CN105593652A - 用于调制光束的偏振状态的装置的相移的漂移的补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析和/或产生目标物体的测量点的偏振状态的装置；所述装置包括：偏振器，其适合于在入射光波中选择在预定义方向上经线性偏振的光束；第一双折射元件，其适合于使所述光束穿过；第二双折射元件，其相同于所述第一元件且适合于使所述光束穿过，所述光束接着被直接或间接朝向所述物体引导以便呈反射束的形式而反射。另外，由一个或多个光学元件组成的光学组合件位于处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径中，所述光学组合件由以下各项组成：奇数数目的镜，或，奇数数目的二分之一波板，或，奇数数目的镜与二分之一波板的混合。

Description

用于调制光束的偏振状态的装置的相移的漂移的补偿装置

技术领域

本发明大体上涉及用于分析和/或产生目标物体的测量点的偏振状态的装置。

更特定来说，本发明涉及应用于医学领域的分析和/或产生。

背景技术

在现有领域中，用于分析和/或产生目标物体的测量点的偏振状态的装置是已经知道的，所述装置包括：

-偏振器，其适合于从入射光波选择在预定义方向上经直线偏振的光束，

-第一双折射元件，其适合于由所述光束穿过，

-第二双折射元件，其相同于所述第一元件且适合于由所述光束穿过，所述光束接着既定被直接或间接朝向所述物体引导以呈反射辐射的形式而反射。

适合于由光束穿过的所述第一和第二双折射元件对它们的环境的条件敏感。作为实例，所述第一和第二元件可对温度敏感，这使得在每次使用分析和/或产生装置时需要进行重复的校准程序。这些校准程序的目的是校正所述第一和第二双折射元件中的一者的温度漂移的影响。

更一般来说，由于所述第一和第二元件对环境条件敏感，因此在所述第一与第二双折射元件之间可发生相位漂移，这接着需要实行耗时的校准程序以便补偿此漂移。

发明内容

在此上下文中，此处带来的问题是提出一种用于分析和/或产生偏振状态的装置，其减少投入于此装置的校准的时间。

本发明提出的解决方案是使由一个或多个光学元件组成的光学组合件位于处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

在本发明的一个实施例中，所述第一元件和/或所述第二元件是：

-旋转移动双折射板，或

-向列液晶元件。

在本发明的另一实施例中，所述装置进一步包括适合于发射光束的光源，所述光源适合于在所述偏振器的上游发射光束。

在本发明的另一实施例中：

-所述第一元件包括在正交于所述预定义方向的第一平面中延伸的第一面，所述镜在相对于所述第一平面正割20°与80°之间的角度α的第二平面中延伸，

-所述第二元件包括在正交于所述预定义方向的第三平面中延伸的第三面，所述第二平面和所述第三平面正割角度α'的角度，α'的值等于α。

在一个实施例中，所述光学组合件包括偶数数目的多个双折射元件。

根据一个实施例，所述装置进一步包括适合于将所述反射束转换为电信号的光敏传感器。

根据本发明的第二目的，另一目标是一种用于产生目标物体的测量点的偏振状态的方法，其包括以下步骤：

-从入射光波选择在预定义方向上经直线偏振的入射束，

-以所述入射束接连穿过第一双折射元件接着第二双折射元件，

-在所述第二双折射元件的上游直接或间接朝向所述物体引导所述束，所述物体接着发射反射束。

所述方法进一步包括由以下组成的步骤：通过包含位于所述束的处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上的由一个或多个光学元件组成的光学组合件来补偿所述第一元件和所述第二元件的相位漂移，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

根据本发明的第三目的，另一目标是一种用于分析目标物体的测量点的偏振状态的方法，其包括以下步骤：

-从所述物体发射反射束且在第二双折射元件的下游直接或间接引导所述反射束，

-以所述反射束接连穿过所述第二双折射元件接着第一双折射元件，

-将所述反射束转换为电信号。

所述方法进一步包括由以下组成的步骤：通过包含位于所述束的处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上的由一个或多个光学元件组成的光学组合件来补偿所述第一元件和所述第二元件的相位漂移，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

