Full-Stokes imaging polarimeter using an array of elliptical polarizer
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||——
2014年1月10号，亚利桑那大学的Wei Liang Hsu等人在OE上发表了题为《Full-Stokes imaging polarimeter using an array of elliptical polarizer》的文章。传统的成像元件只能利用光的振幅和频率信息。偏振是光的第三属性，它可以提供大量重要信息。成像偏振计可用于在整个场景中采样偏振特征，并且把记录的图像量化为斯托克斯矢量S，该斯托克斯矢量S由四个元素S0，S1，S2和S3组成。通过斯托克斯矢量S可以获取偏振角（angle of linear polarization，AOP）、偏振度（degree of polarization ，DOP）、线偏振度（degree of linear polarization ，DOLP）和圆偏振度（degree of circular polarization ，DOCP）。在该论文中，首次提出了一种工作于580nm单波长的椭圆偏振器阵列的全Stokes成像偏振仪。
——||创新点||——
该论文提出工作于580nm单波长的椭圆偏振器阵列的全Stokes成像偏振仪。该分焦平面成像偏振仪（division-of-focal-plane imaging polarimeter，DOFP imaging polarimeter）利用一组四个优化的测量值来表示在庞加莱球体中的规则四面体，不仅将该成像偏振仪的SNR提高了1.5倍，还使四个斯托克斯矢量的四个分量的SNR平衡；正则四面体表示的四个测量可以通过由均匀的偏振器和像素化的微延迟层组成四个椭圆微偏振器实现，因为仅需要一个模式化的延迟层而不是两个，降低了微偏振器的缺陷密度。首次提出利用全椭圆偏振光作为基准态的成像偏振仪。经过优化的全Stokes DoFP成像偏振仪以20帧/秒的帧率提供1608×1208的分辨率。DOLP和DOCP的误差小于7％，由DOLP和DOCP的标准偏差定义的不确定度小于5％。
——||图文一览||——
图一：庞加莱球表示的两种全Stokes偏振仪
（a） 传统的全Stokes DoFP偏振仪利用三个线和一个圆偏振光作为校准态。
（b） 优化的全Stokes DoFP偏振仪利用四个全椭圆偏振态作为校准态。
传统的全Stokes DoFP偏振仪的设计如图1（a）所示。微偏振器与微延迟器的组合允许在赤道上进行三次测量，并在北极进行一次测量，从这4个校准态可以推导完整的Stokes矢量。4个校准态组成的四面体只占庞加莱上半球的1/4体积；优化的全Stokes DOFP偏振仪使用统一的垂直偏振器和微延迟器的组合。每个延迟器具有132°延迟，快轴角分别为±15.1°和±51.7°。4个椭圆偏振态组成的四面体在庞加莱上占更大的体积。
小结：通常，偏振仪的SNR与内接测量点的组成的四面体的体积成正比。传统的全Stokes DOFP偏振仪会导致还原的Stokes矢量的四个分量的SNR发生改变，而利用全椭圆偏振态的成像偏振仪的设计能使系统的SNR理论上提高1.5倍，同时还能使得Stokes矢量的四个分量平衡。
图二：优化的成像偏振仪结构示意图
（a） 基于FPA传感器的多层微椭圆偏振器的成像偏振器结构。FPA由玻璃基底层，微延迟器，隔离层和传感器顶部的均匀偏振器层组成。
（b） 超像素单元内4个椭圆偏振器快轴朝向。椭圆微偏振器A和B的DOLP为0.928，而C和D的DOLP为0.691。椭圆微偏振器A，B，C和D的线性偏振角为-64.3°，64.3°，16.5°和-16.5°；DOCP为0.383，-0.383、0.808和-0.808。工作波长为580 nm。
（c） 最终的椭圆微偏振器分别透射不同的椭圆偏振态。
图三：椭圆微偏振器的性能检验
椭圆微偏振器的偏振特性通过具有1 µm空间分辨率的经过校准的Mueller矩阵成像DoTP偏振仪来表征。水平切割线表示工作在580nm波长的线性衰减，线性衰减方向和圆衰减。红色虚线表示像素A和C的测量结果，蓝色实线表示像素B和D的测量结果。
小结：线衰减在0.25和0.75之间，而圆衰减在0.85和0.45之间。虚线截面的衰减方向在65°和-15°之间，实心截面在-65°和15°之间。
图四：优化的全Stokes成像偏振仪
（a） 椭圆微偏振仪的显微照片显示了一个超像素中的四个椭圆偏振滤镜。
（b） 无椭圆偏振器阵列的传感器。
（c） 有椭圆偏振器阵列的传感器。
（d） Imperx ICL-B1620相机、椭圆偏振器阵列和Computar C口变焦镜头组成全Stokes成像偏振仪系统。
图五：偏振校准实验装置图
在无C口变焦镜头的情况下，正入射的不同偏振光照射DoFP偏振仪所捕获的图像被用于计算校准矩阵。论文采用常规的偏振数据归约矩阵法进行校正。即：
图六：测量DOLP和DOCP随延迟器快速轴方向的函数
（a） 圆圈标记测量值，实线是理论预测。误差代表所有像素的DOCP或DOLP中的一个标准偏差。
（b） 经过优化的椭圆微偏振器具有较少的制造缺陷，与传统的全斯托克斯偏振仪相比，误差较小。
（c） 传统的全Stokes偏振仪在庞加莱测量空间中采用了不平衡设计，导致标准偏差存在较大差异。优化的全Stokes偏振仪的DOLP和DOCP的标准偏差小于0.05。
小结：优化的全斯托克斯偏振仪的DOLP和DOCP的最大误差为7％，而传统的全斯托克斯偏振仪的DOLP和DOCP的最大误差约为23％。精度的提高归因于优化的椭圆微偏振器设计和简化的制造工艺，从而降低了微偏振器的缺陷密度。
图七：甲虫和方解石的全Stokes成像
双折射方解石晶体在空间上将两个本征偏振分开，从而导致印刷字母的图像分裂。甲虫的外表面由几丁质表皮组成，具有微观的分子水平螺旋[27]。甲虫外骨骼的螺旋线导致了圆偏振特性，从S2和AOP 的曲线图中，可以观察和分析方解石晶体的两个正交本征偏振态。在S3和DOLP的图中，由于大角度菲涅耳反射的偏振敏感性，甲壳虫的DOCP高达0.8，而甲虫的侧面的DOLP高达0.4。
图八：光束斩波器的偏振成像
测试目标是带有内部和外部打开窗口的光束斩波器。径向的线偏振片安装在外窗中，而左右圆偏振片安装在内窗中。偏振仪成功地测量了移动目标的完整全Stokes偏振成像。
——||结论||——
该论文提出了一种使用优化的椭圆微偏振器设计的可见光全Stokes DoFP成像偏振仪。这种优化的设计使系统的SNR理论上提高了1.5倍，经过优化的全Stokes DoFP偏振仪以20帧/秒的速度提供1608×1208像素的分辨率。DOLP和DOCP的误差小于7％，由DOLP和DOCP的标准偏差定义的不确定度小于5％。
文献链接：Hsu, Wei-Liang, et al. "Full-Stokes imaging polarimeter using an array of elliptical polarizer." Optics express 22.3 (2014): 3063-3074..
DOI：10.1364/OE.22.003063
