阅读说明：本技术 一种利用dmd进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置 (Method and device for carrying out real-time Stokes polarization measurement by using DMD ) 是由 卡梅隆·罗萨莱斯·古兹曼 赵波 胡晓博 朱智涵 高玮 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置。该方法基于利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法所采用的装置实现；该装置包括二分之一波片、q板、加载有数字光栅的DMD、第一透镜、滤波器、第二透镜、第一线性偏振片、第二线性偏振片、第二四分之一波片、第三线性偏振片、第三透镜以及CCD；线偏振高斯光通过二分之一波片和q板转化为CV光,通过DMD分成四个相同部分,四束光分别用于测量所需的总光强、H方向光强、D方向光强和R方向光强。本发明的上述技术,能够解决动态SOP的实时重建问题,通过将动态SOP投影到DMD上,实现了实时斯托克斯偏振测量。(The invention provides a method and a device for carrying out real-time Stokes polarization measurement by utilizing a DMD (digital micromirror device). The method is realized based on a device adopted by the method for carrying out real-time Stokes polarization measurement by utilizing the DMD; the device comprises a half wave plate, a q plate, a DMD loaded with a digital grating, a first lens, a filter, a second lens, a first linear polarizer, a second quarter wave plate, a third linear polarizer, a third lens and a CCD (charge coupled device); the linearly polarized Gaussian light is converted into CV light through the half wave plate and the q plate, the CV light is divided into four same parts through the DMD, and the four beams of light are used for measuring total light intensity, light intensity in the H direction, light intensity in the D direction and light intensity in the R direction respectively. The technology of the invention can solve the problem of real-time reconstruction of the dynamic SOP, and realizes real-time Stokes polarization measurement by projecting the dynamic SOP onto the DMD.)

一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置

技术领域

本发明的实施方式涉及光学测量领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置。

背景技术

偏振作为光的一个显著特征，体现了光的波动特性。早在17世纪晚期人们就发现这一现象，但直到1803年杨的开创性工作之后，人们才发现它与电场的横向振动有关。19世纪许多最伟大的思想家，包括马卢斯、布鲁斯特、阿拉戈和菲涅耳，对偏振的理解做出了巨大贡献，但斯托克斯为偏振的表征奠定了基础，其贡献在于引入四个通过强度测量确定的量来描述偏振的任意状态，这四个通过强度测量确定的量被称为斯托克斯(Stokes)参数。

从本质上讲，利用偏振滤波器(如光学缓速器和偏振滤波器)将未知场投影到一组任意无偏基中，所测得的到达光电探测器的光强包含每个基的光强百分比信息，这些信息由Stokes参数捕获，偏振状态(SOP)可以根据这些参数重建。

在传统技术中，所需的强度是逐个测量的，并且所有的强度大多在同一束上执行，所以通常是逐个记录每个强度，因此，其应用只能限于静态SOP的光束，这是现有斯托克斯偏振测量技术的一个主要缺点。

然而，在许多应用场景中往往需要SOP的实时重建，例如需要实时跟踪动态变化的光场的偏振的场景。2010年《Optics Express》第18卷第10期发表的《Real-timemeasurement of space-variant polarizations》中提出了利用方解石将输入光束进行分束，现实实时测量，其缺点是由于传播距离不相等造成的能量分布不平衡，以及光束大小不匹配等问题。因此，实现稳定可靠的动态SOP测量是斯托克斯偏振测量亟须解决的问题。

发明内容

在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置，以至少解决现有斯托克斯偏振测量技术无法实现稳定可靠的动态SOP测量的问题。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法，该方法基于利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法所采用的装置实现；所述利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法所采用的装置包括二分之一波片、q板、加载有数字光栅的DMD(数字微镜装置)、第一透镜、滤波器、第二透镜、第一线性偏振片、第二线性偏振片、第二四分之一波片、第三线性偏振片、第三透镜以及CCD；其中，第一线性偏振片的角度为0⁰，第二线性偏振片的角度为45⁰，第三线性偏振片的角度为90⁰，第二四分之一波片的角度为45⁰；所述利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法包括：将线偏振高斯光通过二分之一波片和q板转化为CV光，令该束CV光首先通过所述加载有数字光栅的DMD，以将所述CV光分成四个相同的部分，生成的四束光依次经过所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜，其中，所述第一透镜和第二透镜用于对所述四束光进行准直，所述滤波器用于对所述四束光进行空间滤波，所述四束光经所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜后沿平行路径传播，该四束光分别用于测量所需的总光强、H方向光强、D方向光强和R方向光强；在上述沿平行路径传播的所述四束光中，第一路通过所述第一线性偏振片获得H方向光强，第三路通过所述第二线性偏振片获得D方向光强，第二路通过所述第二四分之一波片和所述第三线性偏振片获得R方向光强，而第四路则用来获得总光强，所述四束光通过所述第三透镜会聚到所述CCD上进行同时测量。