附图说明

其它特征和优点也将从下文参考附图以指示性且非限制性方式给出的描述中显现，附图中：

-图1示出了用于产生偏振状态的示范性装置的理论图，其中光学组合件由镜组成，

-图2示出了用于分析偏振状态的示范性装置的理论图，其中光学组合件由镜组成，

-图3示出了用于分析和/或产生偏振状态的示范性装置的理论图，其中光学组合件由二分之一波板组成，

-图4示出了用于分析和/或产生偏振状态的示范性装置的理论图，其中光学组合件由三个二分之一波板组成，

-图5示出了用于分析和/或产生偏振状态的示范性装置的理论图，其中光学组合件由三个镜组成，

-图6示出了根据现有技术的用于分析和/或产生偏振状态的示范性装置的理论图，且其中参考角定向θ、ψ₁和ψ₂，

-图7示出了用于偏振状态的完整分析和/或产生的示范性装置的理论图，所述装置使用所提出的架构两次。

具体实施方式

理论证明

参见图式，在用于分析目标物体的测量点的偏振状态的装置的情况下，通过存取源自物体的每一像素的光的斯托克斯向量(Stokesvector)来测量源自目标物体的光的偏振是可能的。这是通过使用例如旋转移动四分之一波板或向列液晶元件等双折射元件来完成，从而提供不需要机械元件且允许接近于视频速率的采集速率的优点。

在用于分析偏振状态的配置中，通过整个系统的缪勒矩阵(Muellermatrix)(构成用于分析偏振状态的装置的光学元件的缪勒矩阵的乘积)与传入的斯托克斯向量S的乘积，来描述从偏振器发源到光敏传感器的光在其穿过各种光学元件之后的偏振状态S”'。

源自入射光波的光束的偏振因此在所述光束穿过各种光学元件之后通过其缪勒矩阵的乘积来描述，且随后得到以下关系：

S”'＝M_P(θ).M_R(δ₂,ψ₂).M_R(δ₁,ψ₁).S

M_R(δ₁,ψ₁)和M_R(δ₂,ψ₂)是第一和第二双折射元件的缪勒矩阵，且M_P(θ)是偏振器的缪勒矩阵。ψ₁、ψ₂是第一和第二双折射元件的快速轴相对于水平轴的定向。θ对应于线性偏振器的定向。δ₁、δ₂是通过施加电压V1和V2获得的相移。这些相移是需要的。相位漂移添加到这些相移，且就是这些相位漂移必须被校正。

S”'常规地具有四个分量I”'、Q”'、U”'和V”'。这些分量对应于待测量的斯托克斯向量的分量，应注意，强度I”'对应于由光敏传感器测量的强度。将注意到：

(I”',Q”',U”',V”')＝(s₀,s₁,s₂,s₃)

S具有四个分量I、Q、U和V。源自物体的强度I以如下形式表达：

I(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ)＝s₀+f(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ).s₁+g(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ).s₂+h(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ).s₃

(I)

源自物体的波的斯托克斯参数可以通过选择表征用于分析偏振状态的装置的相移和定向来获得，即参数δ₁、δ₂、ψ₁、ψ₂和θ。实际上，选择定向ψ₁、ψ₂和θ以便最大化来自用于分析偏振状态的装置的强度的调制。

因此，提出的解决方案在于在第一与第二双折射元件之间定位一个光学组合件，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

如此构造后，所述光学组合件具有呈以下形式的缪勒矩阵：

$M_I=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& -1\end{array}\right)$

