[發(fā)明專利]基于偏振相機(jī)和優(yōu)化波片的全Stokes矢量測量方法

有效

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• 申請日: 2019-07-22
• 公開（公告）號: CN110332994B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡浩豐;李校博;劉鐵根;程振洲
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01J4/00
• 分類號: G01J4/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發(fā)明公開了一種基于偏振相機(jī)和優(yōu)化波片的全Stokes矢量測量方法，步驟1、根據(jù)分焦平面偏振相機(jī)獲得的12種不同偏振狀態(tài)下的光強(qiáng)測量值，并利用光強(qiáng)值計算全Stokes矢量；步驟2、推導(dǎo)得到全Stokes矢量估計方差與光強(qiáng)、可旋轉(zhuǎn)波片的旋轉(zhuǎn)角度之間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)光強(qiáng)測量值、各Stokes矢量分量和相位延遲量之間的關(guān)系實現(xiàn)波片相位延遲量的自標(biāo)定，獲得解析表達(dá)式：同時驗證當(dāng)旋轉(zhuǎn)波片延遲量為126.25度時，Stokes矢量后三個分量的估計方差相等且與待測Stokes矢量無關(guān)。本發(fā)明不再需要對系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)波片進(jìn)行單獨額外的標(biāo)定工作，操作簡單快速，易于實現(xiàn)；對于復(fù)雜噪聲環(huán)境的系統(tǒng)同樣具有理論上的優(yōu)化可行性；具有測量方差小、精度高等特點，極大降低了測量系統(tǒng)的成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于偏振測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種全Stokes矢量測量方法。

背景技術(shù)

偏振信息作為光波的基本物理信息之一，其測量在許多領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。Stokes矢量描述了光波的偏振態(tài)，包含了最基本的偏振信息，因此針對Stokes矢量的測量作為偏振測量領(lǐng)域的主要方向之一被廣泛研究應(yīng)用。分焦平面偏振相機(jī)因其能實時采集獲取四個不同偏振狀態(tài)下的偏振信息，被廣泛應(yīng)用于偏振測量和偏振成像領(lǐng)域。針對基于分焦平面偏振相機(jī)的全Stokes矢量測量系統(tǒng)，雖然旋轉(zhuǎn)兩次波片角度獲取兩次光強(qiáng)測量可以實現(xiàn)全Stokes矢量的測量，并且通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)角度可以最小化測量估計方差。但是優(yōu)化得到的最終結(jié)果與傳統(tǒng)的分時測量系統(tǒng)相比，并未達(dá)到方差估計下界。另一方面也驗證了即使改變偏振相機(jī)的前置波片的相位延遲量亦不能進(jìn)一步降低估計方差。因此考慮通過三次測量并優(yōu)化前置波片的相位延遲量實現(xiàn)估計測量方差下界。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種基于偏振相機(jī)和優(yōu)化波片的全Stokes矢量測量方法，基于分焦平面偏振相機(jī)三次光強(qiáng)采集的全Stokes矢量最優(yōu)測量方法，針對高斯型噪聲和泊松型噪聲環(huán)境下的測量系統(tǒng)實現(xiàn)全Stokes矢量估計方差的理論最小下界，實現(xiàn)全Stokes矢量估計方差和波片相位延遲量的自標(biāo)定。

本發(fā)明的一種基于偏振相機(jī)和優(yōu)化波片的全Stokes矢量測量方法，該方法的具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟1、根據(jù)分焦平面偏振相機(jī)獲得的12種不同偏振狀態(tài)下的光強(qiáng)測量值，并利用光強(qiáng)值計算全Stokes矢量；

步驟2、推導(dǎo)得到全Stokes矢量估計方差與光強(qiáng)、可旋轉(zhuǎn)波片的旋轉(zhuǎn)角度之間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)光強(qiáng)測量值、各Stokes矢量分量和相位延遲量之間的關(guān)系實現(xiàn)波片相位延遲量的自標(biāo)定，獲得自標(biāo)定算法的解析表達(dá)式如下：

其中，I₀～I(xiàn)₃表示波片旋轉(zhuǎn)至0度時對應(yīng)獲取的光強(qiáng)值，I₄～I(xiàn)₇表示波片旋轉(zhuǎn)至60度時對應(yīng)獲取的光強(qiáng)值，I₈～I(xiàn)₁₁表示波片旋轉(zhuǎn)至120度時對應(yīng)獲取的光強(qiáng)值；從而實現(xiàn)了波片相位延遲量的同步自標(biāo)定，同時驗證當(dāng)旋轉(zhuǎn)波片延遲量為126.25度時，Stokes矢量后三個分量的估計方差相等且與待測Stokes矢量無關(guān)。

本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明不再需要對系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)波片進(jìn)行單獨額外的標(biāo)定工作，操作簡單快速，易于實現(xiàn)；

2、除了高斯型噪聲和泊松型噪聲以外，本發(fā)明對于混雜其他類型噪聲的復(fù)雜噪聲環(huán)境的系統(tǒng)同樣具有理論上的優(yōu)化可行性；

3、本發(fā)明操作簡單，具有測量方差小、精度高等特點，極大降低了測量系統(tǒng)的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的基于分焦平面偏振相機(jī)和一個可旋轉(zhuǎn)波片所構(gòu)建的全Stokes矢量測量裝置示意圖。

圖2為分焦平面偏振相機(jī)的微偏振片陣列分布圖。