CN107167244A - 基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域，本发明利用衍射相位共路结构生成汇合的参考光和物光，再经过偏振分光棱镜分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并被采集全息图计算机中；分别采集+45°和‑45°线偏振光入射时的全息图，通过计算机获得斯托克斯矩阵参量和琼斯矩阵参量。本发明在保证抗干扰能力的同时，不需要二维光栅、复杂空间滤波器阵列等特殊光学元件，方法简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域。
背景技术
偏振态是描述光波波前特征的重要参量之一，可用斯托克斯矩阵参量、琼斯矩阵参量等表征，对其测量在生物光子学、非线性光学、化学和矿物质学等领域具有重要的科学意义和应用价值。但传统的偏振态测量装置只能提供待测波前传播方向上固定位置处的偏振信息，且由于不具备二维采样特性，需频繁调整光路和多次曝光来实现偏振态参量的测量。为了提高偏振态参量参量的测量效率，国内外学者作了很多有益尝试，其中，数字全息由于采用干涉方法记录待测波前的振幅和相位信息，并通过数字方法完成重构，为光束的偏振态参量全场快速测量提供了可能，从而引起广泛关注。
美国伊利诺伊大学香槟分校的Gabriel Popescu等(Zhuo Wang,Larry J.Millet,Martha U.Gillette,and Gabriel Popescu,"Jones phase microscopy of transparentand anisotropic samples,"Opt.Lett.33,1270-1272(2008))利用离轴数字全息实现了琼斯矩阵测量，但该技术需要四次曝光采集才能实现琼斯矩阵参量测量，测量速度受限；同时因为采用分离光路结构，抗干扰能力差。
韩国的YongKeun Park等(Youngchan Kim,Joonwoo Jeong,Jaeduck Jang,MahnWon Kim,and YongKeun Park,"Polarization holographic microscopy for extractingspatio-temporally resolved Jones matrix,"Opt.Express 20,9948-9955(2012))等利用共路数字全息生成载频正交的全息图，进而通过两次曝光采集实现了琼斯矩阵参量测量，在提高抗干扰能力的同时，提高了测量效率。但是该方法需要二维光栅和孔阵列匹配，并辅以偏振正交的两块偏振片，不仅结构复杂，而且调整困难。
专利CN 104198040 B“一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置”利用双二维光栅分光技术，结合频谱复用技术，通过一次曝光可实现琼斯矩阵参量测量，但该装置不仅进一步增加了系统复杂度，而且光利用率，同时因为采用采用分离光路结构，抗干扰能力差。
南京师范大学的袁操今等(马骏，袁操今，冯少彤，聂守平，“基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法”，物理学报.22,224204(2013))利用偏振和角分复用技术，通过一次曝光可实现斯托克斯矩阵参量和琼斯矢量测量，但是因为采用采用分离光路结构，抗干扰能力差；同时受结构限制，偏振态正交的频谱在频谱空间分离有限，进而造成串扰，影响偏振态参量的测量精度。
为提高系统抗干扰能力，简化系统结构，本发明的发明人曾提出基于光栅离焦的衍射相位共路数字全息显微技术，如专利CN105423911A“一种基于光栅离焦的共路数字全息显微装置与方法”，在共路结构基础上，将光栅离焦分光技术和孔阵列滤波技术相结合，通过一次曝光获得载波全息图，不仅保证系统干扰能力和检测的实时性，而且方法简单易行，调整方便，但这些技术主要适用于三维形貌测量领域，而将该技术直接用于偏振态参量的报道，迄今为止尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足之处，将偏振分光调制技术、频谱正交复用技术和衍射相位技术相结合，提供一种结构简单，系统稳定的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量测量装置，且还提供一种满足和适用上述方法的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量测量方法。
本发明的目的是这样实现的：基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，包括光源、偏振态调制系统、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、第二透镜、图像传感器和计算机，其特征在于：该装置还设有偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一角反射镜、第二四分之一波片和第二角反射镜，光源发射光束的光波长为λ，光源发射的光束经偏振态调制系统调制成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜；经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，偏振态正交的两束光分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距都为f2；一维周期光栅的周期为d，位于第一透镜的后焦面f1-Δf处并且位于第二透镜的前焦f2+Δf处，其中Δf为离焦量；孔阵列上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f2λ/D，D为图像传感器的视场宽度；图像传感器位于第二透镜的后焦面上。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.偏振态调制系统由旋转线偏振片或线偏振片与1/4波片组合实现。
2.第一角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θb角；或第一角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θb角。
3.基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量方法，包括所述的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，步骤如下：
(1)打开光源，射出波长为λ的光束经偏振态调制系统调制后形成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；
(2)测量Stokes矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，采集获得一幅载频正交全息图I，计算待测物体的复振幅分布可得：
Ai(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fi}}
