超快单像素偏振成像系统

技术领域

本发明属于偏振成像领域，具体涉及一种超快单像素偏振成像系统。

背景技术

现有的偏振成像系统通常利用的是红外偏振成像探测技术，该技术是通过获取不同偏振方向的红外强度图像，解算出待测目标偏振信息的斯托克斯矢量，进而得到偏振度或偏振角参数。但是红外偏振成像技术的响应时间只能达到ms量级，响应速度慢，无法实现偏振实时成像。

发明内容

本发明提供一种超快单像素偏振成像系统，以解决目前偏振成像系统响应速度慢，无法实现偏振实时成像的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种超快单像素偏振成像系统，包括激光器、成像装置、偏振调控模块和信息处理模块，当所述偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，所述偏振调控模块对该激光器提供的激光信号进行偏振态调节，将形成的不同偏振态的偏振光依次作为测量光信号，传输给所述成像装置；所述成像装置针对按序接收到的每类偏振光，将该类偏振光分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，从所述待测目标上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到所述信息处理模块；所述信息处理模块根据每类偏振光对应空间光信号的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像；

当所述偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，所述成像装置将该激光器提供的激光信号作为测量光信号，分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，从所述待测目标上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到所述偏振调控模块；所述偏振调控模块对所述空间光信号进行偏振态调节，形成多路具有不同偏振态的偏振光并传输给所述信息处理模块；所述信息处理模块根据每路偏振光的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。

在一种可选的实现方式中，当所述偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，所述信息处理模块包括耦合器、色散模块、光电探测器、示波器、光谱仪和处理器，针对每类偏振光，所述耦合器将该类偏振光对应空间光信号分成两路，一路传输给所述光谱仪，由所述光谱仪记录频域数据，另一路经所述色散模块时域拉伸后，传输给所述光电探测器，所述光电探测器将时域拉伸后的该另一路空间光信号转换成空间电信号，并将所述空间电信号传输给所述示波器，由所述示波器记录时域数据；针对所述偏振调控模块按序提供的每类偏振光，所述处理器根据该类偏振光的频域数据，确定从所述待测目标上各个位置处反射回或透射出的空间光信号的波长，根据该类偏振光的时域数据中空间电信号的波长大小，确定在该类偏振光作用下，所述待测目标上各个位置对应的空间光信号强度，根据所述待测目标上各个位置对应的空间光信号强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像；

当所述偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，还包括色散模块，所述色散模块对该激光器提供的激光信号进行时域拉伸后，将时域拉伸后的激光信号传输给所述成像装置；所述成像装置将时域拉伸后的激光信号分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处。

在另一种可选的实现方式中，当所述偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，所述偏振调控模块包括三个分束器、一个四分之一波片、四个起偏器和四个耦合器，所述信息处理模块包括四个光电探测器、示波器和处理器，其中第一分束器用于接收所述空间光信号，并将所述空间光信号分成两路，分别传输给第二分束器和第三分束器，所述第二分束器将器其接收到的空间光信号分成两路，一路依次通过第一起偏器、第一耦合器、第一光电探测器连接所述示波器，另一路依次通过第二起偏器、第二耦合器、第二光电探测器连接所述示波器；所述第三分束器将其接收到的空间光信号分成两路，一路依次通过第三起偏器、四分之一波片、第三耦合器和第三光电探测器连接所述示波器，另一路依次通过第四起偏器、第四耦合器和第四光电探测器连接所述示波器；

所述四个起偏器对其接收到的空间光信号进行不同的偏振态调节，形成具有不同偏振态的偏振光，四者对应的耦合器将该偏振光耦合传输给对应的光电探测器后，四个光电探测器分别将其偏振光进行光电转换，形成偏振信号；所述四分之一波片将所述第三起偏器提供的偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光；所述示波器分别记录四个光电探测器输出的线偏振信号的时域数据；所述处理器根据所述时域数据中该待测目标上每个位置对应的空间光信号强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。

在另一种可选的实现方式中，所述成像装置包括第一柱面镜、第一反射镜、第一虚拟成像相位阵列VIPA、第一透射光栅、第二透射光栅、第二VIPA、第二反射镜和第二柱面镜，所述待测目标位于所述第一透射光栅与第二透射光栅之间，所述测量光信号经所述第一柱面镜聚焦后，通过所述第一反射镜被传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；