源自入射光波的光束的偏振在所述光束穿过进一步包括所述光学组合件的各种光学元件之后通过其缪勒矩阵的乘积来描述，随后得到以下关系：

S”'＝M_P(θ).M_R(δ₂,ψ₂).M_I.M_R(δ₁,ψ₁)S

接着适当的是选择ψ₁、ψ₂、和θ以便最大化分析装置的强度的调制。

举例来说，从关系(I)开始且通过选择定向θ＝π/2、ψ₁＝π/8和ψ₂＝3π/8，如下给定测得的强度：

I(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ)＝1/4.(2.s₀-s₁–s₂+(-s₁+s₂).cos(δ1-δ2)+√2.s₃.sin(δ1-δ2))。

在此情况下，如果温度从T₀改变到T₁，那么δ₁偏转Δ₁且δ₂偏转Δ₂。由于第一和第二双折射元件是相同的，因此可视为Δ₁＝Δ₂。

因此，如上文提到的光学组合件在处于第一元件与第二元件之间的光学路径上的布置有利地使得可能在I(δ_1,δ_2,ψ₁,ψ_2,θ)的表达式中揭示表达式(δ1-δ2)，这使得可能从此表达式消除漂移Δ₁和Δ₂，且因此消除为了确定所述漂移而设计的某些校准程序。第一元件的相位漂移(例如由于温度的变化)通过第二元件的相位漂移来补偿(δ1+Δ₁-δ2-Δ₂＝δ1-δ2)。

示范性实施例的说明

参见图1到5，这些图式示出了适合于发射入射光波的光源S，以及用于分析和/或产生目标物体的测量点的偏振状态的装置1a、1b，所述装置包括：

-偏振器2，其适合于从入射光波选择在预定义方向上经直线偏振的入射光束F_i，

-第一双折射元件3，其适合于由所述入射光束F_i以及由所述目标物体反射的反射束F_r穿过，

-第二双折射元件4，其相同于所述第一元件3且适合于由所述入射光束F_i和所述反射光束F_r穿过，所述入射光束F_i既定被直接或间接朝向所述物体引导以呈所述反射光束F_r的形式而反射，

-光敏传感器5，其适合于将所述反射光束F_r转换为电信号。

还呈现用于从由目标物体反射的反射光束F_r计算偏振信息的构件。

下文在描述中，将入射光束F_i称为在从光源到目标物体的整个路径上的“入射束F_i”以及在从目标物体到传感器5的整个路径上的“反射束F_r”。

光源S既定发射在预定义方向上经直线偏振的入射光束F_i。此光源S可例如由激光二极管或卤素灯类型的宽带光源组成。

常规上，适合于发射光束的此光源S与偏振器2相关联，在偏振器2上游。

偏振器2位于光源下游，使得偏振器2可从入射光波选择经直线偏振的光束。所述偏振器随后适合于由入射光波穿过。

由一个或多个光学元件组成的光学组合件6位于处于第一元件3与第二元件4之间的光学路径上，所述光学组合件6由以下各项组成：

-奇数数目的镜7，或，

-奇数数目的二分之一波板8，或，

-奇数组合数目的镜7或二分之一波板8。

在图1到5中，第一双折射元件3在光束的光学路径上布置于偏振器2与光学组合件6之间。第二双折射元件4布置于光学组合件6与光源S之间。

在本发明的一个实施例中，第一双折射元件3是旋转移动双折射板。优选地，所述双折射板是延迟板。第一双折射元件3也可为向列液晶元件。

在本发明的一个实施例中，第二双折射元件4是旋转移动双折射板。优选地，所述双折射板是延迟板。第二双折射元件4也可为向列液晶元件。

第一双折射元件3和第二双折射元件4均为延迟板或者均为向列液晶延迟单元。

第一双折射元件3和第二双折射元件4界定延迟单元。优选地，它们是液晶延迟单元。这第一双折射元件3和第二双折射元件4中的每一者使得可能修改入射束的偏振状态而不需要装置上的机械动作，例如旋转。斯托克斯参数的估计是更准确且更快速的。这些第一和第二双折射元件的控制变量参数是延迟δ。此延迟δ是通过使用计算机经由控制板调整的电压的有效值来控制。