其中：i＝x、y，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；
则Stokes参量矩阵为：
其中：为待测波面水平方向和垂直方向的相位差；
(3)测量Jones矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，第一次曝光采集获得第一幅载频正交全息图I1；再次调整偏振态调制系统，使输入光束形成-45°或+45°线偏振光，第二次曝光采集获得第二幅载频正交全息图I2；
计算待测物体的复振幅分布得到：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中：n＝1、2，i＝x、y，Fni表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作；
则待测物体的Jones矩阵参量为“
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量方法有以下特点和有益效果：
1.在衍射相位共路数字全息结构基础上，引入偏振分光调制技术和频谱复用技术，形成载频正交的全息图，并可利用同一装置完成Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量测量，在保证抗干扰能力的同时，不需要二维光栅、复杂空间滤波器阵列等特殊光学元件，方法简单易行，这是区别于现有技术的创新点之一；
2.通过偏振分光调制技术将一束45°线偏振光物光分成偏振态正交的两束物光，只需利用双角反射镜放置不同姿态即可在两束物光中引入正交载频，不仅方便灵活，而且可最大限度的避免频谱间串扰，这是区别于现有技术的创新点之二。
本发明的装置有如下显著特点：
1.本发明装置结构简单，成本低，不需二维光栅、复杂空间滤波器阵列等特殊光学元件；
2.本发明装置采用衍射相位共路数字全息结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。
附图说明
图1为基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置示意图；
图2为孔阵列示意图。
图3为光栅正焦式数字全息偏振态参量测量装置示意图；
图中：1光源，2偏振态调制系统，3准直扩束系统，4待测物体，5第一透镜，6一维周期光栅，7孔阵列，8第二透镜，9偏振分光棱镜，10第一四分之一波片，11第一角反射镜，12第二四分之一波片，13第二角反射镜，14图像传感器，15计算机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1所示的为一种基于衍射相位的共路数字全息的偏振态参量测量装置，包括光源、偏振态调制系统、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、第二透镜、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一角反射镜、第二四分之一波片、第二角反射镜、图像传感器和计算机，其中λ为光源发射光束的光波长，
按照光的路径描述，光源发射的光束经偏振态调制系统调制成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜；经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距都为f2；一维周期光栅的周期为d，位于第一透镜的后焦f1-Δf处并且位于第二透镜的前焦f2+Δf处，其中Δf为离焦量；孔阵列上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f2λ/D，D为图像传感器的视场宽度；图像传感器位于第二透镜的后焦面上。
偏振态调制系统可由旋转线偏振片或线偏振片与1/4波片组合实现。
一维周期光栅也可放置于第一透镜的前焦面上。
第一角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θb角，或第一角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θb角。
基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量方法，包括如下步骤：
(1)调整整个光学系统，打开光源，射出波长为λ的光束经偏振态调制系统调制后形成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；
(2)测量Stokes矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°(或-45°)线偏振光，采集获得一幅载频正交全息图I，计算待测物体的复振幅分布可得
Ai(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fi}}
其中，i＝x、y，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作。
从而可得Stokes参量矩阵为
其中，为待测波面水平方向和垂直方向的相位差。
(3)测量Jones矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°(或-45°)线偏振光，第一次曝光采集获得第一幅载频正交全息图I1；再次调整偏振态调制系统，使输入光束形成-45°(或+45°)线偏振光，第二次曝光采集获得第二幅载频正交全息图I2；
计算待测物体的复振幅分布可得
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中，n＝1、2，i＝x、y，Fni表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作。
从而可得待测物体的Jones矩阵参量为
下面结合图1至图3对本发明的实施实例作详细说明。
本发明的装置包括：光源1、偏振态调制结构2、准直扩束系统3、待测物体4、第一透镜5、一维周期光栅6、孔阵列7、第二透镜8、偏振分光棱镜9、第一四分之一波片10、第一角反射镜11、第二四分之一波片12、第二角反射镜13、图像传感器14、计算机15，其中光源1为波长632.8nm激光器；待测物体4位于第一透镜5的前焦面上；第一透镜5和第二透镜8的焦距均为200mm；光栅周期d＝50μm，离焦量Δf＝150mm；孔阵列大孔A和针孔B的中心间距为1.9mm，针孔B的直径为20μm；图像传感器14位于第二透镜8的共轭后焦平面上。该装置光的运行路径为：光源1发射的光束经偏振态调制系统2调制成线偏振光，依次经过准直扩束系统3、待测物体4、第一透镜5、一维周期光栅6和孔阵列7形成参考光和物光射向第二透镜8；经第二透镜8透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜9后分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片10和第一角反射镜11以及第二四分之一波片12和第二角反射镜13并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜9的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；
