一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統及高精度定位方法

2023-05-05 06:47:26

專利名稱：一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統及高精度定位方法
技術領域：
本發明涉及精密光學測量領域，具體涉及一種基於計算機輔助的高精度偏振光定 位系統及高精度定位方法。
背景技術：
液體偏振元件是光學技術中的一類重要元件，被廣泛的應用於光彈力學、現代光 通訊技術、醫療診斷和物理學研究等諸多領域。特別是在偏光器件的應用中，波片(又稱光 學相位延遲器)是光學調製系統中的重要器件，其和偏光器件相配合，可以實現各種偏振 態之間的相互轉換、偏振面的旋轉以及各類偏振光的調製。在偏振光學領域的元件測量中，常常需要先由若干偏振元件建立偏振場，再以之 為基礎再進行高精度偏振光學測量。例如，在應用Solei補償器法進行波片相位延遲精確 測量時，就需要先將檢偏器和起偏器正交，再令待測波片光軸與前二者成45°夾角，在如此 的偏振場中才能進行進一步測量。此時，必須精確快速地確定偏振元件相對於原始位置需 要轉動的相對角度。在實際的偏振場建立過程中，往往需要使偏振場出射光強達到最大或 最小(即極值)，例如偏振元件光軸正交時光強最小，平行時光強最大，而雙折射晶體會在 與入射偏振光偏振方向呈45°時出射光達到極值。然而，在實際的測量中，為了讀取光強， 需要應用光電轉換和AD轉換器件，此時，AD轉換元件的精度將對測量結果起到極為重大的 影響。但是，由於光電流計ADC精度有限，而且測量系統本身又工作在光電流強度極低 的情況下，因此當相鄰採樣點間的光強差值△ I小於ADC最小解析度時，就會出現相鄰採樣 點角度不同但光強相同的階梯狀圖案。而在光強導數最小的波谷區域，就會出現一段直線 而非正弦曲線。在這種情況下，顯然就無法如同理想曲線尋找極值點那樣一來用最值和導數確定 極值點。因此，在偏振元件測量測試中，快速、精確地進行偏振光定位，建立合適的偏振場 就成為一個亟待解決的問題。

發明內容
本發明的目的在於提出一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統及定位方 法，該定位方法克服現有數字光電流計精度不足的缺點，並可以適用多種不同的偏振元件 測量場合的偏振場建立需求。本發明的技術方案如下一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統，該系統 包括模塊A上位機、模塊B數據採集卡、模塊C儀器模塊以及模塊D偏振測量儀，模塊A、模 塊B、模塊C與模塊D依次順序相連，模塊D偏振測量儀具體包括起偏器、恆溫筒、載物臺、 檢偏器、成像鏡以及光電倍增管，其中，在起偏器前端依次放置光源、聚焦鏡、可變光欄、準
4直鏡，光源產生的自然光依次通過聚焦鏡、可變光欄及準直鏡進入起偏器後形成線偏振光； 在恆溫筒與載物臺之間還放置有補償器，待測元件根據測量要求而放置於恆溫筒或載物臺 中，線偏振光通過待測元件後，依次通過檢偏器，成像鏡以及光電倍增管，並在光電倍增管 中轉換為電流信號。所述的模塊C儀器模塊具體包括光電流計、角度數顯表以及電機驅動器。所述的模塊A上位機負責數據的存儲、顯示、處理以及對系統進行控制；所述的模 塊B負責模塊A上位機與模塊C儀器及電機驅動器間的通信，將讀取模塊D偏振測量儀產 生的模擬信號轉換為數字量輸出，並利用模塊A上位機的數據信號指令對電機脈衝進行調 制。所述的起偏器、檢偏器以及載物臺中安裝有直流電機和圓感應同步器。一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法，該方法具體包括步驟一、數據採集；驅動待定位元件，並開始採集數據，直到極值點在實時數據坐標圖上出現，且在極 值點兩側都有4°以上合適寬度的曲線，並在成對記錄光強I和轉動角度識，並記錄下每一
