针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)和液晶可变延迟器(Liquid crystal variable retarder, LCVR)的光谱偏振成像测量精度影响大, 且整个系统实现复杂等缺点; 考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小, 结合AOTF高光谱成像的优点, 提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理, 并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动, 进而分析了该波动对偏振测量的影响, 并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机, 对450~950 nm波段进行了偏振测量, 修正后偏振度测量误差≤1%, 对偏振方向的测量偏差≤1.8°, 以633 nm为例, 对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验, 结果表明, 该新技术原理正确, 修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。

为实现在单次成像条件下获取图像的光谱偏振信息, 提出了一种基于强度调制的编码孔径测量方法。该方法采用消色差1/ 4波片、多级相位延迟器和检偏器组成的光谱偏振强度调制模块, 将入射光的Stokes参量各元素谱调制到不同的频率上, 利用编码孔径和色散棱镜组成的光谱成像系统对该调制光谱进行压缩编码, 并通过CCD进行探测。利用TwIST算法重构出经调制的光谱信息, 对各个频谱通道进行分离重构出Stokes元素谱。以单一像素点为例, 对入射光强度调制、光谱重构及Stokes参量的解调进行了数值模拟。结果表明: 该方法可实现对稀疏图像的光谱偏振信息的获取, 该过程仅需对图像进行一次测量, 因此具备高速获取能力。

将偏振态显微成像技术应用于各向异性晶体生长的成像研究。以物体的偏振态作为物理量进行成像,将描述偏振态的3个Stokes参量转换成RGB三基色,实现用RGB的偏振色度值来表征相应的偏振态。在此基础上,利用共焦显微成像系统对物体进行逐点扫描,获得各向异性物体Stokes参量的空间分布,然后通过偏振色度值的分布来表征物体偏振态的空间分布。实验结果表明,偏振态显微成像技术能够直观地反映物体的全部偏振信息,有效地区分两种材料相同但内部结构排列不同的样品,通过观察晶体生长过程中各向异性的变化,为研究晶体的生长过程提供一种新的可视化方法。

角锥棱镜的偏振特性会产生退偏效应影响免调试固体激光器的输出质量和效率, 也可以实现相干互注入用于激光合成领域。无论是光的合成还是退偏效应的消除, 都需要有精确的偏振特性数据。利用解析几何和光线追迹法从理论上推导出角锥六种光回路的Mueller偏振变换矩阵。为了提高测量精度和稳定性, 设计了一种动态检测Stokes参量的方法, 通过实验获得角锥棱镜六种传输光路的高精度数据, 实验与理论的误差率为4.470%, 误差在合理范围内, 可以确定其偏振特性。所做研究将有助于消除角锥棱镜的退偏效应, 提高免调试固体激光器等设备的性能, 提高激光合成效率和质量。

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、 测量精度低、 系统结构复杂等特点, 提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。 从AOTF和LCVR的工作原理出发, 介绍了系统的基本探测原理; 根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法——该方法选取四个固定的LCVR控制电压, 同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制, 得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。 此外, 设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72 V连续可调方波的LCVR控制器, 并对其进行定标, 实现了不同波长下光波的精确调制。 搭建实验样机, 以偏振方向分别为0°, 90°和45°的三个偏振片P1, P2, P3作为偏振测量目标, 测得了波长为632 nm时的全Stokes参量图; 以画有夹角为30°的红色、 绿色、 蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标, 对400～750 nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5 nm)进行光谱成像, 得到了与红色、 绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。 结果表明, 该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量, 而且系统结构简单、 成像质量良好。

基于二向反射模型, 对碳纤维、渗碳膜、F46和OSR四种典型的空间目标样本的偏振光谱数据进行测量; 通过测算样本Stokes参量获取样品多角度下的线偏振度与偏振角信息, 并对其进行统计.结果表明, 样本线偏振度和线偏振角的均值、方差之间存在较大差异, 对比分析样本均值和方差之间的关系能有效提高目标的探测和识别性能, 可以解决传统光谱技术上产生的“同物异谱”和“同谱异物”问题; 所获取的偏振特性可为偏振遥感提供更多的光学信息.

