基于双改良Sagnac光栅干涉仪的宽带快照全偏振成像技术

《Optics and Lasers in Engineering》：Broadband snapshot complete polarization imaging based on dual modified Sagnac-grating interferometers

宽带全偏振成像系统研究

　　
该研究针对传统偏振成像系统的核心缺陷展开系统性改进，提出基于双正交MDCPSI架构的宽带全偏振Sagnac干涉仪（BSCPSI）。系统创新性地通过两套改进型分散补偿偏振Sagnac干涉仪（MDCPSI）的协同工作，实现了四路偏振分量的并行解调。这种架构突破了传统单光路系统的带宽限制，在保证全偏振态成像精度的同时，显著提升了系统抗干扰能力。

研究首先从理论层面揭示了偏振成像的关键技术瓶颈。传统时分制系统存在动态场景观测误差，空间分割式系统则面临分辨率与通道数量的矛盾。特别是环形偏振态检测的缺失，使得现有技术无法完整表征目标表面多物理特性。基于Stokes矢量理论的分析表明，完整的四分量检测需要同步获取自然光强度、线偏振角度、圆偏振比例等参数，这对光学系统设计和信号处理提出了双重挑战。

在系统架构方面，研究团队通过光学路径重构解决了三大核心问题：首先，采用双正交MDCPSI架构实现四路偏振态的并行解调，将传统单通道系统扩展为四通道阵列，通过波前整形技术使各通道干涉条纹在探测器平面精确重合；其次，开发新型光栅布局方案，将传统Sagnac干涉仪中的正交光栅布局改为斜边光栅结构，消除残余色散效应；最后，引入多层补偿结构，通过玻璃基板与偏振分束器（WGBS）的协同作用，将系统对光栅安装误差的敏感度降低至2.8mm量级。

光栅补偿机制是系统设计的突破性创新。传统Sagnac干涉仪依赖复杂的光学补偿装置，而该研究采用双补偿层设计：在偏振分束器表面嵌入与分束器材料折射率匹配的补偿玻璃，有效消除光路几何偏移引起的额外剪切位移；同时在光栅组与反射镜之间设置标准化光程差补偿器，通过精确调控光栅倾角（2.2°±0.1°）和介质厚度（3.5±0.2mm），将色散误差控制在系统带宽（20nm）内波动幅度小于5%。这种双补偿机制使得系统在1550-1650nm波段可实现±0.5°的偏振角度测量精度。

信号处理算法的优化是系统实现的关键。研究提出动态参考光束校正技术，通过在光路中集成参考分束器，实时监测并补偿因环境温湿度变化（±5%）引起的偏振态漂移。实验数据显示，该算法可将系统信噪比提升约18dB，特别是在波长边缘（±10nm）处，噪声抑制效果尤为显著。解调过程中采用自适应滤波算法，通过建立多光谱通道间的互相关性模型，有效抑制了交叉通道干扰（交叉调制抑制比达45dB）。

实验验证部分展示了系统在真实场景中的卓越性能。使用标准测试靶标（包含正交线偏振、圆偏振混合态及椭圆偏振态），在自然光（500-700nm）与激光（1064nm）双波段测试中，系统均能准确重建Stokes矢量参数。对比实验表明，与传统DCPSI相比，BSCPSI的动态范围扩展3倍，测量重复性误差降低至0.3%。特别在高速成像场景中（帧率≥200fps），系统仍能保持稳定解调，验证了其在实时动态偏振检测中的可行性。

光学效率优化方面，研究团队通过材料与结构双重改进实现了显著提升。偏振分束器采用梯度镀膜技术，将P偏振光透射率从传统方案的62%提升至89%，同时保持S偏振反射率≥98%。光栅组采用分段式精密加工工艺，使单色光栅效率达到72%，较传统方案提升25%。探测器选用新型CMOS传感器，其量子效率在可见光波段超过85%，暗电流密度低于0.5e-6 A/pixel。

系统误差分析建立了多维补偿模型。研究发现，光路装配误差主要来自平面镜对准精度（容许误差±0.5mm）和偏振分束器角度偏差（±0.2°）。通过引入激光干涉对准系统和角度编码补偿装置，可将系统整体误差控制在0.8%以内。在环境适应性方面，系统经过-20℃至+60℃温箱测试，偏振态测量稳定性保持±1.5°波动范围。

该技术突破为多个应用领域带来革新可能。在遥感监测中，通过搭载BSCPSI光学系统，可实时解析植被叶片的偏振特性，实现水分含量（精度±2%）和叶绿素浓度（精度±5%）的同步检测。工业检测领域，系统可分辨金属表面氧化层（厚度检测精度0.1μm）与表面形貌（亚像素级精度）。医疗成像方面，结合微型化设计，已成功应用于视网膜偏振态的实时监测，为早期癌症筛查提供新手段。

研究同时揭示了系统扩展应用潜力。通过模块化设计，可在现有架构中集成多光谱成像模块，实现偏振态与光谱信息的融合检测。实验表明，在1550nm波段集成近红外成像模块后，系统仍能保持±0.7°的偏振测量精度。此外，开发的光学补偿算法可迁移至自由空间光通信系统，为偏振编码调制提供新解决方案。

未来研究方向聚焦于三个维度：首先，开展超宽带（400-1700nm）光栅材料研发，计划将工作波段扩展至近红外；其次，优化微纳结构补偿装置，目标将装配误差容限缩小至0.2mm；最后，开发深度学习辅助的偏振解译算法，实现复杂场景下的自适应偏振态分类。研究团队已与多家光学器件制造商达成合作，计划在2024年完成工程样机研制。

该成果标志着偏振成像技术从实验室研究向工程化应用迈出关键一步。通过创新性的双MDCPSI架构设计、多维度误差补偿机制以及智能化信号处理算法的协同作用，系统在保持高偏振态测量精度的同时，实现了亚秒级响应速度和工业级环境适应性。这些技术突破不仅为宽光谱偏振成像提供了新范式，更为智能感知系统、生物医学检测、军事侦察等领域的应用奠定了重要基础。