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組採樣數據相對於前一組的；，將其作為近似導數；步驟二、測定數據曲線的極值點精確位置步驟三、利用Dixon檢驗法排除異常值，並獲得最終測試結果；步驟四、根據檢測結果，利用計算機驅動電機將待定位的偏振元件轉動至所測定 的角度，完成一次偏振光定位。所述的步驟二的具體步驟為步驟2. 1、數據採集結束後，確定光強最值點在角度軸上的分布區域[仏w^nax.]；步驟2. 2、在區間[^^^J的兩側遍歷各點，直到找到一對合適的對稱點，將之記
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的0方向坐標為=仍+…禮 9m本發明的顯著效果在於本發明所述的一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位 系統及定位方法克服了現有數字光電流計精度不足的缺點，利用偏振光強曲線的對稱性， 有效地確定偏振場中出射偏振光曲線的極值點，從而精確測定待測元件需要轉動的相對角 度；該方法實用、高效，重複精度可達1'，可以適用多種不同的偏振元件測量場合的偏振 場建立需求。


圖1為基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統中偏振測量儀結構示意圖；圖2為基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統結構示意圖；圖中1、光源；2、聚焦鏡；3、可變光欄；4、準直鏡；5、起偏器；6、恆溫筒；7、補償 器；8、載物臺；9、檢偏器；10、成像鏡；11、光電倍增管。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明所述的計算機輔助的高精度偏振光定位系統中的偏振測量儀 包括起偏器5、恆溫筒6、載物臺8、檢偏器9、成像鏡10以及光電倍增管11，其中，在起偏器 5前端依次放置光源1、聚焦鏡2、可變光欄3、準直鏡4，光源1產生的自然光依次通過聚焦 鏡2、可變光欄3及準直鏡4進入起偏器5後形成線偏振光；在恆溫筒6與載物臺8之間還 放置有補償器7，待測元件根據測量要求而放置於恆溫筒6或載物臺8中，線偏振光通過待 測元件後，依次通過檢偏器9，成像鏡10以及光電倍增管11，並在光電倍增管11中轉換為 電流信號。在起偏器5、檢偏器9以及載物臺8中安裝有直流電機和圓感應同步器，直流電 機可以驅動起偏器5、檢偏器9以及載物臺8在垂直於光路的平面上繞光路旋轉，從而建立 偏振場，而圓感應同步器則可以將嵌套在起偏器5、檢偏器9及載物臺8上的感應線圈的相 對原位置的轉動角度轉化為電壓信號輸出。如圖2所示，計算機輔助的高精度偏振光定位系統可以分為四個模塊，模塊A為上 位機，它負責數據的存儲、顯示、處理以及對系統進行控制，模塊B為數據採集卡，模塊C為 由光電流計、角度數顯表和電機驅動器組成的儀器模塊，模塊D為圖1所示的偏振測量儀， 模塊A、模塊B、模塊C與模塊D依次順序相連，其中，模塊B負責模塊A上位機與模塊C儀 器及電機驅動器間的通信，該模塊一方面讀取模塊D偏振測量儀產生的模擬信號並將其轉 換為數字量輸出，另一方面利用模塊A上位機的數據信號指令對電機脈衝進行調製。測量 中，模塊A上位機通過模塊B數據採集卡發出脈衝，驅動偏振測量儀電機轉動，偏振測量儀通過光電倍增管11與圓感應同步器分別輸出代表光強和角度量的模擬信號，光電流計和 測角儀將其轉化為數位訊號並通過模塊B數據採集卡輸入模塊A上位機，模塊A上位機通 過同步讀取光強和角度量判斷和控制測試進程。一次測量結束後，上位機通過採集的數據 分析出精確的光強-角度的極值點位置，從而得出元件應該轉動的角度。本發明所述的一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法具體步驟為步驟一數據採集驅動待定位元件，並開始採集數據，直到極值點在實時數據坐標圖上出現，且在極 值點兩側都有4°以上合適寬度的曲線，並在成對記錄光強I和轉動角度爐(以I為Y軸，識 為X軸，這樣採樣點就落於(<p , I )坐標空間內)，並記錄下每一組採樣數據相對於前一組
