基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法技术

本发明专利技术公开了基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特殊偏振光入射时探测面的强度分布之间的关系，所建立理论模型获取四幅探测面的强度分布可实现系统加工和对准误差的标定，简化了空间调制偏振仪的标定步骤，提高了偏振检测效率；提出了混合梯度下降算法来求解最大的光子偏振几率，该方法可实现高精度、快速的偏振态及偏振几率检测，提高了空间调制偏振仪的数据处理效率；结合阈值选通的傅里叶低通滤波技术，本发明专利技术方法通过相机单次拍摄可实现强/弱光场下的光子偏振态、光子偏振几率及穆勒矩阵的快速、高精度检测。高精度检测。高精度检测。

【技术实现步骤摘要】
基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法


[0001]本专利技术属于偏振测量的
，具体涉及一种基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法。

技术介绍

[0002]偏振测量用于表征光束的偏振态，光与样品相互作用会改变入射光的偏振态，样品对光的偏振态的改变可用Stokes参量表示，Stokes参量可以分为圆退偏参量、线退偏参量等与样品微结构密切相关的、具有实际物理意义的、可量化的偏振参数，可用于获取样品的偏振特性和结构参数。偏振测量作为光和样品偏振特性分析的重要工具，已经被广泛的应用于生物医学、量子通信、激光雷达等领域典型的偏振仪可分为时序偏振仪、同时偏振仪。时序偏振仪利用延迟器和偏振分析仪、液晶调制器或光弹调制器通过一系列分时测量来获取Stokes参量，这种测量方法无法实现实时的偏振检测。同时测量方法包括分振幅法、分焦面法、分孔径法是一种并行测量方法，将带测光光束分成多个通道进行探测，这些通道可以在空间频域内通过分光器件获得，每个检测通道仅检测某种特定的偏振态。然而上述偏振测量技术需多次器件旋转或多路分光而无法精确测量弱光场偏振信息。
[0003]最近，基于涡旋波片的空间调制偏振测量法被提出，该方法具有简单、准确、鲁棒性强等优势。论文文献“Spatially modulated polarimetry based on a vortex retarder and Fourier analysis”使用涡旋二分之一波片将入射光偏振态映射到一幅空间变化的强度分布，通过数据处理算法解算出实验测得强度分布所表征的待测偏振态。然而，由于涡旋二分之一波片物理属性的限制，该偏振仪仅能测量完全偏振光无法测量部分偏振光。论文文献“Single
‑
shot measurement of polarization state at low light field using Mueller
‑
mapping star test polarimetry”提出基于涡旋四分之一波片空间调制的偏振仪解决了上述问题，并发展了弱光偏振测方法。由于该方法建立探测面的强度分布同空间调制器Mueller矩阵之间的关系，因此理论模型的标定至少需要20次旋转波片，标定过程步骤复杂耗时。此外，该方法使用直接枚举法求解归一化的最小二乘问题，求解耗时且精度受限于Stokes参量的采样间隔。因此，现有的基于涡旋波片的空间调制偏振测法精度和速度有待进一步提高。上述方法仅适用于偏振态的测量方法，并不适用于弱光场Mueller矩阵测量。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法，能够实现强/弱光场下的光子偏振态、光子偏振几率及Mueller矩阵的检测，解决了现有空间调制偏振检测技术测量和标定速度慢，弱光偏振检测精度低的问题。
[0005]实现本专利技术的技术方案如下：
[0006]基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系，通过四次旋转偏振器件(旋转3次单
快轴波片和1次偏振片)获取所述四种特定偏振光探测面的强度分布，实现检测系统的加工和对准误差的标定；
[0007]建立光子偏振态及偏振几率的理论模型，将实验获得的待测光场强度分布输入所述理论模型中，利用混合梯度下降算法求解最大的光子偏振几率及所对应的Stokes参量，所述混合梯度下降算法即为枚举算法—梯度下降算法—枚举算法的结合算法。
[0008]进一步地，所述四种特定偏振光探测面为水平、+45度线偏振态和左、右圆偏振态入射时探测面。
[0009]进一步地，所述任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系为：
[0010][0011]其中，I表示任意偏振光入射时探测面的强度分布，I
H
、I
P
、I
L
、I
R
分别表示水平、+45度线偏振态和左、右圆偏振态入射时探测面的强度分布，s1,s2,s3表示入射光归一化的偏振态。