从所述待测目标上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二透射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号通过该第二反射镜，经所述第二柱面镜分散后被传输给所述信息处理模块；

所述第一柱面镜、第一反射镜、第一VIPA、第一透射光栅相对于所述待测目标分别与所述第二柱面镜、第二反射镜、第二VIPA、第二透射光栅对称分布。

在另一种可选的实现方式中，所述成像装置包括依次相连的耦合镜、柱面镜、反射镜、VIPA和透射光栅，所述耦合镜的第一端用于接收所述测量光信号，所述测量光信号经所述柱面镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；从所述待测目标上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输回所述耦合镜，再由所述耦合镜传输给所述信息处理模块。

在另一种可选的实现方式中，所述信息处理模块在确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数之后，以所述透射光栅的色散方向为二维强度矩阵的列方向，以所述VIPA的色散方向为所述二维强度矩阵的行方向，利用所述VIPA的自由光谱范围FSR定义所述二维强度矩阵的列数，利用所述VIPA的自由角范围FAR定义所述二维强度矩阵的行数，将所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数排列在所述二维强度矩阵中，从而形成斯克托斯图像，实现斯托克斯偏振成像。

在另一种可选的实现方式中，当所述偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，所述偏振调控模块对该激光器提供的激光信号进行偏振态调节，形成水平线偏振光、垂直线偏振光、45度线偏振光、135度线偏振光、右旋圆偏振光与左旋圆偏振光，将形成的不同偏振态的偏振光依次作为测量光信号，传输给所述成像装置；

所述信息处理模块根据每类偏振光对应空间光信号的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数包括：针对所述待测目标上的每个位置，按以下公式获得该位置的四个斯托克斯参量，由所述四个斯托克斯参量来描述完全偏振光、部分偏振光和自然光：

S

S

S

S

其中，I

在另一种可选的实现方式中，当所述偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，所述信息处理模块根据每路偏振光的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数包括：针对所述待测目标上每个位置，按以下公式获得该位置的四个斯托克斯参量：

S

S

S

S

其中I

在另一种可选的实现方式中，根据所述斯托克斯偏振图像中二维强度矩阵，分析所述待测目标上各个位置处的偏振态，从而对所述待测目标上各个位置的物理属性进行分析。

在另一种可选的实现方式中，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述激光信号是脉冲重复频率大于兆赫兹的超快脉冲激光。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用待测目标的偏振敏感特性，利用成像装置将不同波长的测量光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，可以实现频域与空域的一一映射关系，利用这种映射关系，根据待测目标上各个位置反射回或透射出的空间光信号的强度，来确定对应的用于表征其偏振态的斯托克斯参数，整个过程均依赖于光信号的传播，不必借助于红外偏振成像技术，相比于红外偏振成像，光信号传播的速度更快，因此本发明可以提高偏振成像速度，实现偏振实时成像；

2、本发明在偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，将色散模块设于成像装置之后，光电探测器之前，可以基于色散傅里叶变换DFT对成像装置输出的空间光信号进行时域拉伸，此后可以由光电探测器对空间光信号的光谱信息进行直接采集，与传统的光谱仪相比，本发明利用光电探测器对光谱信息进行直接采集，能够在保证光谱分辨率的同时，将采样率提升至兆赫兹级，从而可以提高偏振成像响应速度，进一步保证实时偏振成像的实现；本发明在偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，将色散模块置于成像装置之前，可以避免针对偏振调控模块中的每路空间光信号分别设置色散模块进行时域拉伸，因此可以简化器件，降低成本；

3、当偏振调控模块为基于分时法的第一类偏振控制模块时，本发明通过控制偏振调控模块，产生几个设定的偏振态，分多次得到待测目标的偏振信息，装置简单，成本较低且无需进行系统定标；当偏振调控模块为基于分幅值法的第二类偏振控制模块时，本发明通过控制偏振调控模块，对成像模块输出的空间光信号进行振幅分割，可以同时测量所有的偏振参数，并且通过矩阵运算，一次性可以获得用于表示待测目标上所有位置偏振态的斯托克斯参数；

