一種基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置與方法與流程

2023-05-05 20:27:01 3

本發明涉及一種基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置與方法，屬於偏振態參量測量領域。

背景技術：

偏振態是描述光波波前特徵的重要參量之一，可用stokes矩陣參量、jones矩陣參量等表徵，對其測量在生物光子學、非線性光學、化學和礦物質學等領域具有重要的科學意義和應用價值。但傳統的偏振態測量裝置只能提供待測波前傳播方向上固定位置處的偏振信息，且由於不具備二維採樣特性，需頻繁調整光路和多次曝光來實現偏振態參量的測量。為了提高偏振態參量參量的測量效率，國內外學者作了很多有益嘗試，其中，幹涉成像技術由於採用幹涉方法記錄待測波前的振幅和相位信息，並通過數字方法完成重構，為光束的偏振態參量全場快速測量提供了可能，從而引起廣泛關注。

美國伊利諾伊大學香檳分校的gabrielpopescu等(zhuowang,larryj.millet,marthau.gillette,andgabrielpopescu,"jonesphasemicroscopyoftransparentandanisotropicsamples,"opt.lett.33,1270-1272(2008))利用離軸幹涉成像技術實現了瓊斯矩陣測量，但該技術需要四次曝光採集才能實現瓊斯矩陣參量測量，測量速度受限；同時因為採用分離光路結構，抗幹擾能力差。

韓國的yongkeunpark等(youngchankim,joonwoojeong,jaeduckjang,mahnwonkim,andyongkeunpark,"polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedjonesmatrix,"opt.express20,9948-9955(2012))等利用共路幹涉成像技術生成載頻正交的全息圖，進而通過兩次曝光採集實現了瓊斯矩陣參量測量，在提高抗幹擾能力的同時，提高了測量效率。但是該方法需要二維光柵和孔陣列匹配，並輔以偏振正交的兩塊偏振片，不僅結構複雜，而且調整困難。

專利cn104198040b「一種二維瓊斯矩陣參量的全息測量方法及實施裝置」利用雙二維光柵分光技術，結合頻譜復用技術，通過一次曝光可實現瓊斯矩陣參量測量，但該裝置不僅進一步增加了系統複雜度，而且光利用率，同時因為採用採用分離光路結構，抗幹擾能力差。

南京師範大學的袁操今等(馬駿，袁操今，馮少彤，聶守平，「基於數字全息及復用技術的全場偏振態測試方法」，物理學報.22,224204(2013))利用偏振和角分復用技術，通過一次曝光可實現stokes矩陣參量和瓊斯矢量測量，但是因為採用採用分離光路結構，抗幹擾能力差；同時受結構限制，偏振態正交的頻譜在頻譜空間分離有限，進而造成串擾，影響偏振態參量的測量精度。

為提高系統抗幹擾能力，簡化系統結構，本發明的發明人曾提出系列雙窗口共光路幹涉裝置與方法，如專利cn102954842b「基於同步載頻移相的共光路幹涉檢測裝置與方法」，在雙窗口共光路幹涉結構基礎上，引入離焦光柵分光技術和偏振調製技術，通過一次曝光採集獲得兩幅相移幹涉圖，並通過差動相減方法消除零頻分量，在保證系統實時性基礎上，優化了相機帶寬利用率，但這些技術主要適用於三維形貌測量領域，而將該技術直接用於偏振態參量的報導，迄今為止尚未見報導。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述技術的不足之處，提供一種結構簡單、系統穩定的基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置，本發明的目的還在於還提供一種基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量方法。

本發明的目的是這樣實現的：包括波長為λ的光源、偏振調製系統、準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機，光源發射的光束經偏振態調製系統調製成線偏振光，依次經過準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵後入射至第二透鏡，經第二透鏡透射後的衍射光束由光闌整形，再經偏振片組調製後由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機的圖像信號輸入端；所述偏振態調製系統為旋轉線偏振片且其按透光軸與水平方向成+45°進行放置或按透光軸與水平方向成-45°進行放置；以光軸的方向為z軸方向建立xyz坐標軸，所述矩形窗口沿垂直於光軸的方向設置，並且沿x軸方向均分為兩個小窗口；一維周期光柵周期為d，位於第一透鏡的後焦f-△f處並且位於第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大於0並且小於f；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿x軸方向的寬度d之間滿足關係：d＝2λf/d；偏振片組為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2×1陣列。

本發明還包括這樣一些結構特徵：

1.偏振態調製系統由線偏振片與1/4波片組合實現。

2.基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量方法，包括所述的基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置，步驟如下：

(1)打開光源，使光源發射的光束經偏振態調製系統調製形成線偏振光束，該光束依次經過準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產生0級和±1級衍射光束，再經光闌整形和偏振片組濾波調製後，在圖像傳感器平面上產生幹涉，將計算機採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣；

(2)測量stokes矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，通過一次曝光採集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得ix和iy，

得到待測物體的復振幅分布為：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中：i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c表示頻譜置中操作；

則stokes參量矩陣為：

其中：為待測波面水平方向和垂直方向的相位差；

(3)測量jones矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，第一次曝光採集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得i1x和i1y；再次調整偏振態調製系統，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光採集再次獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得i2x和i2y，

得到待測物體的復振幅分布：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c表示頻譜置中操作，

則待測物體的jones矩陣參量為：

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明的基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量方法有以下特點和有益效果：

