CN105258801B - 一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，包括光路系统、图像数据采集系统和图像数据处理系统，光路系统包括激光器、半波片、偏振分光棱镜、平面反射镜组、光束扩束与整形透镜组、光阑、起偏器、待测气室、检偏器；图像数据采集系统包括CCD相机和控制与连接组件；由激光器发出检测激光，经过半波片与偏振分光棱镜进行初步的偏振态调制，再通过平面反射镜系统与光束扩束整形透镜后，经过偏振分光棱镜起偏，在通过碱金属气室后，用偏振片进行检偏，检偏后的光斑信息通过CCD相机进行采集并输入图像数据处理系统进行显示和分析。本发明通过偏振光检测的方法，利用球形玻璃气室形状上的特殊性，实现了对曲面玻璃材料对偏振光质量影响的检测。

Description

一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统

技术领域

本发明涉及玻璃材料的光学质量检测的技术领域，具体涉及一种过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，可用于检测球形碱金属气室对通过光束的偏振态特性的影响。

背景技术

碱金属气室在量子科学仪器领域有着重要的用途，特别是球形碱金属气室，常作为量子仪器的中心工作元件，球形碱金属气室的光学质量因而直接影响到仪器的性能和精度指标。

球形碱金属气室的光学质量，主要指的是气室玻璃材料对通过的光束有多大的影响以及是否有瑕疵。当前的玻璃光学质量检测方法主要有光学检测方法、图像处理方法与人工检测方法等。光学检测法是基于偏振光学原理对光束经过材料后的偏振状态发生的改变进行测量的，如偏光计法可以用于测量由于应力导致的光束偏振状态发生改变；图像处理方法通常，通过不同的照明方式得到玻璃图像，后期利用图像处理的方法进行分析；人工检测方法通常不需要借助仪器设备，仅依靠人工方式筛查废品。以上这些方法通常测试的是平面玻璃的质量信息，大多对于曲面玻璃并不适用且不能测量材料的偏振影响，此外，这些方法通常对所测量的玻璃材料的形状有具体要求，对于特殊形状材料的测量并不适用，因而对曲面玻璃材料进行光学质量检测的问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于设计一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，解决的问题是：克服现有玻璃光学质量检测方法在测量曲面玻璃上的不足之处，同时测量整个气室对通过的光束的偏振态的影响，操作简单方便；采用图像形式进行采集和分析，直观性强。

本发明采用的技术方案为：一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，包括光路系统、图像数据采集系统和图像数据处理系统，其中，光路系统包括激光器、半波片、偏振分光棱镜PBS、平面反射镜组、扩束与整形透镜组、光阑、起偏器PBS、球形碱金属气室、检偏器偏振片，图像数据采集系统包括CCD相机和控制与连接组件，图像数据处理系统为计算机；光路系统由激光器发出检测用激光光束，经过半波片与偏振分光棱镜PBS的调制，形成振动方向为竖直方向的线偏光，此后入射到呈45°角放置的平面反射镜组，对光束的传播方向进行精细调整，使其保持水平，后入射扩束与整形透镜组进行扩束，使得原始激光变为直径较大的均匀光斑，此后通过光阑对光斑的直径进行调整，同时对光斑边缘进行调整，经过以上整形过程的光斑入射到起偏器PBS进行重新起偏，入射到待测球形玻璃气室采集玻璃材料的缺陷与偏振影响信息，出射光携带信息经过检偏器偏振片的过滤后输入CCD相机，CCD相机将采集到的图像信息经过控制与连接组件传递给计算机终端，并最终利用计算机进行图像的显示、分析和结果的输出。

进一步的，所述的光路系统经过大量的整形与调制器件将光束调制为具有一定直径的均匀线偏光，振动方向为垂直方向，起偏器与检偏器处于相互消光的位置上，将球形碱金属气室安装在光路系统中后，气室对线偏光的影响将会体现在通过检偏器后出射到CCD相机的光强上，光斑的明暗程度将会提供通过气室后光束的偏振质量信息和气室对偏振光的影响情况的信息。