4、本发明利用VIPA的自由光谱范围FSR和自由角范围FAR确定斯托克斯图像中二维强度矩阵的列数和行数，然后将待测目标上各个位置对应的斯托克斯参数排列在二维强度矩阵中，从而形成斯托克斯图像，基于斯托克斯图像进行偏振态分析，可以更加直观快速地得到待测目标对应位置上的偏振态，从而可以进一步提高偏振成像速度；

5、本发明在对VIPA输出的入射光信号的光场进行修正时，并不是基于VIPA内固定的均匀反射率，而是采用阶梯型反射率，该阶梯型反射率的数值随对应入射光信号从VIPA上输出位置的不同(即对应入射光信号与第1个入射光信号的间距不同)而呈阶梯变化，其为一个变化数值，通过采用阶梯型反射率，结合上述光场修正公式对入射光信号的光场进行修正，可以使VIPA输出的入射光信号振幅大致相同，振幅轮廓形状更接近于对称，并且可以使VIPA与透射光栅的耦合效率得到提升，由此本发明可以解决VIPA与透射光栅之间模式不匹配以及VIPA邻近通道之间存在串扰的问题，在距离中心波长3倍于3db带宽的波长处，串扰至少减小一倍；此外，本发明采用傅里叶变化可以计算出该阶梯变化的阶梯型反射率模型的光栅耦合效率；由于VIPA输出的各个入射光信号的振幅大致相同，从待测目标各个位置处返回的光信号强度有统一的参考标准，因此当本发明根据光强来确定待测目标上各个位置处对应的斯克托斯参数时，可以提高斯克托斯参数的确定准确度。

附图说明

图1是本发明偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，超快单像素偏振成像系统的一个实施例结构示意图；

图2是本发明偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，超快单像素偏振成像系统的另一实施例结构示意图；

图3是本发明偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，超快单像素偏振成像系统的一个实施例结构示意图；

图4是本发明偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，超快单像素偏振成像系统的另一实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明超快单像素偏振成像系统可以包括激光器、成像装置、偏振调控模块和信息处理模块，当所述偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，所述偏振调控模块对该激光器提供的激光信号进行偏振态调节，将形成的不同偏振态的偏振光依次作为测量光信号，传输给所述成像装置；所述成像装置针对按序接收到的每类偏振光，将该类偏振光分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，从所述待测目标上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到所述信息处理模块；所述信息处理模块根据每类偏振光对应空间光信号的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。

当所述偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，所述成像装置将该激光器提供的激光信号作为测量光信号，分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，从所述待测目标上不同位置处反射回或透射出的空间光信号被传输到所述偏振调控模块；所述偏振调控模块对所述空间光信号进行偏振态调节，形成多路具有不同偏振态的偏振光并传输给所述信息处理模块；所述信息处理模块根据每路偏振光的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。

本实施例中，该第一类偏振调控模块可以为基于分时法的偏振控制模块，第二类偏振调控模块可以为基于分幅值法的偏振控制模块。当偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，激光器、偏振调控模块、成像装置和信息处理模块依次相连，该超快单像素偏振成像系统的一个实施例如图1所示，所述偏振调控模块可以包括偏振片和两个波片，两个波片安装在中空高速电机上，电机带动波片转动对应角度即可实现任意偏振态调节。其中，所述偏振调控模块对该激光器提供的激光信号进行偏振态调节，可以形成水平线偏振光、垂直线偏振光、45度线偏振光、135度线偏振光、右旋圆偏振光与左旋圆偏振光，此后将形成的不同偏振态的偏振光依次作为测量光信号，传输给所述成像装置。

所述成像装置可以包括第一柱面镜、第一反射镜、第一虚拟成像相位阵列VIPA、第一透射光栅、第二透射光栅、第二VIPA、第二反射镜和第二柱面镜，所述待测目标位于所述第一透射光栅与第二透射光栅之间，所述测量光信号经所述第一柱面镜聚焦后，通过所述第一反射镜被传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；从所述待测目标上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二透射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号通过该第二反射镜，经所述第二柱面镜分散后被传输给所述信息处理模块；所述第一柱面镜、第一反射镜、第一VIPA、第一透射光栅相对于所述待测目标分别与第二柱面镜、第二反射镜、第二VIPA、第二透射光栅对称分布。