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的;^，將其作為近似導數。步驟二 測定數據曲線的極值點精確位置步驟2. 1、數據採集結束後，確定光強最值點在角度軸上的分布區域[仏in_,仏。步驟2. 2、在區間的兩側遍歷各點，直到找到一對合適的對稱點，將之記 作Pal和Pal,，其中Pal和Pal,的光強相等，且在[ n.，化ax.倆側成對出現的光強等值點中，Pal
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的導數絕對值i最大。步驟2. 3、利用曲線對稱性，得到極值點的-方向坐標隊91^、.,並將之作為第 一級的極值點尺(％,/。)。步驟2. 4、在區間K^haJ的兩側遍歷各點，直到找到一對合適的對稱點，將之記 作Pbl和Pbl,，其中Pbl和Pbl,的光強相等，且在倆側成對出現的光強等值點中，Pbl 的在爐方向上與Pa的距離之絕對值C/ = \<P~<Pa |最接近。步驟2. 5、利用曲線的對稱性，得到極值點的-方向坐標灼=。步驟2. 6、為減少隨機誤差，重複步驟2. 1 2. 5，其重複n次的結果分別為 (釣,灼……<P ) °步驟三、利用Dixon檢驗法排除異常值，並獲得最終測試結果步驟3. 1、將測試結果按大小排列，使得釣 <朽……<隊』計算臨界值D和D'，其中，
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<Pn-(Pl<Pn~<Px步驟3. 2、確定檢出水平&在「Dixon檢驗法臨界值表」中查出對應n和3的臨界 值A-「力。並使用「Dixon檢驗法」判定&是否異常。步驟3.3、當D>D'，且Z^DwO)時，判定隊為異常值；當D'、口，且！^眾—⑷
時。判定夠為異常值；否則，沒有異常值。步驟3. 4、可以餘下測試值繼續使用Dixon檢驗法，直到不再有異常值出現，剔除 可能存在的異常值後，對剩下的m個測試結果值求均值，抑制隨機誤差，最終得到的極值點
的砠方向坐標為爐=-^。 Vm
步驟四、根據檢測結果，利用計算機驅動電機將待定位的偏振元件轉動至所測定 的角度，完成一次偏振光定位。本發明所述的一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法中所利用的Dixon 檢測臨界表值如下表所示
權利要求
一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統，該系統包括模塊A上位機、模塊B數據採集卡、模塊C儀器模塊以及模塊D偏振測量儀，模塊A、模塊B、模塊C與模塊D依次順序相連，其特徵在於模塊D偏振測量儀具體包括起偏器(5)、恆溫筒(6)、載物臺(8)、檢偏器(9)、成像鏡(10)以及光電倍增管(11)，其中，在起偏器(5)前端依次放置光源(1)、聚焦鏡(2)、可變光欄(3)、準直鏡(4)，光源(1)產生的自然光依次通過聚焦鏡(2)、可變光欄(3)及準直鏡(4)進入起偏器(5)後形成線偏振光；在恆溫筒(6)與載物臺(8)之間還放置有補償器(7)，待測元件根據測量要求而放置於恆溫筒(6)或載物臺(8)中，線偏振光通過待測元件後，依次通過檢偏器(9)，成像鏡(10)以及光電倍增管(11)，並在光電倍增管(11)中轉換為電流信號。
2.根據權利要求1所述的一種計算機輔助的高精度偏振光定位系統，其特徵在於所 述的模塊C儀器模塊具體包括光電流計、角度數顯表以及電機驅動器。
3.根據權利要求1所述的一種計算機輔助的高精度偏振光定位系統，其特徵在於所 述的模塊A上位機負責數據的存儲、顯示、處理以及對系統進行控制；所述的模塊B負責模 塊A上位機與模塊C儀器及電機驅動器間的通信，將讀取模塊D偏振測量儀產生的模擬信 號轉換為數字量輸出，並利用模塊A上位機的數據信號指令對電機脈衝進行調製。