进一步的，所述的图像信息采集系统在取得图像信息后将图像转化为数字信息显示在计算机上，由计算机进行后续的分析和处理，分析处理过程为图像数据与理论数据结合的处理方式，具体为首先通过图像处理方式找到光斑的中心，根据理论计算与中心点位置，即可对应到所有像素点位置所对应的实际气室入射点，再用图像像素点采集的强度信息对应理论计算强度进行求比，计算出所有像素点的光强比值，像素点的比值在数值上的差异即反应了气室对偏振光束的偏振状态的影响情况，差异大则认为气室影响较大，质量较差，比值差异的大小用方差计算来衡量。

本发明的原理在于：所述的光路系统通过半波片、偏振分光棱镜、平面镜组、透镜组等对光束进行了调制，半波片与偏振分光棱镜使激光器出射的激光光束调制为有一定直径的均匀的偏振光束，偏振方向为垂直方向，检偏器偏振片方向调节为水平方向，放入气室后，由于气室连续变化的特殊形状及可能存在缺陷，对入射的偏振光进行调制，因而经过检偏器后不能完全消光，会呈现出经过影响的图像，根据对CCD采集到的图像，结合理论公式计算和分析即可得到球形玻璃气室的光学质量信息。

本发明和现有技术相比的优势在于：

(1)、本发明对球形碱金属气室的光学质量进行检测，弥补了目前玻璃质量检测方法中只侧重测试平面玻璃的缺陷，为测量其他种类的曲面玻璃材料的光学质量提供了方法。

(2)、本发明所选择的检测光源为线偏光，使得测量得到的图像不仅能够分析出气室的缺陷，同时能够分析玻璃气室对线偏光的影响，因而可以提供玻璃气室对仪器精度等参数的影响大小。

(3)、本发明在结果处理上采用全计算机处理的方式，排除了人为因素对质量检测的主观影响，为系统的检测玻璃气室质量和统一的检测标准提供了可能。

附图说明

图1为本发明的一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统整体结构组成框图，其中，1为光路系统，2为图像数据采集系统，3为图像数据处理系统；

图2为本发明的几何原理光路图；

图3为本发明的图像计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明为一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，其结构包括光路系统1、图像数据采集系统2和图像数据处理系统3，其中，光路系统1包括激光器11、半波片12、偏振分光棱镜PBS 13、平面反射镜组14、扩束与整形透镜组15、光阑16、起偏器PBS 17、球形碱金属气室18、检偏器偏振片19，图像数据采集系统2主要包括CCD相机21和控制与连接组件22，图像数据处理系统3为计算机；检测系统由激光器11发出检测用激光光束，经过半波片12与偏振分光棱镜PBS 13的调制，形成振动方向为竖直方向的线偏光，此后入射到呈45°放置的平面反射镜组14，对光束的传播方向进行精细调整，使其成为水平光束，后入射扩束与整形透镜组15进行扩束，使得原始激光变为直径较大的均匀光斑，用于偏振测量，此后通过光阑16对光斑的直径进行调整，同时对光斑边缘进行调整，经过以上整形过程的光束入射到起偏器PBS 17进行重新起偏，入射到球形碱金属气室18采集玻璃材料的缺陷与偏振影响信息，出射光携带信息经过检偏器偏振片19的过滤后输入CCD相机21，CCD相机21将采集到的图像信息经过控制与连接组件22传递给图像数据处理系统3即计算机终端，并最终利用计算机进行图像的显示、分析和结果的输出。

如图2所示，为本发明的几何原理光路图，本发明的原理在于利用两次折射过程中玻璃介质对不同方向振动的偏振光的透过率不同来检测球形玻璃气室对偏振光束的影响情况，进而了解气室的质量状况。首先计算光束的几何光学路径，如图2所示，为光束经过两次折射的示意图，对碱金属气室的一侧玻璃球面根据几何光学即可计算出任意不同离轴位置的入射光的几何光学路径情况，设-u”为出射光束偏转角，则有如下结果：