其中虚像成像相位阵列VIPA相当于一个倾斜的标准具，可以在入射面内执行空间色散，被VIPA纵向拉伸后的光经色散方向与VIPA正交的透射光栅，实现横向色散拉伸。VIPA和透射光栅的组合可以被称为二维空间分散器。整个光束控制过程可视为波长与成像面上空间坐标的一对一映射。色散方向正交的VIPA与透射光栅组成的二维空间分散器可以实现面阵扫描，其基本原理是，在远场夫琅禾费衍射下，具有宽光谱特性超快激光的频域信息通过二维空间分散器生成的二维面阵光束映射到空间域。在待测目标表面，具有不同透射率的二维平面信息被加载在激光的频谱内，二维空间信息被编码到激光的频谱内，进一步通过二次衍射过程，空间域信息被映射到频域。本发明结合VIPA和透射光栅，可以对测量光信号沿横向和纵向进行色散，形成面阵光斑，从而能够直接照亮二维待测平面，实现频域和空间域的一一映射，由于可以实现面扫描，因此可以进一步提高偏振成像效率。

所述信息处理模块可以包括耦合器、色散模块、光电探测器、示波器、光谱仪和处理器，针对所述成像装置按序提供的每类偏振光，所述耦合器将该类偏振光对应空间光信号分成两路，一路传输给所述光谱仪，由所述光谱仪记录频域数据，另一路经所述色散模块时域拉伸后，传输给所述光电探测器，所述光电探测器将时域拉伸后的该另一路空间光信号转换成空间电信号，并将所述空间电信号传输给所述示波器，由所述示波器记录时域数据；针对所述偏振调控模块按序提供的每类偏振光，所述处理器根据该类偏振光的频域数据，确定从所述待测目标上各个位置处反射回或透射出的空间光信号的波长，根据该类偏振光的时域数据中空间电信号的波长大小，确定在该类偏振光作用下，所述待测目标上各个位置对应的空间光信号强度，根据所述待测目标上各个位置对应的空间光信号强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。投射

其中，色散模块可以将耦合器提供的另一路空间光信号的空间域信息映射到频域，此后脉冲形式的空间光信号在具有群速度色散的介质中传播，当忽略损耗并只考虑二阶色散时，空间光信号自身的频域信息与时域信息具有一一对应的关系，由此得到波长与时间的对应关系。本发明在偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，将色散模块设于成像装置之后，光电探测器之前，可以基于色散傅里叶变换DFT对成像装置输出的空间光信号进行时域拉伸，此后可以由光电探测器对空间光信号的光谱信息进行直接采集，与传统的光谱仪相比，本发明利用光电探测器对光谱信息进行直接采集，能够在保证光谱分辨率的同时，将采样率提升至兆赫兹级，从而可以提高偏振成像响应速度，进一步保证实时偏振成像的实现。

由于光的偏振态可以用斯托克斯参量来表示，因此所述信息处理模块在根据每类偏振光对应空间光信号的强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数时，可以包括：针对所述待测目标上的每个位置，按以下公式获得该位置的四个斯托克斯参量，由所述四个斯托克斯参量来描述完全偏振光、部分偏振光和自然光：

S

S

S

S

其中，I

所述信息处理模块在确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数之后，以所述透射光栅的色散方向为二维强度矩阵的列方向，以所述VIPA(即本实施例中的第一VIPA和第二VIPA)的色散方向为所述二维强度矩阵的行方向，利用所述VIPA的自由光谱范围FSR定义所述二维强度矩阵的列数，利用所述VIPA的自由角范围FAR定义所述二维强度矩阵的行数，将所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数排列在所述二维强度矩阵中，从而形成斯克托斯图像，实现斯托克斯偏振成像。其中，VIPA的自由光谱范围FSR由VIPA自身参数(如厚度、入射角等参数)决定，自由角范围FAR由VIPA色散方向上的最大扫描范围定义。由于在上面描述中，针对待测目标上的每个位置都计算出了四个斯托克斯参量，因此可以形成四个二维强度矩阵，重建四幅斯托克斯参数图像。在确定斯托克斯图像中二维强度矩阵后，根据所述斯托克斯偏振图像中二维强度矩阵，分析所述待测目标上各个位置处的偏振态，从而对所述待测目标上各个位置的物理属性进行分析，其中偏振态与二维强度矩阵之间的对应关系可以预先存储在信息处理模块中。本发明利用VIPA的自由光谱范围FSR和自由角范围FAR确定斯托克斯图像中二维强度矩阵的列数和行数，然后将待测目标上各个位置对应的斯托克斯参数排列在二维强度矩阵中，从而形成斯托克斯图像，基于斯托克斯图像进行偏振态分析，可以更加直观快速地得到待测目标对应位置上的偏振态，从而可以进一步提高偏振成像速度。