进一步地，所述DMD上加载的四个具有独特空间频率的多路衍射光栅形成一个数字全息图，当输入CV光入射到所述DMD上时被分成四束跟输入CV光的SOP完全相同的光束。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的焦距均相等。

进一步地，所述q板与所述DMD之间还设置有调节单元，用于改变所述CV光的SOP。

进一步地，所述调节单元为第一调节单元或第二调节单元；所述第一调节单元包括旋转半波片；以及所述第二调节单元包括第一四分之一波片与非线性晶体。

根据本发明的第二方面，还提供了一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置，该装置包括二分之一波片、q板、加载有数字光栅的DMD、第一透镜、滤波器、第二透镜、第一线性偏振片、第二线性偏振片、第二四分之一波片、第三线性偏振片、第三透镜以及CCD；其中，第一线性偏振片的角度为0⁰，第二线性偏振片的角度为45⁰，第三线性偏振片的角度为90⁰，第二四分之一波片的角度为45⁰；所述利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法包括：将线偏振高斯光通过二分之一波片和q板转化为CV光，令该束CV光首先通过所述加载有数字光栅的DMD，以将所述CV光分成四个相同的部分，生成的四束光依次经过所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜，其中，所述第一透镜和第二透镜用于对所述四束光进行准直，所述滤波器用于对所述四束光进行空间滤波，所述四束光经所述第一透镜、所述滤波器和所述第二透镜后沿平行路径传播，该四束光分别用于测量所需的总光强、H方向光强、D方向光强和R方向光强；在上述沿平行路径传播的所述四束光中，第一路通过所述第一线性偏振片获得H方向光强，第三路通过所述第二线性偏振片获得D方向光强，第二路通过所述第二四分之一波片和所述第三线性偏振片获得R方向光强，而第四路则用来获得总光强，所述四束光通过所述第三透镜会聚到所述CCD上进行同时测量。

进一步地，所述DMD上加载的四个具有独特空间频率的多路衍射光栅形成一个数字全息图，当输入CV光入射到所述DMD上时被分成四束跟输入CV光的SOP完全相同的光束。

进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的焦距均相等。

进一步地，所述q板与所述DMD之间还设置有调节单元，用于改变所述CV光的SOP。

进一步地，所述调节单元为第一调节单元或第二调节单元；所述第一调节单元包括旋转半波片；以及所述第二调节单元包括第一四分之一波片与非线性晶体。

根据本发明实施方式的一种利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法及装置，其能够解决动态SOP的实时重建问题，通过将动态SOP投影到数字微镜装置上，实现了实时斯托克斯偏振测量。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是示出传统测量方法的原理示意图；

图2是示出本发明的实施例所采用的方法的原理示意图；

图3是示意性地示出根据本发明实施方式的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置的一个示例的结构框图；

图4是示出一个示例中所得到的四个光束的中心、包围区域、Stokes参数以及重构结果的示意图；

图5是示出实时测量的视频的六帧计算斯托克斯参数所需的记录强度以及仿真结果的示意图；

图6是示出晶体温度改变时偏振改变的理论仿真值与实验结果值的示意图。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明人发现，在矢量光中，空间自由度和偏振自由度以不可分离的方式耦合，这些通常表示为：

其中，ρ表示极坐标极径，φ表示极角，θ表示0-90度的任意角，E表示电场强度，l表示拓扑数，i表示虚数，

表示右旋圆基矢，α表示固定相位角，表示左旋圆基矢。

Stokes参量可表示为如下：

S₀＝I₀

S₁＝I_H–I_V

S₂＝I₊₄₅–I_-45

S₃＝I_R–I_L

其中，S₀表示总光强斯托克斯参数，S₁表示水平方向光强斯托克斯参数，S₂表示对角方向斯托克斯参数，S₃表示竖直方向斯托克斯参数，I₀表示总光强，I_H表示水平方向光强，I_V表示竖直方向光强，I₊₄₅表示+45°方向光强(对角方向)，I_-45表示-45°方向光强(反对角方向)，I_R表示右旋圆偏光光强，I_L表示左旋圆偏光光强。

