【摘要】：光偏振信息的實(shí)時(shí)捕獲能豐富信息獲取的途徑,在監(jiān)控、遙感、化學(xué)研究、制糖制藥等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。像素偏振相機(jī)作為一種能夠?qū)崟r(shí)捕獲光的振幅與偏振信息的設(shè)備,是近年來國際研究熱點(diǎn)。課題組在國內(nèi)率先進(jìn)行了基于金屬納米光柵的像素偏振相機(jī)研制工作,并已制備了陣列大小640×480、消光比8左右的像素偏振相機(jī)。在此基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高像素偏振相機(jī)的性能并拓展其應(yīng)用范圍,作者緊接著開展了微偏振片陣列性能的優(yōu)化、像素偏振相機(jī)集成工藝的優(yōu)化、像素偏振相機(jī)的相關(guān)應(yīng)用研究等工作,主要包括以下幾個方面:一、為優(yōu)化納米光柵的參數(shù)以制備更高性能的微偏振片陣列,作者在國家納米科學(xué)中心董鳳良研究員的協(xié)助下制成了不同周期(1OOnm,120nm,140nm)與厚度(1OOnm,120nm,140nm,160nm)的金屬納米光柵陣列樣片。同時(shí)考察不同的柵線傾角及電子束劑量對金屬納米光柵性能的影響。隨后在搭建的顯微平臺上測量不同刻蝕參數(shù)的金屬納米光柵的消光比數(shù)值,統(tǒng)計(jì)其均值。通過分析消光比均值變化的規(guī)律發(fā)現(xiàn):金屬納米光柵的周期越小、厚度越大,其消光比越高。而當(dāng)電子束刻蝕的納米柵線的傾斜角度變大時(shí),消光比顯著增加;但電子束劑量在260μc/cm2～290μc/cm2的范圍內(nèi)變化時(shí),其改變對刻蝕的金屬納米光柵性能無明顯影響。像素偏振相機(jī)是將金屬納米光柵的透偏振單元一一準(zhǔn)確對準(zhǔn)、貼合到相機(jī)像素單元上制成,因此像素偏振相機(jī)最終性能不僅取決于金屬納米光柵的刻蝕參數(shù),也受像素偏振相機(jī)的集成工藝的影響。課題組已開發(fā)的集成工藝流程——拆封、點(diǎn)膠、手工對準(zhǔn)、固化封裝,其過程耗時(shí)、成功率低且封裝的像素偏振相機(jī)性能較低。為制成更高性能的像素偏振相機(jī),作者開發(fā)了基于六軸微米位移平臺的像素偏振相機(jī)實(shí)時(shí)對準(zhǔn)封裝系統(tǒng),并在多次封裝過程中逐步摸索出了一套完整、高效的實(shí)時(shí)對準(zhǔn)、封裝的工藝流程。優(yōu)化后的封裝工藝及系統(tǒng)極大的提高了相機(jī)的封裝成功率與性能,同時(shí)降低了封裝的難度和耗時(shí)。同時(shí),集成像素偏振相機(jī)的性能達(dá)到消光比均值66、像素陣列1K×1K。二、為驗(yàn)證像素偏振相機(jī)的實(shí)用性,作者基于集成的高性能像素偏振相機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)與圖像去霧實(shí)驗(yàn)。采集了夜間——微光環(huán)境下室外車輛與建筑物圖像,通過偏振信息提取得到的線偏振角與線偏振度分布圖能夠顯示夜間環(huán)境中強(qiáng)度圖像不能得到的細(xì)節(jié)信息。在霧霾天氣下基于像素偏振相機(jī)拍攝了城市景象,并基于大氣散射物理模型和大氣光偏振特征進(jìn)行圖像去霧。實(shí)驗(yàn)證實(shí),去霧后的圖像能夠?qū)⒕拔锛?xì)節(jié)從霧霾掩蓋中揭示出來。三、線偏振光穿過手性分子時(shí),線偏振光的偏振方向?qū)l(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度的大小與方向稱為旋光度,它反映了溶液中手性分子的濃度、純度等有價(jià)值的信息。為克服傳統(tǒng)旋光度測量方法中存在的一些問題,作者率先將像素偏振相機(jī)應(yīng)用于旋光度測量領(lǐng)域,并搭建了基于像素偏振相機(jī)的旋光度實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)在具有寬范圍、實(shí)時(shí)性的同時(shí),也具有高精度(1×104°)和高分辨率(±6×10-6°)。此測量系統(tǒng)和方法將在醫(yī)院臨床診斷、化學(xué)研究與制糖制藥工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用前景�；谛舛葴y量的成功經(jīng)驗(yàn),作者進(jìn)一步探索了基于像素偏振相機(jī)的旋光色散測量。旋光色散不僅傳遞了旋光度所包含的固有信息,也攜帶了手性分子空間結(jié)構(gòu)的信息。為消除傳統(tǒng)旋光色散測量方法存在的不能實(shí)時(shí)、波譜離散、過程繁瑣等問題,搭建了基于像素偏振相機(jī)的實(shí)時(shí)旋光色散光譜測量系統(tǒng)。經(jīng)過手性分子的白色線偏振光在通過透射型衍射光柵和透鏡后分別被色散并聚焦至CCD/CMOS的不同像素位置,此時(shí)像素偏振相機(jī)的超像素單元實(shí)時(shí)地捕獲并記錄了手性分子的偏振信息。由此,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、寬光譜(416nm～843nm)旋光色散的實(shí)時(shí)測量。實(shí)驗(yàn)證實(shí),在測量旋光標(biāo)準(zhǔn)石英管時(shí),測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為:在416nm～460nm 范圍內(nèi)是2.6×10-2°～3.2×10-3°,在460nm～843nm范圍內(nèi)是3.2×10-3°～4.1×10-2°,測量系統(tǒng)分辨率為:在波段416nm～560nm是1.9×10-2°～4.2×10-3°,在波段560nm～843nm是4.2×10-3°。同時(shí),基于該系統(tǒng)測量了葡萄糖和維生素C單質(zhì)溶液及這二者混合溶液的三個旋光色散,使用測量得到的兩種單質(zhì)的比旋光色散光譜和溶液濃度的組合方程對混合溶液的旋光色散光譜進(jìn)行擬合,方便快捷地實(shí)現(xiàn)了混合溶液中葡萄糖濃度與維生素C濃度的同時(shí)獲取。此外,結(jié)合手性分子的旋光色散理論,該測量系統(tǒng)可通過測量手性分子的實(shí)際旋光色散獲取它的空間結(jié)構(gòu)。此測量系統(tǒng)與方法將在藥物檢測、化學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。 【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O436.3;TP391.41

