Robust full Stokes imaging polarimeter with dynamic calibration

 原创作者：胡铁 纳米光子实验室 目前研究方向：介质偏振计

——||背景介绍||——

光的偏振态测量有重大应用价值，例如材料内的应力可视化以及确定物体的表面方向和形状。光的偏振态可以用斯托克斯矢量完整表述。传统的偏振态探测方法主要有3种：用旋转的波片和解偏器；用液晶延迟器或者光弹调制器；用偏振相机，然而这些方法在探测速度，准确度，适用范围有其各自的缺陷。2019年2月7号，日本宇都宫大学工学部的SHUHEI SHIBAT等人在Optics Letters发表了题为《Robust full Stokes imaging polarimeter with dynamic calibration》的文章，该方法能实现动态校准、实时探测、精准探测功能。

——||创新点||——

该论文提出了一个全斯托克斯成像偏振仪，它使用旋转延迟器和偏振摄像机 -探测器阵列，在阵列上连接了像素化偏振器阵列。就其本身而言，偏振相机无法捕捉到完整的斯托克斯参数，但是结合一个旋转延迟器后，它可以用于全斯托克斯成像。此外，该论文还证明了在进行测量时可以动态校准的优势，即使在相位延迟变化的环境中也能实现精确测量。

——||图文一览||——

图一：转式延迟器和偏振相机的光学简图。

光通过系统后的穆勒矩阵表述：

其中 是光的输入偏振态， 是通过偏振元件后入射到CCD传感器上的偏振态，R和A是旋转延迟器和解偏器的穆勒矩阵。

CCD探测到的光强表达式：

等式中的 ，δ和 是旋转延迟器的输入偏振态，延迟器的相位延迟和方位角。

还原方法一：

延迟器校准公式：

还原方法二：

延迟器校准公式：

图二：成像全斯托克斯矢量相机实验装置图

图中显示了偏振态发生器在透射模式下照射样品，产生的不同偏振光入射到光子晶体微偏振器的偏振照相机。微偏振器的消光比约为10，光谱范围为510~550 nm，像素尺寸为4.65×4.65μm，相机分辨率为：1120×868。

在实验前用以上两种方法对延迟器校准，结果如下：

图三：旋转延迟器和偏振相机测量斯托克斯参数的准确度验证

小结：实验结果表示0.01的绝对精度和0.008的相对精度，该结果与传统的非成像（单点）斯托克斯偏振计测量相当。

图四：动态校准优势证明

上图显示了延迟器的相位延迟随光源波长的变化关系图。光子晶体偏振相机只允许这种波长范围。实验中，入射偏振为22.5°线偏振。正如预期的那样，延迟

随波长呈线性下降。

上图显示延迟器的相位延迟随温度的变化关系图。通过动态校准，校准的延迟在温度范围内显示出线性变化。

图五：受应力U形PET塑料薄膜的动态Stokes参数图像 、

小结：偏振相机的优势在于它能够对偏振的动态变化进行成像，而该论文提出的校准方法可以完美发挥这种可以测量圆偏振而不仅仅是线性极化的仪器的功能。

——||结论||——

该论文展示了两种使用旋转延迟器和偏振相机的全斯托克斯矢量测量的方法。虽然两种方法都允许动态捕获完整的斯托克斯参数图像，但是一种方法需要提前校准，而另一种方法允许在测量期间进行动态重新校准。动态重新校准方法可用于户外长时间测量场合，该特点对于诸如微测辐射热计红外热像仪之类的成像器件尤其有利。

文献链接：Berger T E, Lites B W. Weak-Field Magnetogram Calibration using Advanced Stokes Polarimeter Flux Density Maps – II. SOHO/MDI Full-Disk Mode Calibration[J]. Solar Physics, 2003, 213(2):213-229.

DOI：https://doi.org/10.1364/OL.44.000891