由于I_H+I_V＝I_-45+I₊₄₅＝I_R+I_L＝I₀，因此Stokes参量可表示为：

S₀＝I₀，S₁＝2I_H-S₀，S₂＝2I_D–S₀，以及S₃＝2I_R–S₀。

现有技术中，测试Stokes参量通常的方法是在三组正交无偏基矢中投影，测量H(水平)、V(垂直)、D(对角)、A(反对角)、R(右旋)以及L(左旋)六个方向的强度然后计算得到。在测试的过程中分别用不同的偏振片投影，总共需要6次独立测试，在测试的过程中要求SOP是静态的，不能改变。图1示出了传统测量方法的原理示意图，其中，t1、t2、t3和t4表示四个不同时刻，也就是说，利用传统测量方法需要多次不同时刻的测量，然而这显然不适用于动态SOP的测量。

本发明人发现，与偏振无关的DMD可以具有非常快的刷新速率(如20kHZ)，因此可以实时追踪输入光束SOP的改变，在本发明的实施例中，通过加载在DMD上的数字光栅，将输入光束分成4束光，分别在每一路上插上对应的滤波片(下文将要结合图3描述)来获得H、D、R方向光强以及总的光强。图2示出了本发明的实施例所采用的方法的原理示意图，其中，图2中的t1可以理解为某一个时刻(不必与图1中的t1相同)，也就是说，利用本发明的实施例所采用的方法不需要多次不同时刻的测量，而是可以在同一时刻实现同时测量，因而能够用于动态SOP的测量。

下面，分别描述本发明的一些实施例。

示例性方法

下面参考图3来描述根据本发明示例性实施方式的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法。

图3示意性地示出了根据本公开实施例的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法所采用的装置的结构示意图。

如图3所示，该装置包括二分之一波片(HWP)1、q板(q-plate)2、加载有数字光栅(光栅参数例如为x＝100，y＝100)的DMD 4、第一透镜(L1)5、滤波器6、第二透镜(L2)7、第一线性偏振片(0⁰)9、第二线性偏振片(45⁰)8、第二四分之一波片(45⁰)(QWP2)10、第三线性偏振片(90⁰)11、第三透镜(L3)12以及CCD 13。

其中，第一线性偏振片P1的θ＝0°，第二线性偏振片P2的θ＝45°，第二四分之一波片QWP2的β＝45°，第三线性偏振片P3的θ＝90°。

其中，θ为偏振片光轴与水平方向的夹角，β为波片光轴与水平方向的夹角。

在该方法中，一束线偏振高斯光通过二分之一波片HWP1和q板转化为一束柱状矢量(CV,Cylindrical Vector)光，为了重建其偏振态，令该束柱状矢量光首先通过上述加载有数字光栅的DMD以将上述CV光分成四个相同的部分，也即，分为相同的四个光束，生成的四束光依次经过第一透镜L1、滤波器和第二透镜L2以去除更高的衍射阶，其中，上述第一透镜L1和第二透镜L2用于对上述四束光进行准直，而滤波器A用于对上述四束光进行空间滤波。这样，上述四束光经第一透镜L1、滤波器A和第二透镜L2后沿平行路径传播，该四束光分别用于测量所需的强度I₀(即总光强)、I_H(即H方向光强)、I_D(即D方向光强)和I_R(即R方向光强)。

其中，上述更高的衍射阶是指第一级以上(不包括第一级)的衍射阶。

例如，可以通过MATLAB程序产生一组图像，得到数字全息图，通过该数字全息图来产生上述数字光栅。也就是说，数字全息图包括四个具有独特空间频率(如分别为-180、-90、90和180)的光栅，这四个光栅构成一个多路衍射光栅(四路衍射光栅)组成，当输入CV光入射到DMD上，被分成四束跟输入光SOP完全相同的光束。

