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基于微偏振片阵列的实时偏振和相位信息测量技术

张志刚  
【摘要】:微偏振片阵列是近年来国际研究热点,其每相邻2×2单元透偏振方向分别为0°,45°,90°和135°,单元尺寸与所要搭配使用的感光芯片像素单元尺寸一致。微偏振片阵列可以应用于实时偏振测量和实时相移测量,在国防、安保、干涉计量以及三维成像等方面具有显著的应用前景。目前相关产品主要由美国和日本制造,处于垄断地位,售价较高,而国内没有相应产品与之抗衡。课题组在国内率先开展了基于金属纳米光栅的微偏振片阵列的制备与应用研究,主要包含以下几个方面: 一.综合分析了目前国际上已有的几种微偏振片阵列(基于含碘化物薄膜、基于液晶材料和基于金属纳米光栅)的优缺点,选择稳定性更好、偏振性能更优、厚度更薄、应用范围更广的基于金属纳米光栅的微偏振片阵列作为制备与研究方向,同时首次采用工艺更为简单的电子束曝光技术代替传统的干涉曝光技术制备了大阵列的320×240的微偏振片阵列。阵列单元尺寸为7.4μm,微偏振片阵列整体无污染,单元无坏损,各个单元均满足标准方形结构。光栅周期140nm,占空比0.5,厚度70nm,栅线结构平直,厚度均匀,满足理想的矩形面型。 为了评估微偏振片阵列的性能,测量了微偏振片阵列对红光、绿光、兰青三个波段光的最大偏振透射率分别为75.74%,78.84%和78.01%,最大消光比分别为75.0,51.8和30.2,具有优良的最大偏振透射率和消光比。 二.开展了微偏振片阵列应用于实时偏振测量的研究工作。传统的偏振测量技术需要采集四幅不同方向检偏后的图像,并对图像进行处理,因此难以实现实时测量。微偏振片阵列每相邻2×2单元透偏振方向分别为0°,45°,90°和135°,采集单帧图像即可通过插值平均的方法获得四幅不同方向检偏的图像,因此能够实现实时偏振测量。文中采用集成了微偏振片阵列的相机对偏振片盘和室外物体进行测量,不仅能够获得普通相机的图像,而且可以实时获得偏振度图像和偏振角图像,将偏振度高的物体从偏振度低的物体中突显出来,同时能够实时反映出光滑物体表面的轮廓信息。 三.开展了微偏振片阵列应用于实时相位测量的研究工作。将集成了微偏振片阵列的相机应用于传统的偏振相移法中,实现了实时相位测量,测得了动态平面波、球面波以及一种特殊的涡旋光束的相位分布,对于推动相移干涉计量以及涡旋光束的研究具有重要意义。另外,作者在对微偏振片阵列与相移技术研究基础上,提出了波片相移法和波片阵列结构,并给出了波片阵列的可行性制备方法,从理论上证实了该方法能够实时测量物光波相位,可代替微偏振片阵列,使得成本大大降低。 另外,作者在研究生期间还从事了其他方面的研究,包含如下: 一.颊窝蛇红外成像仿生研究。通过对蛇的颊窝进行解剖,观测到颊窝膜与生物组织由内腔空气相隔,是一种无基底结构。采用有限元分析模拟显示,颊窝膜的这种无基底结构在温升上可达到有基底结构的几十倍,但同时牺牲了反差再现能力。受到颊窝无基底结构的启示,课题组将这种独特的无基底结构引入到红外探测焦平面阵列(FPA)设计上,代替传统的有基底结构FPA。采用微加工工艺制备了无基底FPA,并搭建了基于刀口滤波的光学读出红外成像平台,分别获得了无基底FPA置于空气和真空环境下人体红外像,实现了基于颊窝的无基底结构红外仿生成像。 针对光学读出非制冷红外成像技术,本文提出基于刀口滤波的偏振光学读出系统,消除了CCD接收到的经光学元件表面反射形成的杂散光。理论分析表明,利用偏振光原理,杂散光不能到达CCD靶面,FPA像的平均灰度提高了50%,NETD值降低到原来的67%。实验结果表明NETD值降低到65%,与理论分析值一致,红外成像性能明显优化。 二.开展了气溶胶颗粒光俘获的研究,分别采用球差透镜和毛玻璃形成用以束缚吸光性颗粒的光陷阱,实现了对大量吸光性颗粒的捕获。另外,采用红外显微镜观察被捕获颗粒的红外图像,证实了被捕获颗粒的温升现象,为光泳力理论提供了实验依据。


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