在一个实施例中，光学组合件6包括偶数数目的多个双折射元件。对于每一对双折射元件，所述对的第一部件位于光学组合件的上游，具有由 $MI=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 0& 0& -1\end{array}\right)$ 给出的缪勒矩阵，且此对的第二部件位于此光学组合件6的下游，具有相同的缪勒矩阵MI。

优选地，分析装置1a和/或产生装置1b包括精确两个双折射元件3、4。两个双折射元件3、4的使用通过以下事实来证明：无论延迟δ_i的数目和值如何，偏振测量矩阵P(δ_i,ψ,θ)都不适合(I_i＝P(δ_i,ψ,θ).S)。

图1在偏振状态产生配置中示出了入射光波穿过偏振器2，所述偏振器2选择在预定义方向上经直线偏振的入射束F_i。

入射束F_i接连穿过第一双折射元件3以由光学组合件6反射，所述光学组合件6由位于处于第二元件4与第一元件3之间的光学路径上的镜7组成。入射束F_i接着穿过第二双折射元件4。

图2在偏振状态分析配置中示出了反射束接连穿过第二双折射元件4，接着由光学组合件6(由位于处于第二元件4与第一元件3之间的光学路径上的镜7组成)反射，穿过跟随有偏振器2的第一双折射元件3。随后通过光敏传感器测量所得光强度，所述光敏传感器适合于将由目标物体反射的辐射转换为电信号。

可见，由目标物体反射的束具有光学路径，所述光学路径接连穿过第二双折射元件4，然后被朝向具有缪勒矩阵MI且由镜7界定的光学组合件6引导，接着穿过跟随有偏振器2的第一双折射元件3。在光学路径的末端，光敏传感器5可将反射束F_r转换为模拟电信号。此信号可接着被放大，接着由模/数转换器数字化，且由偏振信息计算构件处理，以便分析目标物体的测量点的偏振状态。

有利地，分析装置1a和/或产生装置1b可包括单色滤光器9，以便使入射光波以预定波长为中心。

图1和2示出了其中光学组合件6由镜7组成的解决方案。第一元件3和第二元件4的相位漂移的补偿的原理因此是在光学路径上在第一双折射元件3与第二双折射元件4之间引入一个或多个光学元件，所述光学元件引入π弧度的全局相移。此π弧度的相移具有通过第二双折射元件4的相位漂移补偿第一双折射元件3的相位漂移的作用。

图3和4示出了其中光学组合件6由二分之一波板组成的解决方案。所取的光学路径不同之处在于入射束和反射束穿过二分之一波板。如图3和4中可见，偏振状态的分析和/或产生的原理是相同的，但对光学路径给出的定向是不同的。镜7的使用将影响光学组合件6的任一侧上、也就是说在输入处和在输出处的光学路径的角定向。相反，二分之一波板的使用不修改光学组合件6的任一侧上、也就是说在输入处和在输出处的光学路径的角定向。举例来说，穿过处于其使用位置的二分之一波板的束将具有来自光学组合件6的输入且在光学组合件6的输出之后的直线轨迹。

在这些条件下，当谱带较窄时，二分之一波板的使用(图3和4)适合于直线式配置，而镜7的使用(图1、2和5)尤其适合于多谱配置或宽带测量。

在图3中表示的实施例中，光学组合件6由二分之一波板组成。

在图4中表示的实施例中，光学组合件6由三个接连的二分之一波板组成。它们彼此面对。

第一与第二双折射元件之间的奇数数目的二分之一波板在此是必需的，因为目标是引入π弧度的全局相移。

根据图1和2中所示的实施例，第一元件3包括在正交于所述预定义方向的第一平面(P1)中延伸的第一面11，所述镜7在相对于第一平面(P1)偏移20°与80°之间的角度α的第二平面(P2)中延伸。第二元件4包括在正交于所述预定义方向的第三平面(P3)中延伸的第三面12，所述第二和第三平面(P2,P3)偏移角度α'，α'的值等于α。