-u”＝θ₂'-θ₂+θ₁'-θ₁

其中， θ₁为入射光折射的入射角，θ₁'为一次折射的出射角，θ₂为二次折射的入射角，θ₂'为二次折射的出射角，n为球形碱金属气室18外气体对固定频率光束的折射率，n'为气室玻璃材料对固定频率光束的折射率，n”为气室内气体对固定频率光束的折射率，h为测量点的离轴高度，r为球形气室外径，r'为球形气室内径。根据以上几何光学路径的计算结果，结合实际测量中CCD相机采集镜头相对气室的位置参数，即可进一步计算得到对应点在图像上的位置。对应点的偏振光透过率计算方式如下，根据以上几何路径计算结果并进一步结合菲涅尔公式，得到光束不同振动方向的偏振分量的透射率，结果如下：

其中，τ_s为水平偏振方向的偏振光的透射率，τ_p为垂直偏振方向的偏振光的透射率，即对不同偏振方向上偏振光的透射是不同的，光束通过气室后，不同的透射率使得两偏振方向上的光束分量的合成光束与未通过气室前的光束有一定的区别，体现在和合成的光束在振动方向上与原始光束相比有一定的转动，因而通过检偏器偏振片19后会得到一定的图像，通过图像不同位置的光强信息，即可了解球形碱金属气室对偏振光质量产生影响的信息。

如图3所示，为本发明的图像计算方法示意图，显示了计算机数据处理的原理，将某入射点与的投影位置与球心连线，得到的角度即为α，对位于此位置的入射点来讲，线偏光分为两个方向上的分量，p分量与s分量，设I为原始光强，则两分量光强分别对应如下公式：

I_p＝I·cos²α，I_s＝I·sin²α

如此区分开两个方向上的光束后，即可通过透射率等参数计算出该点最终入射到CCD上的光强值，有：

I_t＝I_p·sin²α·τ_p-I_s·cos²α·τ_s

即，最终有I_t＝I·sin²α·cos²α·(τ_p-τ_s)，对应于每一个入射点，其中的α、τ_p、τ_s均为已知量，故可以算出每一点的理论值。另外，I在计算中相当于一个参数，求取方差时没有影响，故不需要知道其具体数值。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，其特征在于：包括光路系统(1)、图像数据采集系统(2)和图像数据处理系统(3)，其中，光路系统(1)包括激光器(11)、半波片(12)、偏振分光棱镜(13)、平面反射镜组(14)、扩束与整形透镜组(15)、光阑(16)、起偏器(17)、球形碱金属气室(18)和检偏器偏振片(19)；图像数据采集系统(2)包括CCD相机(21)和控制与连接组件(22)；图像数据处理系统(3)为计算机；该检测系统由激光器(11)发出检测用激光光束，经过半波片(12)与偏振分光棱镜(13)的调制，形成振动方向为竖直方向的线偏光，此后入射到平面反射镜组(14)，对光束的传播方向进行精细调整后入射扩束与整形透镜组(15)进行扩束，使得原始激光变为直径较大的均匀光斑，用于偏振测量，此后通过光阑(16)对光斑的直径进行调整，同时对光斑边缘进行调整，经过以上整形过程的光斑入射到起偏器(17)进行重新起偏，入射到球形碱金属气室(18)采集玻璃材料的缺陷与偏振影响信息，出射光携带信息经过检偏器偏振片(19)的过滤后输入CCD相机(21)，CCD相机(21)将采集到的图像信息经过控制与连接组件(22)传递给图像数据处理系统(2)即计算机，并最终利用计算机进行图像的显示、分析和结果的输出；

所述的光路系统(1)采用二维全空间偏振态调制方式对球形碱金属气室(18)进行测量，即同时测量全部透光点位置的偏振光束受到影响的状况；使用球形碱金属气室(18)作为中心元器件的测量仪器主要关注入射到气室中的光束的偏振状态，重点检测经过一侧玻璃球面光束受到的影响；根据几何光学可以计算出不同离轴位置的入射光的几何光学出射情况，设-u”为出射光束偏转角，则有如下结果：