当偏振调控模块为第一类偏振调控模块时，该超快单像素偏振成像系统的另一实施例如图2所示，图2与图1所示实施例的区别在于，两个实施例中成像装置的结构不同，图2所示实施例中所述成像装置可以包括依次相连的耦合镜、柱面镜、反射镜、VIPA和透射光栅，所述耦合镜的第一端用于接收所述测量光信号，所述测量光信号经所述柱面镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；从所述待测目标上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输回所述耦合镜，再由所述耦合镜传输给所述信息处理模块。当偏振调控模块为基于分时法的第一类偏振控制模块时，本发明通过控制偏振调控模块，产生几个设定的偏振态，分多次得到待测目标的偏振信息，装置简单，成本较低且无需进行系统定标。

当偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，还包括色散模块，激光器、色散模块、成像装置、偏振调控模块和信息处理模块依次相连。该超快单像素偏振成像系统的一个实施例如图3所示，所述色散模块对该激光器提供的激光信号进行时域拉伸后，将时域拉伸后的激光信号传输给所述成像装置；所述成像装置将时域拉伸后的激光信号分成多个具有不同波长的入射光信号，使各个入射光信号垂直入射至待测目标上不同位置处。在色散模块与成像装置之间还可以设有准直器，用于对时域拉伸后的激光信号准直后传输给所述成像装置。本发明在偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，将色散模块置于成像装置之前，可以避免针对偏振调控模块中的每路空间光信号分别设置色散模块进行时域拉伸，因此可以简化器件，降低成本。

所述成像装置可以包括第一柱面镜、第一反射镜、第一虚拟成像相位阵列VIPA、第一透射光栅、第二透射光栅、第二VIPA、第二反射镜和第二柱面镜，所述待测目标位于所述第一透射光栅与第二透射光栅之间，所述测量光信号经所述第一柱面镜聚焦后，通过所述第一反射镜被传输给所述第一VIPA，由所述第一VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述第一VIPA正交的第一透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；从所述待测目标上不同位置处透射出的空间光信号依次通过所述第二透射光栅和所述第二VIPA聚合为一束空间光信号，该束空间光信号通过该第二反射镜，经所述第二柱面镜分散后被传输给所述信息处理模块；所述第一柱面镜、第一反射镜、第一VIPA、第一透射光栅相对于所述待测目标分别与第二柱面镜、第二反射镜、第二VIPA、第二透射光栅对称分布。

所述偏振调控模块可以包括三个分束器、一个四分之一波片、四个起偏器和四个耦合器，所述信息处理模块可以包括四个光电探测器、示波器和处理器，其中第一分束器用于接收所述空间光信号，并将所述空间光信号分成两路，分别传输给第二分束器和第三分束器，所述第二分束器将器其接收到的空间光信号分成两路，一路依次通过第一起偏器、第一耦合器、第一光电探测器连接所述示波器，另一路依次通过第二起偏器、第二耦合器、第二光电探测器连接所述示波器；所述第三分束器将其接收到的空间光信号分成两路，一路依次通过第三起偏器、四分之一波片、第三耦合器和第三光电探测器连接所述示波器，另一路依次通过第四起偏器、第四耦合器和第四光电探测器连接所述示波器；所述四个起偏器对其接收到的空间光信号进行不同的偏振态调节，形成具有不同偏振态的偏振光，所述四分之一波片将所述第三起偏器提供的偏振光转变为圆偏振光或椭圆偏振光；四个耦合器分别将其接收到的偏振光耦合传输给对应的光电探测器后，四个光电探测器分别将其偏振光进行光电转换，形成偏振信号；所述示波器分别记录四个光电探测器输出的线偏振信号的时域数据；所述处理器根据所述时域数据中该待测目标上每个位置对应的空间光信号强度，确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数，从而实现斯托克斯偏振成像。