在图5中所示的实施例中，表示用于分析和/或产生偏振状态的装置1a、1b，其中光学组合件6由三个镜7组成。更具体来说，镜7经定向以使得光束由第一镜7a、接着第二镜7b且接着第三镜7c接连反射。借助于奇数数目的镜，缪勒矩阵MI具有所需形式。若干镜7的使用使得可能改变镜7之间的角度，且使光学组合件适配于其中安装所述分析和/或产生装置的机器的外壳。

在图7中所示的实施例中，表示分析和/或产生装置1a、1b，其中使用四个双折射元件3、4、13、14。

更具体来说，在光束的光学路径上，第三双折射元件13面对第二双折射元件4。光束接着既定被直接或间接朝向第二镜17引导以反射。因此，光束(至少)第二次被反射。在由第二镜17反射的光束的光学路径上，面对第二镜17布置有第四双折射元件14。此配置保证对用于测量偏振的仪器的最佳调节。取决于装置1a、1b是既定分析目标物体的测量点的偏振状态还是产生目标物体的测量点的偏振状态，偏振器2可布置于第一双折射元件3的上游或第四双折射元件14的下游。

Claims (9)

1.一种用于分析和/或产生目标物体的测量点的偏振状态的装置，所述装置包括：

-偏振器，其适合于从入射光波选择在预定义方向上经直线偏振的光束，

-第一双折射元件，其适合于由所述光束穿过，

-第二双折射元件，其相同于所述第一元件且适合于由所述光束穿过，所述光束接着既定被直接或间接朝向所述物体引导以呈反射束的形式而反射，

所述装置特征在于由一个或多个光学元件组成的光学组合件位于处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述第一元件和/或所述第二元件是：

-旋转移动双折射板，或

-向列液晶元件。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述装置包括适合于发射光束的光源，所述光源适合于在所述偏振器的上游发射光束。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中：

-所述第一元件包括在正交于所述预定义方向的第一平面(P1)中延伸的第一面，镜在相对于所述第一平面(P1)正割20°与80°之间的角度α的第二平面(P2)中延伸，

所述第二元件包括在正交于所述预定义方向的第三平面(P3)中延伸的第三面，所述第二平面和所述第三平面正割角度α'的角度，α'的值等于α。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述光学组合件包括偶数数目的多个双折射元件。

6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中所述装置进一步包括适合于将所述反射束转换为电信号的光敏传感器。

7.一种用于产生目标物体的测量点的偏振状态的方法，其包括以下步骤：

-从入射光波选择在预定义方向上经直线偏振的入射束，

-以所述入射束接连穿过第一双折射元件接着第二双折射元件，

-在所述第二双折射元件的上游直接或间接朝向所述物体引导所述束，所述物体接着发射反射束，

其特征在于所述方法进一步包括由以下组成的步骤：通过包含位于所述束的处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上的由一个或多个光学元件组成的光学组合件来补偿所述第一元件和所述第二元件的相位漂移，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

8.一种用于分析目标物体的测量点的偏振状态的方法，其包括以下步骤：

-从所述物体发射反射束且在第二双折射元件的下游直接或间接引导所述反射束，

-以所述反射束接连穿过所述第二双折射元件接着第一双折射元件，

-将所述反射束转换为电信号，

其特征在于所述方法进一步包括由以下组成的步骤：通过包含位于所述束的处于所述第一元件与所述第二元件之间的光学路径上的由一个或多个光学元件组成的光学组合件来补偿所述第一元件和所述第二元件的相位漂移，所述光学组合件由以下各项组成：

-奇数数目的镜，或，

-奇数数目的二分之一波板，或，

-奇数组合数目的镜或二分之一波板。

9.一种医疗设备，其包括根据权利要求1到6中任一权利要求所述的分析和/或产生装置。