作为示例，第一透镜L1的焦距f1与第二透镜L2的焦距f2例如均为200mm。

如图3所示，在上述沿平行路径传播的四束光中，第一路(即图中的①)通过θ＝0°的第一线性偏振片P1获得I_H，第三路(即图中的③)通过θ＝45°的第二线性偏振片P2获得I_D，第二路(即图中的②)通过角度β＝45°的第二四分之一波片QWP2和θ＝90°的第三线性偏振片P3获得I_R，而第四路(即图中的④)则用来获得I₀。这样，上述四束光通过第三透镜L3会聚到CCD上进行同时测量。

在该实施例中，DMD能够快速调整每个光束的位置和强度(可以通过加载在DMD上面的全息图信息来调整，DMD刷新速率可以很快，如20KHZ)，这一特性使得本发明实施例的上述利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置与其他系统相比非常稳健。

作为示例，可以在q板与DMD之间***设置一个调节单元3。其中，调节单元3例如可以是第一调节单元E1或第二调节单元E2。

第一调节单元E1例如可以包括旋转半波片，这样使得从q板出射的柱状矢量光束经由旋转半波片改变其SOP。

第二调节单元E2例如可以包括第一四分之一波片QWP1与非线性晶体NLC，这样使得从q板出射的柱状矢量光束依次经过第一四分之一波片QWP1与非线性晶体NLC后改变其SOP。

这样，在该示例中，将第一调节单元E1或第二调节单元E2***到光束路径中，改变光束的SOP，同时对其进行重构。为了利用上述装置准确重建矢量光束的偏振，可以首先记录一个标定图像，可以找到①、②、③和④这四束光的中心(如图4的(a)所示)和包围区域(如图4的(b)所示)。然后，用这四束光计算Stokes参数(如图4的(c)所示)，此外，由图4的(d)可以准确地重构SOP。如图4的(d)所示，SOP与强度分布重叠。

作为示例，第三线性偏振片P3的焦距f3例如为200mm。

本发明人发现，由于DMD的偏振无关特性，在DMD上加载数字全息图，全息图由四个具有独特空间频率的多路衍射光栅组成，当输入光使入射到DMD上，被分成四束跟输入光SOP完全相同的光束。然后让每一束光通过对应的滤光片(如上文所述)来测量所需的强度。这样，所有的强度都可以记录在一张图像中，使得SOP的重建可以在一张图像(现有技术是要通过采集四个图像计算)中完成，这样就可以在只有CCD相机限制的速度下实时跟踪SOP，从而实现实时斯托克斯偏振测量技术。

示例性装置

在介绍了本发明示例性实施方式的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法之后，接下来，参考图3对本发明示例性实施方式的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置进行说明。

参见图3，示意性地示出了根据本发明一实施例的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置的结构示意图。如图3所示，利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置包括二分之一波片(HWP)1、q板(q-plate)2、加载有数字光栅的DMD 4、第一透镜(L1)5、滤波器6、第二透镜(L2)7、第一线性偏振片(0⁰)9、第二线性偏振片(45⁰)8、第二四分之一波片(45⁰)(QWP2)10、第三线性偏振片(90⁰)11、第三透镜(L3)12以及CCD 13。

其中，第一线性偏振片P1的θ＝0°，第二线性偏振片P2的θ＝45°，第二四分之一波片QWP2的β＝45°，第三线性偏振片P3的θ＝90°。

如图3所示，一束线偏振高斯光通过二分之一波片HWP1和q板转化为一束柱状矢量(CV,Cylindrical Vector)光，为了重建其偏振态，令该束柱状矢量光首先通过上述加载有数字光栅的DMD以利用数字全息图将上述CV光分成四个相同的部分，也即，分为相同的四个光束，生成的四束光依次经过第一透镜L1、滤波器A和第二透镜L2以去除更高的衍射阶，其中，上述第一透镜L1和第二透镜L2用于对上述四束光进行准直，而滤波器A用于对上述四束光进行空间滤波。这样，上述四束光经第一透镜L1、滤波器A和第二透镜L2后沿平行路径传播，该四束光分别用于测量所需的强度I₀(即总光强)、I_H(即H方向光强)、I_D(即D方向光强)和I_R(即R方向光强)。