1.利用雙窗口共路幹涉幹涉成像技術同步生成兩幅含有x和y方向偏振信息得幹涉圖，進而利用同一裝置完成stokes矩陣參量和jones矩陣參量測量，在保證抗幹擾能力的同時，方法簡單易行，這是區別於現有技術的創新點之一；

2.利用光柵離焦分光技術與線偏振調製技術相配合，使系統只需一維光柵和線偏振片，而不需二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件，在降低系統構建難度和成本的同時，可提高測量精度，這是區別於現有技術的創新點之二。

本發明的裝置有如下顯著特點：

1.本發明裝置結構簡單，通過簡單的計算使得矩形窗口和光柵周期相匹配，在光學測量過程中系統定位複雜度要求低，且調整方便；

2.本發明裝置採用雙窗口共光路結構，系統抗幹擾能力強，穩定性好；

3.本發明裝置中避免使用二維光柵，不僅降低了成本，更使得光路更簡單。

附圖說明

圖1為基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置結構示意圖；

圖2為本發明的偏振片組示意圖。

圖中：1光源，2偏振態調製系統，3準直擴束系統，4待測物體，5矩形窗口，6第一透鏡，7一維周期光柵，8第二透鏡，9光闌，10偏振片組，11圖像傳感器，12計算機。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

圖1所示為一種基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置結構示意圖，包括波長為λ的光源、偏振調製系統、準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機。按照光的路徑描述，光源發射的光束經偏振態調製系統調製成線偏振光，依次經過準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵後入射至第二透鏡，經第二透鏡透射後的衍射光束由光闌整形，再經偏振片組調製後由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機的圖像信號輸入端；所述的偏振態調製系統為旋轉線偏振片，其按透光軸與水平方向成+45°進行放置，或按透光軸與水平方向成-45°進行放置；以光軸的方向為z軸方向建立xyz坐標軸，所述矩形窗口沿垂直於光軸的方向設置，並且沿x軸方向均分為兩個小窗口；一維周期光柵周期為d，位於第一透鏡的後焦f-△f處並且位於第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大於0並且小於f；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿x軸方向的寬度d之間滿足關係：d＝2λf/d；偏振片組為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2×1陣列。

偏振態調製系統也可由線偏振片與1/4波片組合實現。

基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量方法，包括如下步驟：

(1)調整整個光學系統，打開光源，使光源發射的光束經偏振態調製系統調製形成線偏振光束，該光束依次經過準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產生0級和±1級衍射光束，再經光闌整形和偏振片組濾波調製後，在圖像傳感器平面上產生幹涉，將計算機採集獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣；

(2)測量stokes矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，通過一次曝光採集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得ix和iy。

計算待測物體的復振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

(3)測量jones矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光採集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得i1x和i1y；再次調整偏振態調製系統，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光採集再次獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割後獲得i2x和i2y；

計算待測物體的復振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為

下面結合圖1和圖2對本發明的實施實例作詳細說明。

本發明的裝置包括：光源1、偏振態調製系統2、準直擴束系統3、待測物體4、矩形窗口5、第一透鏡6、一維周期光柵7、第二透鏡8、光闌9、偏振片組10、圖像傳感器11，計算機12，其中光源1為波長632.8nm雷射器；待測物體4放置於矩形窗口5內，位於第一透鏡5的前焦面上；第一透鏡6和第二透鏡8的焦距均為f＝200mm；一維周期光柵周期為d，位於第一透鏡的後焦f-△f處並且位於第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大於0並且小於f；圖像傳感器11位於第二透鏡8的後焦面上。該裝置光的運行路徑為：

光源1發射的光束經偏振態調製系統2調製成線偏振光，依次經過準直擴束系統3、待測物體4、矩形窗口5、第一透鏡6、一維周期光柵7後入射至第二透鏡8產生0級和±1級衍射光束，經第二透鏡透8透射後的衍射光束由光闌9整形，再經偏振片組10調製後在圖像傳感器11的光接收面產生幹涉，並被圖像傳感器11採集到計算12中，計算機12將獲得的幹涉圖樣根據矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅幹涉圖樣。

測量stokes矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，通過一次曝光採集獲得一副幹涉圖，通過分割後獲得兩幅含有正交偏振態的全息圖ix和iy，其中，ax和ay是偏振態正交的兩束物光的復振幅分布；k是光柵離焦引入的載波的頻率；r為參考光的復振幅分布。

計算待測物體的復振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c{}表示頻譜置中操作。從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

測量jones矩陣參量時，調整偏振態調製系統，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光採集獲得第一幅全息圖i1含有兩幅幹涉圖樣i1x和i1y；再次調整偏振態調製系統，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光採集獲得第二幅全息圖i2含有兩幅幹涉圖樣i2x和i2y；

計算待測物體的復振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅立葉變換，ift表示逆傅立葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為

此實施實例具有非常好的穩定性，需要兩次測量採集四幅全息圖便可計算瓊斯矩陣，在保證抗幹擾能力的同時，方法簡單易行，不需要二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件，系統的複雜度進一步降低了。

綜上，本發明提供了基於雙窗口共路幹涉成像的偏振態參量測量裝置與方法，屬於偏振態參量測量領域。本發明包括光源、偏振調製系統、準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機。入射光被線偏振調製後依次經過準直擴束系統、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡後產生0級和±1級衍射光束，再經光闌和偏振片後，在圖像傳感器平面上產生幹涉；分別曝光採集+45°和-45°線偏振光入射時的全息圖，通過計算機獲得stokes矩陣參量和jones矩陣參量。本發明裝置無需二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件，結構簡單，調整方便，且抗幹擾能力強。