线偏振光成像的实现与应用

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1、线偏振光成像的实现与应用(申请清华大学理学硕士学位论文)培养单位：物理系学科：物理学研究生：韩瑞芳指导教师：马辉教授二○一七年五月ExperimentandApplicationofLinearlyPolarizedimagingThesissubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPhysicsbyHanRuifangThesisSupervis

2、or:ProfessorMaHuiMay,2017摘要摘要相比于传统光学属性（光强、频率及相位），偏振这一属性对微观结构的变化非常敏感，包含丰富的样品结构信息，偏振可以极大地扩展样品光学检测的信息维度。偏振测量具有传统光学方法非入侵、低损伤的优点，并且偏振测量系统与传统的光学测量系统具有极强的兼容性，不需要重新设计光路结构，只需要在原光学系统中加入偏振器件，就可以实现偏振测量。正是由于偏振方法的诸多突破性的优势，偏振测量在天光导航、海洋监测、目标识别及生物医学检测方面得到了越来越多的研究应用。偏

3、振测量中有全偏振的测量（如Mueller矩阵测量），或部分偏振测量（如线偏振测量），全偏振的测量与线偏振的测量相比更加复杂，需要测量更多的偏振强度分量。为了更加方便地进行生活周边事物的偏振测量，在本文中我们主要研究线偏振光成像系统的设计与应用，基于stokes向量的测量原理搭建线偏振成像装置，并进行了大量的实验测量，展示了实验装置在目标识别领域的应用潜力。本文在前人的研究基础上，基于线偏振测量的原理，在民用彩色相机前面加线偏振探测器件，分别利用旋转偏振片调制技术和推拉式线偏振调制技术，搭建了两种

4、不同的线偏振测量装置，实现R、G、B三个基色通道的线偏振测量。进而，利用该装置开展了一系列线偏振成像应用尝试。包括：将旋转式线偏振成像装置结合掠入射配光方式应用在足迹成像检测中，进行了多组不同实验条件下的足迹成像实验，实验结果表明偏振掠入射照明和偏振成像可以有效抑制了背景反射光的干扰，提高足迹的成像质量，并利用蒙特卡洛模拟，进一步验证了该方法的可行性，提出在圆偏振测量中的潜力应用。利用Polarcam偏振相机进行了诸多动态对象的检测，发现了很多有趣的偏振现象。将Polarcam偏振相机应用于显微

5、镜成像系统中，实现了微生物的动态偏振检测。针对线偏振光成像系统的设计和应用对于后续偏振探测的应用具有重要的意义，详细讨论分析了先计算光强平均再计算偏振度和先计算偏振度再计算平均这两种平均方法之间的差别，发现两种平均方法之间偏振度的差值与偏振角的方差成正比关系。关键词：线偏振测量；足迹检测；Polarcam偏振相机；目标识别IAbstractAbstractComparedwiththetraditionalopticalpropertiesoflight:intensity,frequencya

6、ndphase,thepolarizationoflightisverysensitivetothechangesinmicrostructure,includingplentyofstructuralinformationofthesample,hencethepolarizationgreatlyexpandsthesampleinformationdimension.Polarizationmeasurementhasadvantagesnon-invasive,lowdamageasth

7、etraditionalopticalmethod.Thepolarizationmeasurementsystemsandthetraditionalopticalsystemshaveverystrongcompatibility.Oneneedsonlyaddingpolarizingdeviceintheoriginalopticalsystemtoachievepolarizationmeasurement.Polarizationmeasurementshavemoreandmore

8、applicationsinthefieldofnavigation,oceanmonitoring,targetrecognitionandbiomedicaldetection.Polarizationmeasurementsincludefullpolarization,suchasMuellermatrix,andpartialpolarization,suchaslinearpolarizationfullpolarizationmeasurementsaremorecomplexan