其中，上述数字全息图由四个具有独特空间频率的多路衍射光栅组成，当输入CV光入射到DMD上，被分成四束跟输入光SOP完全相同的光束。

作为示例，第一透镜L1的焦距f1与第二透镜L2的焦距f2例如均为200mm。

如图3所示，在上述沿平行路径传播的四束光中，第一路(即图中的①)通过θ＝0°的第一线性偏振片P1获得I_H，第三路(即图中的③)通过θ＝45°的第二线性偏振片P2获得I_D，第二路(即图中的②)通过角度β＝45°的第二四分之一波片QWP2和θ＝90°的第三线性偏振片P3获得I_R，而第四路(即图中的④)则用来获得I₀。这样，上述四束光通过第三透镜L3会聚到CCD上进行同时测量。

在该实施例中，DMD能够快速调整每个光束的位置和强度，这一特性使得本发明实施例的上述利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的装置与其他系统相比非常稳健。

作为示例，可以在q板与DMD之间***设置一个调节单元3。其中，调节单元3例如可以是第一调节单元E1或第二调节单元E2。

第一调节单元E1例如可以包括旋转半波片，这样使得从q板出射的柱状矢量光束经由旋转半波片改变其SOP。

第二调节单元E2例如可以包括第一四分之一波片QWP1与非线性晶体NLC，这样使得从q板出射的柱状矢量光束依次经过第一四分之一波片QWP1与非线性晶体NLC后改变其SOP。

这样，在该示例中，将第一调节单元E1或第二调节单元E2***到光束路径中，改变光束的SOP，同时对其进行重构。为了利用上述装置准确重建矢量光束的偏振，可以首先记录一个标定图像，可以找到①、②、③和④这四束光的中心(如图4的(a)所示)和包围区域(如图4的(b)所示)。然后，用这四束光计算Stokes参数(如图4的(c)所示)，此外，由图4的(d)可以准确地重构SOP。如图4的(d)所示，SOP与强度分布重叠。

作为示例，第三线性偏振片P3的焦距f3例如为200mm。

本发明人发现，由于DMD的偏振无关特性，在DMD上加载数字全息图，全息图由四个具有独特空间频率的多路衍射光栅组成，当输入光使入射到DMD上，被分成四束跟输入光SOP完全相同的光束。然后让每一束光通过对应的滤波片(如上文所述)来测量所需的强度。这样，所有的强度都可以记录在一张图像中，使得SOP的重建可以在一张图像中完成，这样就可以在只有CCD相机限制的速度下实时跟踪SOP，从而实现实时斯托克斯偏振测量技术。

优选实施例

下面，结合图5-6来描述本发明的利用DMD进行实时斯托克斯偏振测量的方法的优选实施例。

在根据该优选实施例的第一个示例中，将第一调节单元E1作为调节单元3(如图3中的虚线框位置)***到径向偏振矢量光束的路径中进行实验，动态改变矢量光束的SOP，同时实时重建出射光束的SOP。

这样，通过将第一调节单元E1***到径向偏振矢量光束的路径中，在两个正交偏振(H和V)之间引入了依赖角度的相位延迟结构(相当于在H和V上投影的比例发生改变)。当以恒定的速率沿着一个方向旋转HWP时，矢量光的SOP就会进化从径向(0⁰)到方位角(45⁰)，再回到径向(90⁰)，图5的(a)显示了实时测量的视频的四帧计算斯托克斯参数所需的记录强度，并且仿真了这个过程的偏振，如图5的(b)，可以看出二者吻合得很好。

此外，为展示该技术在光学计量领域的潜在应用，在根据该优选实施例的第二个示例中，使用了温度控制的双折射非线性晶体(NLC)，磷酸钛酸钾(KTP)。KTP产生一个依赖温度的相位延迟之间的水平(H)和垂直(V)极化组合。因此，在矢量光通过KTP晶体之前，首先通过四分之一波片(QWP 1)将矢量光从圆偏基底转换到线偏基底。因此，随着晶体温度的增加将导致偏振分布的旋转，在该示例中，把温度从22°升到36°，每升温2°重建输出偏振态。图6的上排图显示了重构的SOP序列，其中，H和V极化分别由颜色较深的椭圆以及颜色较浅的椭圆表示。为了清晰起见，用一个长箭头来表示H和V的旋转方向，可以看到，随着温度的增加，偏振分布以逆时针的方向旋转。因此，通过测量输出极化旋转的角度，可以用来测量晶体的温度，图6的下排图是晶体温度改变时偏振改变的理论仿真值。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了上述系统的若干单元、模块或子模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。