对于分振幅成像，偏振调控模块中的分束器将携带有待测目标信息的空间光信号分成四路，每一路均由光电探测器探得其光强，因此输出的偏振态可以由这四个参数的强度矢量表示为：

I＝(I

其中I

S

S

S

S

其中I

I

I

I

I

即：

其中：A

当系统矩阵的行列式|A|不等于零时，则存在逆矩阵A

S＝A

系统矩阵A由输入激光每个波长的斯托克斯矢量和输出强度确定，当测量四个通道探测强度时，可通过强度I和系统矩阵逆矩阵A

例如，设置偏振调控模块中光电探测器探得的四个通道光强分别为：

a)0度线偏光，偏振方向平行ox轴，光强为

b)45度线偏光，偏振方向与ox轴成45度，光强为

c)90度线偏光，偏振方向平行oy轴，光强为

d)左旋圆偏光，偏振方向平行ox轴，相位差为π/4，光强为

所述信息处理模块在确定所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数之后，以所述透射光栅的色散方向为二维强度矩阵的列方向，以所述VIPA(即本实施例中的第一VIPA和第二VIPA)的色散方向为所述二维强度矩阵的行方向，利用所述VIPA的自由光谱范围FSR定义所述二维强度矩阵的列数，利用所述VIPA的自由角范围FAR定义所述二维强度矩阵的行数，将所述待测目标上各个位置处对应的斯托克斯参数排列在所述二维强度矩阵中，从而实现斯托克斯偏振成像。

在偏振调控模块为第二类偏振调控模块时，该超快单像素偏振成像系统的另一实施例如图4所示，图4与图3所示实施例的区别在于，两个实施例中成像装置的结构不同，图4所示实施例中所述成像装置可以包括依次相连的耦合镜、柱面镜、反射镜、VIPA和透射光栅，所述耦合镜的第一端用于接收所述测量光信号，所述测量光信号经所述柱面镜聚焦后，传输给所述VIPA，由所述VIPA对所述测量光信号进行空间色散，分成多个具有不同波长的入射光信号，所述多个入射光信号通过色散方向与所述VIPA正交的透射光栅后，形成入射光信号阵列，所述入射光信号阵列垂直入射到所述待测目标上不同位置处，由此实现所述待测目标的面扫描；从所述待测目标上不同位置处反射回的空间光信号按照原路径传输回所述耦合镜，再由所述耦合镜传输给所述信息处理模块。当偏振调控模块为基于分幅值法的第二类偏振控制模块时，本发明通过控制偏振调控模块，对成像模块输出的空间光信号进行振幅分割，可以同时测量所有的偏振参数，并且通过矩阵运算，一次性可以获得用于表示待测目标上所有位置偏振态的斯托克斯参数。

另外，在上述四个实施例中，该激光器提供的激光信号可以是：光谱范围为十几纳米，脉冲重复频率大于兆赫兹的超快脉冲激光。光电探测器可以为单像素光电探测器且可以为高速光电探测器。本发明数据采集时间主要取决于脉冲激光的重复频率及高速但像素光电探测器转换器的响应时间，本发明通过使光电探测器为超快单像素光电探测器，激光器提供的激光信号为脉冲重复频率大于兆赫兹的超快脉冲激光，可以使数据采集响应时间达到纳秒量级，从而可以进一步提高偏振成像速度。

