一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置。方法包括：S1、调节起偏器的透光轴方位角θ1与四分之一波片的快轴方位角θ2以确定相机的曝光时间；S2、建立误差校准数据库；S3、采集暗环境下的光强图像，并计算暗环境下的光强调制曲线；S4、采集待测光波的光强调制图像，并计算待测光波的光强调制曲线；S5、将待测光波的光强调制曲线减去暗环境下的光强调制曲线和待测光波的光强调制曲线的误差，得到校准后的光强调制曲线，并对所述校准后的光强调制曲线进行傅里叶分析得到校准后的待测光波斯托克斯参量。本发明专利技术能够有效降低光学元件方位角误差、相位延迟误差与图像噪声等误差因素的影响，显著提高待测光波斯托克斯参量的测量精度。斯托克斯参量的测量精度。斯托克斯参量的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置


[0001]本专利技术涉及光学
，更具体地说，特别涉及一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置。

技术介绍

[0002]偏振是电磁波的一个基本特性，偏振态的快速准确检测在偏振遥感、光纤通信、生物医学、光学薄膜检测等领域都具有重要应用。传统的偏振检测系统多采用时序调制型、分光型等方法实现光波偏振态的测量。时序调制型检测系统通过旋转光路中的偏振光学元件或在光路中引入电光调制器等对光波进行时序调制，测量并分析不同时刻下的光强，进而得到待测光波的斯托克斯参量，其一般需要外接驱动或调制器，系统体积较大、测量速度较慢且稳定性较差。分光型检测系统通过部分反射镜、光阑、分束器等将待测光分为多路，并分别对每路光信号进行调制与检测，进而解算出待测光波的偏振参量，分光型检测系统采用多通道同时测量的方法，有效提高了测量速度，但其系统结构复杂，且对各通道的空间配准要求比较高。为解决传统偏振检测系统存在的问题，专利技术人课题组在公开号为CN111579075A的专利中公开了一种基于傅里叶分析的光波偏振态快速检测方法，以及文献“Spatially modulated polarimetry based on a vortex retarder and Fourier analysis”(Chinese Optics Letters，Vol.19，Issue 2，021201)中提出了一种基于空间调制与图像处理的偏振态检测方法，该方法无机械旋转运动部件，单次拍图分析便可实现偏振态检测，光路简单、操作便捷、稳定性好、测量速度快，且检测结果对波长变化不敏感。
[0003]基于空间调制与图像处理的偏振态检测方法的光路示意图如图1所示，其从左至右依次并排设置偏振态产生单元1、偏振态调制单元2与偏振图像处理单元3。偏振态产生单元包括光源101、起偏器102与四分之一波片103；偏振态调制单元包括零级涡旋半波片201、检偏器202；偏振图像处理单元包括相机301和计算机302。偏振态产生单元产生的特定偏振态的待测光波经偏振态调制单元调制后形成亮暗呈楔形分布的光强图像，偏振图像处理单元对光强调制图像进行采集并处理，得到待测光波的斯托克斯矢量。该偏振态检测系统的模型可描述为：
[0004]S
out
＝A(θ4)
·
V(δ3，θ3)
·
Q(δ2，θ2)
·
P(θ1)
·
S
in
[0005]上式中S
in
与S
out
分别表示由光源出射的光波与相机接收到光波的斯托克斯矢量；P、Q、V与A分别表示起偏器、四分之一波片、零级涡旋半波片与检偏器的穆勒矩阵。为了产生特定偏振状态的待测光波并实现对待测光波偏振态的精确测量，通常要求上述偏振光学元件的方位角θ1至θ4设置在一定角度(其中θ3与θ4一般设置于0
°
)，并保证四分之一波片的相位延迟δ2＝π/2、涡旋半波片的相位延迟δ3＝π，此外还要求相机的噪声保持在很低水平。
[0006]但在实际测量过程中，各个器件无法完美地调节至设定位置，总是存在一定的方位角误差；四分之一波片与涡旋半波片的相位延迟也无法严格地保证在理论值，总是存在一定的相位延迟误差；由于环境杂散光、相机工作温度升高、光电转换和信号读出等因素，相机采集到的图像必然包含一定的图像噪声。仿真研究与实验验证均已证明，上述误差因
素会对待测偏振光斯托克斯参量的测量结果产生较大影响，即使实验中已经对光学系统进行了十分精细的对准，并保证环境杂散光与相机温度保持在较低水平，斯托克斯参量的最大测量误差仍然达到了0.05，难以满足某些偏振相关领域对偏振态精确测量的要求。因此有必要设计一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法及装置，以克服现有技术所存在的缺陷。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法，所述基于涡旋波片的偏振检测系统包括依次并排设置偏振态产生单元、偏振态调制单元和偏振图像处理单元，所述偏振态产生单元包括光源、起偏器和四分之一波片，所述偏振态调制单元包括零级涡旋半波片和检偏器，所述偏振图像处理单元包括相机和计算机，所述误差校准方法包括以下步骤：
[0010]S1、调节所述起偏器的透光轴方位角θ1与四分之一波片的快轴方位角θ2以确定所述相机的曝光时间T；
[0011]S2、保持所述起偏器透光轴方位角θ1分别位于多个固定角度不变时，将所述四分之一波片的快轴方位角θ2按照预设规律变化以得到光强值随方位角变化的光强调制曲线，以所述光强调制曲线减去理论曲线得到光强调制曲线测量误差，并根据所述光强调制曲线测量误差建立误差校准数据库；
[0012]S3、采集暗环境下的光强图像，并计算暗环境下的光强调制曲线；
[0013]S4、采集待测光波的光强调制图像，并计算待测光波的光强调制曲线；
