实现四步相移。利用获得的四幅相移图滤噪后计算相位图像，如图6的(f)图所示。计算得到的相位图的相位值为0～2π，对图6的(f)图进行相位展开，获得整体相位图像，如图6的(g)图所示，并将其进行三维显示，如图6的(h)图。可见，测得的相位图像为带有一定倾角的平行光相位，与实际情况相吻合。 

实施例3、基于像素偏振片阵列实时测量球面波的相位信息 

同样，该实施例的光路也如图4所示，与前面的实施例不同的是，该实施例的待测物体为光滑凹面镜，以获得球面波相位。 

图7是该实施例中像素偏振片阵列应用于相移方法测球面波相位的示意图，该图7的(a)图为集成了像素偏振片阵列的CCD所采集到的单帧干涉图像，将采集的图像中相同透偏振方向单元像素分别取出，并进行插值平均，可获得同分辨率的四幅图片，如图7的(b)图～(e)图所示，分别代表透偏振方向为0、π/4、π/2和3π/4时CCD所采集到的图像，其光强值分别为I(0)、I(π/4)、I(π/2)和I(3π/4)。因此，本方法只需要一帧图像即可实现四步相移。利用获得的四幅相移图滤噪后计算相位图像，如图7的(f)图所示。计算得到的相位图的相位值为0～2π，对图7(f)图进行相位展开，获得整体相位图像，如图7的(g)图所示，并对其进行三维显示，如图7的(h)图。可见。测得的相位图像为球面波相位，与实际情况相吻合。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。