测量Stokes矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°线偏振光，采集获得一幅载频正交全息图I，计算待测物体的复振幅分布可得
Ai(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fi}}
其中，i＝x、y，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作。从而可得Stokes参量矩阵为
其中，为待测波面水平方向和垂直方向的相位差。
测量琼斯矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°线偏振光，第一次曝光采集获得第一幅载频正交全息图I1；再次调整偏振态调制系统，使输入光束形成-45°线偏振光，第二次曝光采集获得第二幅载频正交全息图I2；
计算待测物体的复振幅分布可得
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中，n＝1、2，i＝x、y，Fni表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作。
从而可得待测物体的琼斯矩阵参量为
本发明装置结构简单，成本低，采用衍射相位构成共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好。
综上，本发明提供一种基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域，本发明利用衍射相位共路结构生成汇合的参考光和物光，再经过偏振分光棱镜分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并被采集全息图计算机中；分别采集+45°和-45°线偏振光入射时的全息图，通过计算机获得斯托克斯矩阵参量和琼斯矩阵参量。本发明在保证抗干扰能力的同时，不需要二维光栅、复杂空间滤波器阵列等特殊光学元件，方法简单易行。
Claims (4)
1.基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，包括光源、偏振态调制系统、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅、孔阵列、第二透镜、图像传感器和计算机，其特征在于：该装置还设有偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一角反射镜、第二四分之一波片和第二角反射镜，光源发射光束的光波长为λ，光源发射的光束经偏振态调制系统调制成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜；经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，偏振态正交的两束光分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束由图像传感器的光接收面接收，图像传感器的图像信号输出端连接计算机的图像信号输入端；所述的第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距都为f2；一维周期光栅的周期为d，位于第一透镜的后焦面f1-Δf处并且位于第二透镜的前焦f2+Δf处，其中Δf为离焦量；孔阵列上含有中心间距为Δfλ/d的大孔A和针孔B，位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，其中针孔B的直径为≤1.22f2λ/D，D为图像传感器的视场宽度；图像传感器位于第二透镜的后焦面上。
2.根据权利要求1所述的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，其特征在于：偏振态调制系统由旋转线偏振片或线偏振片与1/4波片组合实现。
3.根据权利要求1所述的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，其特征在于：第一角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θb角；或第一角反射镜调整光束在垂直方向与光轴成θa角，第二角反射镜调整光束在水平方向与光轴成θb角。
4.基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量方法，其特征在于：包括权利要求1或2或3所述的基于衍射相位共路数字全息的偏振态参量测量装置，步骤如下：
(1)打开光源，射出波长为λ的光束经偏振态调制系统调制后形成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜、一维周期光栅和孔阵列形成参考光和物光射向第二透镜，经第二透镜透射后的汇合光束经过偏振分光棱镜后分成偏振态正交的两束光，分别经过第一四分之一波片和第一角反射镜以及第二四分之一波片和第二角反射镜并被反射；再次汇合于偏振分光棱镜的光束在图像传感器的光接收面产生干涉，形成载频方向正交的全息图，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；
(2)测量Stokes矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，采集获得一幅载频正交全息图I，计算待测物体的复振幅分布可得：
Ai(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fi}}
其中：i＝x、y，Fi表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；
则Stokes参量矩阵为：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
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其中：为待测波面水平方向和垂直方向的相位差；
(3)测量Jones矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，第一次曝光采集获得第一幅载频正交全息图I1；再次调整偏振态调制系统，使输入光束形成-45°或+45°线偏振光，第二次曝光采集获得第二幅载频正交全息图I2；
计算待测物体的复振幅分布得到：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中：n＝1、2，i＝x、y，Fni表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C{}表示频谱置中操作；
则待测物体的Jones矩阵参量为“
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