[0012]进一步地，所述方法对于待测弱光场的强度分布，使用阈值滤波对弱光图像进行去噪处理：
[0013][0014]其中，I
i
是实验测得的弱光场下的待测偏振光强度分布在i像素点的强度值，N表示总像素数，λ表示可调参数，SNR表示弱光强度分布的信噪比。
[0015]进一步地，所述检测方法中，采用了基于涡旋四分之一波片的空间调制偏振仪。
[0016]进一步地，所述混合梯度下降算法具体为：
[0017]步骤1、使用直接枚举算法搜索初始的Stokes参量的最优解，为步骤2梯度下降算法提供初始值；
[0018]步骤2、将步骤1所得的初始值代入梯度下降算法迭代搜索Stokes参量的最优解，每次搜索Stokes参量的最优解需要更新偏振几率，当偏振几率的梯度为正时梯度下降的方向被设置为1，反之梯度下降的方向被设置为
‑
1；
[0019]步骤3、利用步骤2的结果使用直接枚举算法获得测量的Stokes参量及最大的光子偏振几率。
[0020]基于涡旋波片的空间调制Mueller检测方法，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系，通过四次旋转偏振器件(旋转3次单快轴波片和1次偏振片)获取所述四种特定偏振光探测面的强度分布，实现检测系统的加工和对准误差的标定；
[0021]用多快轴1/4波片替换单快轴波片，用于产生入射样品的4种线性无关的偏振态，经过样品后产生4种出射偏振态；每一种所述出射偏振态依据以下检测方法求解；
[0022]建立光子偏振态及偏振几率的理论模型，将每一种出射偏振态输入所述理论模型中，利用混合梯度下降算法求解最大的光子偏振几率及所对应的Stokes参量，所述混合梯
度下降算法即为枚举算法—梯度下降算法—枚举算法的结合算法；
[0023]进而获得样品的Mueller矩阵。
[0024]有益效果：
[0025]第一，本专利技术选用基于涡旋四分之一波片的空间调制偏振仪，其可同时实现完全偏振光和部分偏振光偏振信息的检测，有效解决了现有基于涡旋二分之一波片的空间调制偏振仪无法测量部分偏振态的问题，结合阈值选通的低通傅立叶滤波技术，所述方法可以实现更低信噪比下的偏振检测，有望应用于活体生物偏振检测。
[0026]第二，本专利技术建立的正向理论模型即任意偏振光的强度分布同四种特殊偏振态入射的强度分布之间的关系，该模型标定时仅需要四次旋转偏振器件获取四幅探测面的强度分布，简化了标定的步骤，节省了标定的时间，提高了系统的稳定性。
[0027]第三，本专利技术建立了光子偏振态及偏振几率模型，不仅能解算待测光的偏振态而且根据偏振几率能够提高先验信息。
[0028]第四，在数据处理端口，本专利技术提出了混合梯度下降算法来求解最大的偏振几率，结合了直接枚举算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，其特征在于，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系，通过四次旋转偏振器件获取所述四种特定偏振光探测面的强度分布，实现检测系统的加工和对准误差的标定；所述四次旋转偏振器为旋转3次单快轴波片和1次偏振片；建立光子偏振态及偏振几率的理论模型，将实验获得的待测光场强度分布输入所述理论模型中，利用混合梯度下降算法求解最大的光子偏振几率及所对应的Stokes参量，所述混合梯度下降算法即为枚举算法—梯度下降算法—枚举算法的结合算法。2.如权利要求1所述的基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，其特征在于，所述四种特定偏振光探测面为水平、+45度线偏振态和左、右圆偏振态入射时探测面。3.如权利要求1或2所述的基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，其特征在于，所述任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系为：其中，I表示任意偏振光入射时探测面的强度分布，I
H
、I
P
、I
L
、I
R
分别表示水平、+45度线偏振态和左、右圆偏振态入射时探测面的强度分布，s1,s2,s3表示入射光归一化的偏振态。4.如权利要求1所述的基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，其特征在于，所述方法对于待测弱光场的强度分布，使用阈值滤波对弱光图像进行去噪处理：其中，I
i
是实验测得的弱光场下的待测偏振光强度分布在i像素点的强度值，N表示总像素数，λ表示可调参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳秋，宁天磊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：