用于偏振光学遥感器定标的参考光源, 其偏振态的检测精度会直接影响偏振光学遥感器的定标精度, 进而影响目标特性的反演水平。 选用870 nm波段的水平线偏振光作为被测试的定标参考光源, 通过旋转1/4波片(quarter-wave plate, QWP)对其光强进行调制。 调制光强可表达为波片快轴旋转角度的傅里叶级数, 采用傅里叶变换法反演出级数的系数, 根据该系数即可计算出被测试光源的Stokes参量。 给出10次测量各参量及偏振度的平均值、 标准偏差、 合成不确定度以及测量平均值与理论值的相对偏差。 为提高测试精度, 通过对波片快轴初始定位角度偏差Δα、 延迟量偏差Δδ与检偏器透光轴角度偏差Δβ进行分析, 提出了偏差修正模型。 该模型通过Stokes参量检测偏差随Δδ和Δβ的变化趋势及实际偏差值, 确定Δδ和Δβ的大小。 结合模拟出的波片快轴初始定位角度偏差Δα, 对实验装置加以调整, 再次对光源的偏振态进行检测。 结果表明, 基于该修正模型测得光源的各Stokes参量与理论值最大偏差从未经修正的3.77%降低至1.41%。 证实了基于本实验的原理、 装置、 测量方法及所提出的偏差修正模型可有效提高定标参考光源偏振态检测的精度。

声光可调谐滤波器（AOTF）具有体积小、 波长稳定性好、 扫描范围宽、 调制速度快等优点, 在光谱成像中被广泛应用, 但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。 为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。 该方法首先通过分束镜将入射光分成两束, 两束光分别通过两个AOTF, 而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°, 由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直, 因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°, 45°, 90°和135°的光强, 在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。 最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像, 最终得到Stokes偏振信息中S0（0°和90°光强和）、 S1（0°和90°光强差）和S2（45°和135°光强差）, 结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度（DoLP）和线偏振角（AoLP）实现成像。 再通过对AOTF的射频驱动进行扫频, 实现对被测目标不同波长偏振成像, 最终实现成像光谱偏振探测。 并通过对500, 550和600 nm偏振成像进行实验验证。 该方法具有无运动部件、 无需转动、 一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。

为了实现声光可调滤波器(AOTF)和液晶可调相位延迟器(LCVR)相结合的新型高光谱偏振成像系统全Stokes参量的快捷准确获取,提出了一种新的测量方法。该方法采用一个驱动信号源同时控制系统中两个LCVR，当LCVR在不同波长下进行相位调制时，依次取４个固定的驱动电压，求得不同波长下LCVR1和LCVR2的４组相位延迟，通过相应的数学计算即可快速精确求得目标光全部Stokes参量。波长为632 nm时，以偏振方向分别为0°、90°、45°的偏振片和1/4波片为目标物，毛玻璃为背景，通过系统成像后获取了全部Stokes参量的图像。结果表明，该测量方法不仅可以快速准确地获取目标物全部Stokes参量，而且系统成像质量良好。对532 nm波长下的真假树叶进行高光谱偏振成像，进一步验证了该测量方法的快捷准确和系统的可靠性。理论分析了影响Stokes参量测量精度的因素，为提高系统测量精度提供了理论基础。

提出将基于Stokes参量的偏振共焦显微成像技术应用于弱各向异性物质的成像研究。通过将分振幅Stokes参量测量法与共焦扫描成像技术相结合的方法,得到了基于Stokes参量测量的偏振共焦显微成像系统。利用该系统对具有弱各向异性的生物组织样品进行逐点测量,通过四个通道同时测量获得全部的Stokes参量。再以计算得到的偏振参量作为成像物理量进行图像重建,获得对应Stokes参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角的空间分布图像,从而对生物组织实现细胞水平的偏振显微成像研究。实验结果表明：基于Stokes参量的偏振共焦显微成像技术能够获得弱各向异性的生物组织样品的显微图像,并通过比较样品的Stokes参量及相关偏振参量的分布图像,提取样品全部的偏振信息,从而为生物组织的特性研究提供更丰富的信息。