-u”＝θ₂'-θ₂+θ₁'-θ₁

其中， θ₁为入射光折射的入射角，θ₁'为一次折射的出射角，θ₂为二次折射的入射角，θ₂'为二次折射的出射角，n为球形碱金属气室(18)外气体对固定频率光束的折射率，n'为气室玻璃材料对固定频率光束的折射率，n”为气室内气体对固定频率光束的折射率，h为测量点的离轴高度，r为球形碱金属气室外径，r'为球形碱金属气室内径；根据几何光学路径的计算结果，结合实际测量中CCD相机采集镜头的位置参数，即可进一步计算得到对应点在图像上的位置；进一步结合菲涅尔公式，计算出光束不同振动方向的偏振分量的透射率，即光束偏振状态受到的偏振，结果如下：

${\mathrm{\τ}}_s=\frac{n^{\′\′}{{\mathrm{cos\θ}}_2}^{\′}}{{\mathrm{ncos\θ}}_1}\·\frac{16{\sin }^2{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1{\sin }^2{{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}){\sin }^2({\mathrm{\θ}}_2+{{\mathrm{\θ}}_2}^{\′})}$

${\mathrm{\τ}}_p=\frac{n^{\′\′}{{\mathrm{cos\θ}}_2}^{\′}}{n{\mathrm{cos\θ}}_1}\·\frac{16{\sin }^2{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1{\sin }^2{{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}){\cos }^2({\mathrm{\θ}}_1-{{\mathrm{\θ}}_1}^{\′}){\sin }^2({\mathrm{\θ}}_2+{{\mathrm{\θ}}_2}^{\′}){\cos }^2({\mathrm{\θ}}_2-{{\mathrm{\θ}}_2}^{\′})}$

其中，τ_s为水平偏振方向的偏振光的透射率，τ_p为垂直偏振方向的偏振光的透射率，即对不同偏振方向上偏振光的透射率是不同的，光束通过气室后，不同的透射率使得两偏振方向上的光束分量的合成光束与未通过气室前的光束有一定的区别，体现在和合成的光束在振动方向上与原始光束相比有一定的转动，因而通过检偏器偏振片(19)后会得到一定的图像，通过图像不同位置的光强信息，即可了解球形碱金属气室对偏振光质量产生影响的信息。

2.根据权利要求1所述的一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，其特征在于：所述的光路系统(1)的偏振测量方法只测量入射光束经过球形碱金属气室(18)后的偏振发生改变的部分，具体操作在于经过起偏器(17)后的检测光束的偏振方向是垂直方向上的，同时检偏器偏振片(19)的透光方向是水平方向，在没有安装气室时是完全消光的，当受到球形碱金属气室(18)影响的光束入射到检偏器偏振片上时，垂直方向的光束光强信息被滤掉，水平方向振动的光束光强通过并呈现在CCD相机(21)上，即为气室对光束偏振的影响，这些信息转换为电信号传递到计算机上显示并进行进一步处理。

3.根据权利要求1所述的一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，其特征在于：所述的图像数据采集系统(2)和图像数据处理系统(3)所使用的后期图像数据处理方法是进行相对强度的计算，同时根据理论计算对比结果给出材料对偏振光束影响的信息；CCD相机(21)采集的图像只有相对光强信息不包括实际光强信息且玻璃材料对光强的吸收难以衡量，在对经过气室部分的像素点对应的数据与理论计算数值相比后可得到相应的光强比值数值，由于入射光光强均匀，像素点得出的比值在数值上的差异即反应了气室对偏振光束的偏振状态的影响情况，根据实验需求随机选取部分测量点，计算这些点的比值的方差，超过一定阈值即可判定气室质量较差，对光束影响较大；实际操作中，应根据使用气室的不同仪器的精度要求选择衡量标准；同时，在通过CCD相机拍摄的实验图像中，出现明显的图像明暗变化即可判定为瑕疵点，此类缺陷可通过观察图像直接判断。