【圖文】：

要獲取偏振圖像，一種常用的方法是旋轉(zhuǎn)放置在相機(jī)前的偏振片。這種逡逑方法很有吸引力，因?yàn)樗谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)簡化方面都相對簡單。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)自逡逑動偏振視覺需要在ＣＣＤ前自動旋轉(zhuǎn)線偏振片來獲得不同偏振態(tài)的圖像，如圖１．３逡逑所示。這種方法稱為時(shí)間分光型偏振成像［＠。然而為了測量物體的偏振態(tài)，時(shí)間逡逑分光型偏振成像系統(tǒng)拍攝同一個場景時(shí)需要旋轉(zhuǎn)偏振片。這個過程不僅耗費(fèi)較長逡逑的時(shí)間使得系統(tǒng)不能測量動態(tài)物體，而且在偏振片機(jī)械旋轉(zhuǎn)的過程中偏振片的位逡逑置偏移也會使景物在相機(jī)上產(chǎn)生投影誤差。這最終會在計(jì)算景物的偏振信息時(shí)導(dǎo)逡逑致嚴(yán)重的誤差，特別在場景的強(qiáng)度不連續(xù)時(shí)，這種系統(tǒng)的局限性更為明顯。逡逑邐邐逡逑圖１．３邋（Ｍｌ邋２０１５）分時(shí)型偏振傳感示意圖。逡逑為解決時(shí)間分光型偏振成像測量系統(tǒng)不能測量動態(tài)目標(biāo)的問題，科學(xué)家們研逡逑制了實(shí)時(shí)偏振成像系統(tǒng)，按照光路類型可將它們分為三類：１．振幅分光型［＾，逡逑２．孔徑分光型＆⑶，３．焦平面分光型［＿，如圖１．４所示。第一類振幅分光型偏逡逑振成像系統(tǒng)是使用棱鏡等振幅分光元件，將入射光分束、聚焦至若干個相機(jī)。并逡逑在不同的相機(jī)前放置不同偏振方向的線偏振片

邐第１章邐逡逑有偏差，導(dǎo)致獲取的偏振信息往往有較大的誤差。第二類孔徑分光型偏振成像系逡逑統(tǒng)是將入射光的孔徑分成若干空間，分別使用線偏振片過濾入射光成像。該系統(tǒng)逡逑假設(shè)在孔徑不同空間位置的成像是完全相同的，即它們之間沒有視場角的差別，，逡逑這在實(shí)際應(yīng)用中也會使偏振信息的計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差，并且誤差隨場景的不同逡逑而變化。隨著微納加工技術(shù)的進(jìn)步，第三種焦平面型分光型偏振成像系統(tǒng)出現(xiàn)了。逡逑該系統(tǒng)在焦平面的空間位置分割出不同透偏振方向的微偏振片－像素單元來獲取逡逑景物光的偏振信息。該方法在解決第一類偏振成像結(jié)構(gòu)臃腫的問題同時(shí)，視場角逡逑誤差非常小。逡逑

【相似文獻(xiàn)】

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1 王陽;旋光色散演示實(shí)驗(yàn)[J];實(shí)驗(yàn)室研究與探索;1996年03期

2 糜z齜

本文編號：2712303