4.根據權利要求1所述的一種計算機輔助的高精度偏振光定位系統，其特徵在於所 述的起偏器(5)、檢偏器(9)以及載物臺(8)中安裝有直流電機和圓感應同步器。
5.一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法，其特徵在於該方法具體包括 步驟一、數據採集；驅動待定位元件，並開始採集數據，直到極值點在實時數據坐標圖上出現，且在極值點 兩側都有4°以上合適寬度的曲線，並在成對記錄光強I和轉動角度識，並記錄下每一組採ΔΙ樣數據相對於前一組的『，將其作為近似導數；步驟二、測定數據曲線的極值點精確位置 步驟三、利用Dixon檢驗法排除異常值，並獲得最終測試結果； 步驟四、根據檢測結果，利用計算機驅動電機將待定位的偏振元件轉動至所測定的角 度，完成一次偏振光定位。
6.根據權利要求5所述的一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法，其特徵在 於所述的步驟二的具體步驟為步驟2. 1、數據採集結束後，確定光強最值點在角度軸上的分布區域[^lin.,仏ax.]； 步驟2. 2、在區間[爐min ，^niJ的兩側遍歷各點，直到找到一對合適的對稱點，將之記作 Pal和Pal,，其中Pal和Pal,的光強相等，且在Klin.,化ax.倆側成對出現的光強等值點中，Pal ΔΙ的導數絕對值一最大； Αφ步驟2. 3、利用曲線對稱性，得到極值點的ρ方向坐標隊並將之作為第一級的極值點PAfPcM·』步驟2. 4、在區間Klin ，仏aJ的兩側遍歷各點，直到找到一對合適的對稱點，將之記作 Pbl和Pbl'，其中Pbl和Pbl'的光強相等，且在[Kin.，化ax.倆側成對出現的光強等值點中，Pbl的在ρ方向上與Pa的距離之絕對值最接近；步驟2. 5、利用曲線的對稱性，得到極值點的ρ方向坐標φ = φ"χ +2φ"ν ；步驟2.6、為減少隨機誤差，重複步驟2. 1 2.5，其重複η次的結果分別為
7.根據權利要求5所述的一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位方法，其特徵在 於所述的步驟三的具體步驟為步驟3.1、將測試結果按大小排列，使得……< 隊，計算臨界值D和D'，其中，當步驟3. 2、確定檢出水平3，在「Dixon檢驗法臨界值表」中查出對應η和3的臨界值 ν5( )。並使用「Dixon檢驗法」判定&是否異常；步驟3.3、iD>D'，且I)〉。—㈨時，判定隊為異常值；當D' >D，且zr〉^^^時。判定夠為異常值；否則，沒有異常值；步驟3. 4、可以餘下測試值繼續使用Dixon檢驗法，直到不再有異常值出現，剔除可能 存在的異常值後，對剩下的m個測試結果值求均值，抑制隨機誤差，最終得到的極值點的φ方向坐標為φ_ = φλ+….隊。mη 彡 7， D = rw =Ψη-Ψη-Χ Ψη-Ψχφη-ψ\ ，全文摘要
本發明涉及精密光學測量領域，具體公開了一種基於計算機輔助的高精度偏振光定位系統及高精度定位方法，該定位方法具體步驟為步驟1)數據採集；步驟2)測定曲線的極值點精確位置；步驟3)利用Dixon檢驗法排除異常值，並獲得最終測試結果；步驟4)根據檢測結果，利用計算機驅動電機將待定位的偏振元件轉動至所測定的角度，完成一次偏振光定位。本發明利用偏振元件光學特性曲線的特點，將偏振光定位方法轉變為偏振元件光學特性曲線極值點的定位突破了光電流計AD轉換精度的限制，並利用Dixon檢驗法剔除異常測試值，實現了更高精度的偏振光定位方式。該方法基於與計算機集成的偏振測量系統進行數據採集和分析，從而實現了快速、精確建立偏振場的實驗需求。
文檔編號G01J4/00GK101936773SQ20101027669
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月8日 優先權日2010年9月8日
發明者屈曉升, 林彥好, 王東光 申請人:北京航空航天大學