[发明专利]一种微偏振阵列及其排布模式获取方法

说明书

本发明公开了一种微偏振阵列设计模型及基于该模型的阵列排布模式获取方法，属于偏振光学器件领域，主要涉及偏振光学技术、分焦平面型偏振成像探测技术、傅里叶频域光学分析技术等。该模型，可针对2×N系列和N×N系列的微偏振阵列进行结构设计，通过改变设计模型的参数a，b，c，优化二维频域中各个组成成分之间的距离和位置，增加组成成分间的不受串扰影响的带宽范围，以此来提升斯托克斯参数图像及DoLP图像的重构质量。该设计模型从二维频率域分析的角度出发，简化了微偏振阵列排布模式的设计及获取步骤，拓展了阵列排布模式设计范围，为高性能的微偏振阵列的研制提供了理论依据，实现了高质量斯托克斯参数图像重构，促进了分焦平面型偏振成像系统的实际应用。

所属技术领域

本发明属于偏振光学器件领域，主要涉及偏振光学技术、分焦平面型偏振成像探测技术、傅里叶频域光学分析技术等。

背景技术

偏振成像技术与强度成像、光谱成像等技术相比，具有独特的目标识别优势：除了获取传统目标成像信息外，还能够额外获取目标及背景的偏振度(DoLP)、偏振角(AoP)等有效信息，可以凸显目标物体的轮廓边缘与细节信息，提高目标识别精度与概率，相对于其它探测手段在目标探测识别方面具有无法替代的优越性。现有的各类偏振成像设备中，分焦平面型偏振成像系统实现了微偏振阵列芯片与探测器的像素级集成，可以对不同偏振状态的入射光进行采集，具有结构紧凑、集成度高等优点，适用于静态和动态场景目标探测成像应用。该成像系统的组成参阅图1，主要包括目标1、前置透镜组2、微偏振阵列结构3和探测器阵列4。作为分焦平面型偏振成像系统的核心光学元件，微偏振阵列的排布模式对偏振成像性能的影响成为当前研究的热点之一。

1994年C.S.LChun等人(Proc.SPIE,1994,2234:275.)研制了第一个基于金属微纳米光栅的2×2排布模式的微偏振阵列，实现了场景目标的线性偏振度测量，自此分焦平面型偏振成像系统均采用这种典型的2×2阵列排布模式。然而，这种典型的阵列结构存在三个不足：第一个参阅图2所示，通过2×2阵列得到的图像在频域5内有三个频率分量6，在一个周期的频域内各频率分量会与中心位置的频率分量产生严重的混叠，混叠区域为7，进而影响斯托克斯参数图像(s₀、s₁、s₂)、及DoLP图像的重构质量；第二个是不同方向角度的微偏振片会“遮蔽”大部分的入射光，存在空间分辨率损失的问题，限制了其在高分辨成像和低光照成像中的应用；第三是基于2×2排布模式的微偏振阵列在重构全分辨率斯托克斯参数图像时存在瞬时视场(IFOV)误差，而去除瞬时视场误差不仅与重构算法有关还与微偏振阵列的排布模式有关。为了提升分焦平面型偏振成像系统中斯托克斯参数图像的重构质量，Le Master等人(Opt.Lett.,2014,39(7):1811.)设计出了2×4排布模式的新型微偏振阵列，对应的频谱图参阅图3所示，通过优化频域内各个频率成分之间的距离来增加斯托克斯参数图像不受串扰影响的带宽范围，实验结果表明：利用2×4阵列重构的斯托克斯参数图像质量有了较大提升。2015年赵永强等人(Chin.Control Conf.IEEE,2015,pp.4574.)在频域内设计彩色滤波阵列方法的启发下，提出了频域内微偏振阵列结构的设计方法，并设计了5×5排布模式的微偏振阵列，通过仿真实验研究分析不同的排布模式对偏振信息获取性能的影响。2017年Alenin等人(Opt.Lett.,2017,42(3):458.)在传统2×2和2×4排布模式的基础上建立了2×N排布系列的微偏振阵列设计模型，通过傅里叶频域分析扩大频域内的带宽范围来优化设计了能产生最佳带宽的新型2×N微偏振阵列结构，实验结果表明：设计的新型2×N阵列能减少不同频率成分间的混叠，其重构的斯托克斯参数图像质量较传统的2×2微偏振阵列和2×4微偏振阵列有了进一步提升。

上述的科研人员都指出了传统的2×2微偏振阵列排布模式存在的局限性，并且都基于傅里叶频域设计了新型的阵列结构，但尚未对更丰富的微偏振阵列排布模式进行优化设计和性能比较。作为分焦平面型偏振成像系统的核心光学器件，新型微偏振阵列结构的探索和研究是十分必要的。

发明内容

发明目的