[发明专利]一种基于像素偏振片阵列的实时偏振态和相位测量方法

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。