[0014]S5、将待测光波的光强调制曲线减去暗环境下的光强调制曲线和待测光波的光强调制曲线的误差，得到校准后的光强调制曲线，并对所述校准后的光强调制曲线进行傅里叶分析得到校准后的待测光波斯托克斯参量。
[0015]进一步地，所述步骤S1具体为：将所述起偏器的透光轴方位角θ1与四分之一波片的快轴方位角θ2调节至0
°
方向，观察所述相机采集的调制图像的光强最大值，并调节所述相机的曝光参数使所述相机采集的调制图像的光强最大值处饱和。
[0016]进一步地，所述步骤S2具体为：
[0017]将所述起偏器的透光轴方位角θ1调节至0
°
方向，将所述四分之一波片的快轴方位角θ2从0
°
每隔5
°
步进旋转至180
°
，对光强调制图像进行采集，得到所述起偏器处于0
°
，所述四分之一波片处于0
°
、5
°
、
…
(i
‑
1)
×5°…
、180
°
(i＝1，2，3，
…
37)时的光强调制图像M(0
°
，0
°
)、M(0
°
，5
°
)、
…
M(0
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、M(0
°
，180
°
)，对所述光强调制图像进行处理，得到光强值随方位角变化的光强调制曲线I
*
(0
°
，0
°
)、I
*
(0
°
，5
°
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法，所述基于涡旋波片的偏振检测系统包括依次并排设置偏振态产生单元、偏振态调制单元和偏振图像处理单元，所述偏振态产生单元包括光源、起偏器和四分之一波片，所述偏振态调制单元包括零级涡旋半波片和检偏器，所述偏振图像处理单元包括相机和计算机，其特征在于，所述误差校准方法包括以下步骤：S1、调节所述起偏器的透光轴方位角θ1与四分之一波片的快轴方位角θ2以确定所述相机的曝光时间T；S2、保持所述起偏器透光轴方位角θ1分别位于多个固定角度不变时，将所述四分之一波片的快轴方位角θ2按照预设规律变化以得到光强值随方位角变化的光强调制曲线，以所述光强调制曲线减去理论曲线得到光强调制曲线测量误差，并根据所述光强调制曲线测量误差建立误差校准数据库；S3、采集暗环境下的光强图像，并计算暗环境下的光强调制曲线；S4、采集待测光波的光强调制图像，并计算待测光波的光强调制曲线；S5、将待测光波的光强调制曲线减去暗环境下的光强调制曲线和待测光波的光强调制曲线的误差，得到校准后的光强调制曲线，并对所述校准后的光强调制曲线进行傅里叶分析得到校准后的待测光波斯托克斯参量。2.根据权利要求1所述的基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将所述起偏器的透光轴方位角θ1与四分之一波片的快轴方位角θ2调节至0
°
方向，观察所述相机采集的调制图像的光强最大值，并调节所述相机的曝光参数使所述相机采集的调制图像的光强最大值处饱和。3.根据权利要求1所述的基于涡旋波片的偏振检测系统的误差校准方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将所述起偏器的透光轴方位角θ1调节至0
°
方向，将所述四分之一波片的快轴方位角θ2从0
°
每隔5
°
步进旋转至180
°
，对光强调制图像进行采集，得到所述起偏器处于0
°
，所述四分之一波片处于0
°
、5
°
、
…
(i
‑
1)
×5°…
、180
°
(i＝1，2，3，
…
37)时的光强调制图像M(0
°
，0
°
)、M(0
°
，5
°
)、
…
M(0
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、M(0
°
，180
°
)，对所述光强调制图像进行处理，得到光强值随方位角变化的光强调制曲线I
*
(0
°
，0
°
)、I
*
(0
°
，5
°
)、
…
I
*
(0
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、I
*
(0
°
，180
°
)，将光强调制曲线减去所述偏振态检测系统的模型计算得到的理论曲线I(0
°
，0
°
)、I(0
°
，5
°
)、
…
I(0
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、I(0
°
，180
°
)，得到所述起偏器处于0
°
、所述四分之一波片处于0
°
、5
°
、
…
(i
‑
1)
×5°…
、180
°
时的光强调制曲线测量误差ΔI(0
°
，0
°
)、ΔI(0
°
，5
°
)、
…
ΔI(0
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、ΔI(0
°
，180
°
)；再将起偏器的透光轴方位角θ1调节至45
°
方向，将所述四分之一波片的快轴方位角θ2从0
°
每隔5
°
步进旋转至180
°
，对光强调制图像进行采集，得到所述起偏器处于45
°
，所述四分之一波片处于0
°
、5
°
、
…
(i
‑
1)
×5…
、180
°
(i＝1，2，3，
…
37)时的光强调制图像M(45
°
，0
°
)、M(45
°
，5
°
)、
…
M(45
°
，(i
‑
1)
×5°
)
…
、M(45
°
，180
°
)，对所述光强调制图像进行处理，得到光强值随方位角变化的光强调制曲线I
*
(45
°
，0
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷兵，高超，王富杰，雷雨，文雪可，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：