高性能像素偏振相机的研制与相关应用研究

发布时间：2020-06-14 04:51

【摘要】：光偏振信息的实时捕获能丰富信息获取的途径,在监控、遥感、化学研究、制糖制药等领域有广阔的应用前景。像素偏振相机作为一种能够实时捕获光的振幅与偏振信息的设备,是近年来国际研究热点。课题组在国内率先进行了基于金属纳米光栅的像素偏振相机研制工作,并已制备了阵列大小640×480、消光比8左右的像素偏振相机。在此基础上,为进一步提高像素偏振相机的性能并拓展其应用范围,作者紧接着开展了微偏振片阵列性能的优化、像素偏振相机集成工艺的优化、像素偏振相机的相关应用研究等工作,主要包括以下几个方面:一、为优化纳米光栅的参数以制备更高性能的微偏振片阵列,作者在国家纳米科学中心董凤良研究员的协助下制成了不同周期(1OOnm,120nm,140nm)与厚度(1OOnm,120nm,140nm,160nm)的金属纳米光栅阵列样片。同时考察不同的栅线倾角及电子束剂量对金属纳米光栅性能的影响。随后在搭建的显微平台上测量不同刻蚀参数的金属纳米光栅的消光比数值,统计其均值。通过分析消光比均值变化的规律发现:金属纳米光栅的周期越小、厚度越大,其消光比越高。而当电子束刻蚀的纳米栅线的倾斜角度变大时,消光比显著增加;但电子束剂量在260μc/cm2～290μc/cm2的范围内变化时,其改变对刻蚀的金属纳米光栅性能无明显影响。像素偏振相机是将金属纳米光栅的透偏振单元一一准确对准、贴合到相机像素单元上制成,因此像素偏振相机最终性能不仅取决于金属纳米光栅的刻蚀参数,也受像素偏振相机的集成工艺的影响。课题组已开发的集成工艺流程——拆封、点胶、手工对准、固化封装,其过程耗时、成功率低且封装的像素偏振相机性能较低。为制成更高性能的像素偏振相机,作者开发了基于六轴微米位移平台的像素偏振相机实时对准封装系统,并在多次封装过程中逐步摸索出了一套完整、高效的实时对准、封装的工艺流程。优化后的封装工艺及系统极大的提高了相机的封装成功率与性能,同时降低了封装的难度和耗时。同时,集成像素偏振相机的性能达到消光比均值66、像素阵列1K×1K。二、为验证像素偏振相机的实用性,作者基于集成的高性能像素偏振相机进行图像增强与图像去雾实验。采集了夜间——微光环境下室外车辆与建筑物图像,通过偏振信息提取得到的线偏振角与线偏振度分布图能够显示夜间环境中强度图像不能得到的细节信息。在雾霾天气下基于像素偏振相机拍摄了城市景象,并基于大气散射物理模型和大气光偏振特征进行图像去雾。实验证实,去雾后的图像能够将景物细节从雾霾掩盖中揭示出来。三、线偏振光穿过手性分子时,线偏振光的偏振方向将发生旋转。旋转角度的大小与方向称为旋光度,它反映了溶液中手性分子的浓度、纯度等有价值的信息。为克服传统旋光度测量方法中存在的一些问题,作者率先将像素偏振相机应用于旋光度测量领域,并搭建了基于像素偏振相机的旋光度实时测量系统。该测量系统在具有宽范围、实时性的同时,也具有高精度(1×104°)和高分辨率(±6×10-6°)。此测量系统和方法将在医院临床诊断、化学研究与制糖制药工业等领域展现巨大的应用前景。基于旋光度测量的成功经验,作者进一步探索了基于像素偏振相机的旋光色散测量。旋光色散不仅传递了旋光度所包含的固有信息,也携带了手性分子空间结构的信息。为消除传统旋光色散测量方法存在的不能实时、波谱离散、过程繁琐等问题,搭建了基于像素偏振相机的实时旋光色散光谱测量系统。经过手性分子的白色线偏振光在通过透射型衍射光栅和透镜后分别被色散并聚焦至CCD/CMOS的不同像素位置,此时像素偏振相机的超像素单元实时地捕获并记录了手性分子的偏振信息。由此,实时实现了连续、宽光谱(416nm～843nm)旋光色散的实时测量。实验证实,在测量旋光标准石英管时,测量系统的准确度为:在416nm～460nm 范围内是2.6×10-2°～3.2×10-3°,在460nm～843nm范围内是3.2×10-3°～4.1×10-2°,测量系统分辨率为:在波段416nm～560nm是1.9×10-2°～4.2×10-3°,在波段560nm～843nm是4.2×10-3°。同时,基于该系统测量了葡萄糖和维生素C单质溶液及这二者混合溶液的三个旋光色散,使用测量得到的两种单质的比旋光色散光谱和溶液浓度的组合方程对混合溶液的旋光色散光谱进行拟合,方便快捷地实现了混合溶液中葡萄糖浓度与维生素C浓度的同时获取。此外,结合手性分子的旋光色散理论,该测量系统可通过测量手性分子的实际旋光色散获取它的空间结构。此测量系统与方法将在药物检测、化学研究等领域具有重要的实用价值。 【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.3;TP391.41

【图文】：

示意图,示意图,分光,相机

要获取偏振图像，一种常用的方法是旋转放置在相机前的偏振片。这种逡逑方法很有吸引力，因为它在系统设计和数据简化方面都相对简单。此时，实现自逡逑动偏振视觉需要在ＣＣＤ前自动旋转线偏振片来获得不同偏振态的图像，如图１．３逡逑所示。这种方法称为时间分光型偏振成像［＠。然而为了测量物体的偏振态，时间逡逑分光型偏振成像系统拍摄同一个场景时需要旋转偏振片。这个过程不仅耗费较长逡逑的时间使得系统不能测量动态物体，而且在偏振片机械旋转的过程中偏振片的位逡逑置偏移也会使景物在相机上产生投影误差。这最终会在计算景物的偏振信息时导逡逑致严重的误差，特别在场景的强度不连续时，这种系统的局限性更为明显。逡逑逦逦逡逑图１．３邋（Ｍｌ邋２０１５）分时型偏振传感示意图。逡逑为解决时间分光型偏振成像测量系统不能测量动态目标的问题，科学家们研逡逑制了实时偏振成像系统，按照光路类型可将它们分为三类：１．振幅分光型［＾，逡逑２．孔径分光型＆⑶，３．焦平面分光型［＿，如图１．４所示。第一类振幅分光型偏逡逑振成像系统是使用棱镜等振幅分光元件，将入射光分束、聚焦至若干个相机。并逡逑在不同的相机前放置不同偏振方向的线偏振片

成像,孔径,误差,视场角

逦第１章逦逡逑有偏差，导致获取的偏振信息往往有较大的误差。第二类孔径分光型偏振成像系逡逑统是将入射光的孔径分成若干空间，分别使用线偏振片过滤入射光成像。该系统逡逑假设在孔径不同空间位置的成像是完全相同的，即它们之间没有视场角的差别，，逡逑这在实际应用中也会使偏振信息的计算产生较大的误差，并且误差随场景的不同逡逑而变化。随着微纳加工技术的进步，第三种焦平面型分光型偏振成像系统出现了。逡逑该系统在焦平面的空间位置分割出不同透偏振方向的微偏振片－像素单元来获取逡逑景物光的偏振信息。该方法在解决第一类偏振成像结构臃肿的问题同时，视场角逡逑误差非常小。逡逑

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