【专利解密】永新光学提出基于弹光调制的偏振成像检测装置及检测方案

【爱集微点评】永新光学公开的基于弹光调制的偏振成像检测装置及检测方案，通过将FPGA控制电路与开关电路、CCD成像探测器和弹光偏振调制成像系统连接，分别输出周期方波电压信号、脉冲信号以及方波触发信号，保证了照明时刻和弹光调制驱动幅值选择的同步性。能够有效地实现弹光偏振调制成像系统与成像CCD的速度相互匹配，从而可以快速、灵敏、高精度地实现样品的偏振成像检测。

集微网消息，众所周知，胶原纤维、丝状肌动蛋白、微管、纺锤体等生物样品及黑磷、二硫化铼、磷化锗等二维材料，在光学特性上均表现出各向异性的特点，有效地检测和分析样品的各向异性特征，能够为生物样品的形态、结构和功能以及二维材料晶体的结构和性能调控等研究提供有效辅助手段。

目前，应用于生物样品和二维材料的光学各向异性的研究主要通过光学偏振显微成像的方式，但现有的偏振显微成像系统多采用旋转偏振片或旋转波片，或采用液晶可变相位延迟器等作为核心器件。使用旋转偏振片或旋转波片作为核心器件的偏振成像装置具有通光孔径大、成本低等优点，但旋转偏振片或旋转波片采用的是机械式旋转机构，不仅成像探测速度有限，还会造成成像光束漂移，降低偏振探测灵敏度和精度。

而液晶可变相位延迟器容易受温度影响严重，偏振成像系统工作稳定性受限，并且液晶可变相位延迟器的相位延迟切换速度有限，偏振成像速度慢。因此，为了满足生物医学、纳米材料等领域日益增长的测试需求，急需突破高速、高精度的偏振分辨显微关键技术。

由于弹光调制具有工作频率高，调制纯度高，通光孔径大，抗震性能好等应用优势，为偏振探测提供优异的调制手段。目前常用的弹光调制器一般工作频率为几十kHz，典型工作频率为50kHz，在一个完整的工作周期20μs时间内，能够实现0到2π范围内任意相位延迟幅值的调制，为高速、高精度偏振分辨显微成像提供了可能。

但目前成像CCD面阵探测器的帧频一般在数百到数十fps量级，每次采集图像所需的时间在ms量级。将弹光调制利用来实现高速偏振成像探测，必须解决弹光调制装置与成像CCD因速度不匹配而无法实现弹光调制器和CCD的协同工作困难。

为此，永新光学在2022年3月9日申请了一项名为“一种基于弹光调制的偏振成像检测装置及检测方法”的发明专利（申请号：202210230128.1），申请人为宁波永新光学股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中公开的基于弹光调制的偏振成像检测装置的结构示意图，该装置包括有光源1、散射元件2、开关电路3、起偏器4‑1、LC谐振驱动电路4‑2、弹光调制器4‑3、检偏器4‑5、CCD成像探测器4‑6、FPGA控制电路5和控制电脑6。

其中，光源为16个紧密排列成六角阵列的LED或半导体激光二极管，通光面直径为2cm，散射元件为漫透射屏或600目数抛光规格的毛玻璃。控制电脑与FPGA控制电路及CCD成像探测器连接，FPGA控制电路与弹光偏振调制成像系统中的LC谐振驱动电路及CCD成像探测器连接，LC谐振驱动电路与弹光调制器连接。

利用该装置进行偏振成像检测时，首先，将待测样品放置在弹光偏振调制成像系统内，置于弹光调制器和检偏器之间，由控制电脑将频率为50kHz的弹光调制周期发送到FPGA控制电路。其次，FPGA控制电路经过时序控制后，输出脉宽为100ns的周期方波电压信号Sr到LC谐振驱动电路，经放大后驱动弹光调制器工作产生周期弹光调制信号。同时，FPGA控制电路输出与周期方波电压信号Sr相同频率的对应周期弹光调制信号到开关电路，以及输出方波触发信号St控制CCD成像探测器。

接着，开关电路将脉冲信号经功率放大后输出到光源驱动其工作，并由检偏器输出对应相位的偏振图像，FPGA控制电路输出方波触发信号St控制CCD成像探测器采集检偏器输出的偏振图像。

最后，CCD成像探测器采集到偏振图像后，将偏振图像传输至控制电脑，由控制电脑处理接收到的偏振图像，以完成待测样品的偏振信息解调分析，提取出待测样品的偏振信息。经待测样品透射光的偏振分量的相位差和经待测样品透射光的偏振分量的幅值比，最终完成待测样品的偏振成像检测。

如上图，为上述装置处于工作状态时的信号原理图，从中可以看出，周期方波电压信号Sr、相位分别为0°、30°和90°的脉冲信号P1、P2和P3和周期弹光调制信号之间具有以下关系：周期方波电压信号Sr的脉冲宽度等于两个相邻脉冲之间的间隔长度，在周期方波电压信号Sr的前沿位置，具有相位为0°的第一脉冲信号P1，周期弹光调制信号为0。

在周期方波电压信号Sr的高电平位置，在六分之一脉宽处具有相位为30°的第二脉冲信号P2，在二分之一脉宽处具有相位为90°的第三脉冲信号P3，周期弹光调制信号处于0～180度之间，信号为正。在周期方波电压信号Sr的后沿位置，周期弹光调制信号为0；在周期方波电压信号Sr的零电平位置，周期弹光调制信号处于180～360度之间，信号为负。

此外，采用量子转化效率更高的CCD探测器，曝光时间还能够进一步缩短，偏振成像速度能够进一步提高。从而能够超高速完成大通光孔径的偏振成像探测，分析具有原位、高精度、高灵敏、多通道和高探测通量的偏振成像探测应用优势。

以上就是永新光学公开的基于弹光调制的偏振成像检测装置及检测方案，该方案通过将FPGA控制电路与开关电路、CCD成像探测器和弹光偏振调制成像系统连接，分别输出周期方波电压信号、脉冲信号以及方波触发信号，保证了照明时刻和弹光调制驱动幅值选择的同步性。能够有效地实现弹光偏振调制成像系统与成像CCD的速度相互匹配，从而可以快速、灵敏、高精度地实现样品的偏振成像检测。

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（校对/赵月）