VIPA的透射光谱显示出以自由光谱范围(FSR)的间隔的多个共振峰，为多光束干涉。VIPA的输出光束是周期性混叠的，因此需要将VIPA和透射光栅结合起来，使光谱二维展开，这样实现不同波长和空间中不同位置的一一映射。与透射光栅相比，VIPA能产生更大的角色散，而且其波长分辨率也高一个量级。本发明系统的视场大小由二维空间分散器的色散能力，透镜焦距和脉冲激光的光谱带宽共同决定。具体参数主要受VIPA的腔长、透射光栅线数、透镜焦距影响及光谱带宽影响。系统的成像分辨能力主要受光谱分辨率和空间分辨率的影响。对于二维重建图像来说，其纵向(Y方向)成像分辨能力和横向(X方向)成像分辨能力的影响因素不同。对于Y方向来说，成像分辨力主要受VIPA的光谱分辨率、角色散和透镜焦距影响；对于X方向来说，成像分辨力主要受VIPA的自由光谱范围及衍射光栅角色散影响。因此，通过二维映射实现光谱成像时，需同时考虑两者以达到最佳成像效果。系统扫描速率主要由光源的脉冲频率决定，通常超快激光的脉冲频率大于兆赫兹，因此扫描速率可以达到纳秒/微秒级。

需要注意的是：本发明尤其适用于对偏振敏感的样品(生物组织、金属等)进行快速检测，将微小目标通过偏振信息的获取，放大清晰可见地呈现出来，在超瞬态时间内，实时反映目标的应力、旋光、双折射等物质属性及其变化。这对于理解偏振动力学、生物组织微观动态过程等至关重要。此外，在激光器之后还可以设有光放大器，用于在将激光器提供的激光信号输出给所述偏振调控模块或成像装置之前，对激光信号进行放大处理。

虽然本发明结合VIPA和透射光栅，可以对测量光信号沿横向和纵向进行色散，形成面阵光斑，从而能够直接照亮二维待测平面，实现面扫描，提高偏振成像效率，但是由于入射至VIPA的光信号在被传输至透射光栅之前，有可能在VIPA内被反射多次，且VIPA输出光信号的功率会因反射次数的增加而呈指数级衰减(即沿VIPA表面输出的光束轮廓呈指数形式)，因此VIPA输出的指数形式的光束轮廓在光纤耦合面上形成洛伦兹剖面，VIPA耦合到透射光栅的洛伦兹光束轮廓，会造成VIPA与透射光栅之间模式不匹配以及VIPA邻近通道之间存在串扰，VIPA与透射光束之间模式不匹配造成的损耗通常有1dB，VIPA邻近通道之间的串扰下限约为-25dB。

为了解决上述模式不匹配以及VIPA邻近通道之间的串扰问题，设测量光信号从VIPA上入射窗口直接输出时的光信号为VIPA提供给透射光栅的第1个入射光信号，测量光信号在VIPA内反射i次后输出的光信号为第i个入射光信号，第i个入射光信号与第1个入射光信号之间的间距为y

其中E

本发明在对VIPA输出的入射光信号的光场进行修正时，并不是基于VIPA内固定的均匀反射率，而是采用阶梯型反射率，该阶梯型反射率的数值随对应入射光信号从VIPA上输出位置的不同(即对应入射光信号与第1个入射光信号的间距不同)而呈阶梯变化，其为一个变化数值，通过采用阶梯型反射率，结合上述光场修正公式对入射光信号的光场进行修正，可以使VIPA输出的入射光信号振幅大致相同，振幅轮廓形状更接近于对称，并且可以使VIPA与透射光栅的耦合效率得到提升，由此本发明可以解决VIPA与透射光栅之间模式不匹配以及VIPA邻近通道之间存在串扰的问题，在距离中心波长3倍于3db带宽的波长处，串扰至少减小一倍；此外，本发明采用傅里叶变化可以计算出该阶梯变化的阶梯型反射率模型的光栅耦合效率；由于VIPA输出的各个入射光信号的振幅大致相同，从待测目标各个位置处返回的光信号强度有统一的参考标准，因此当本发明根据光强来确定待测目标上各个位置处对应的斯克托斯参数时，可以提高斯克托斯参数的确定准确度。

由上述四个实施例可见，本发明利用待测目标的偏振敏感特性，利用成像装置将不同波长的测量光信号垂直入射至待测目标上不同位置处，可以实现频域与空域的一一映射关系，利用这种映射关系，根据待测目标上各个位置反射回或透射出的空间光信号的强度，来确定对应的用于表征其偏振态的斯托克斯参数，整个过程均依赖于光信号的传播，不必借助于红外偏振成像技术，相比于红外偏振成像，光信号传播的速度更快，因此本发明可以提高偏振成像速度，实现偏振实时成像。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。