CN107228712B - 一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域。本发明包括光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、光阑、偏振片组、图像传感器和计算机。入射光被线偏振调制后依次经过准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后产生0级和±1级衍射光束，再经光阑和偏振片后，在图像传感器平面上产生干涉；分别曝光采集+45°和‑45°线偏振光入射时的全息图，通过计算机获得Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量。本发明装置无需二维光栅、空间滤波器阵列等特殊光学元件，结构简单，调整方便，且抗干扰能力强。

Description

一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于双窗口共路干涉成像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Stokes矩阵参量、Jones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，干涉成像技术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))利用离轴干涉成像技术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))等利用共路干涉成像技术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Stokes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系列双窗口共光路干涉装置与方法，如专利CN 102954842 B“基于同步载频移相的共光路干涉检测装置与方法”，在双窗口共光路干涉结构基础上，引入离焦光栅分光技术和偏振调制技术，通过一次曝光采集获得两幅相移干涉图，并通过差动相减方法消除零频分量，在保证系统实时性基础上，优化了相机带宽利用率，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，提供一种结构简单、系统稳定的基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置，本发明的目的还在于还提供一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量方法。

本发明的目的是这样实现的：包括波长为λ的光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、光阑、偏振片组、图像传感器和计算机，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、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束由光阑整形，再经偏振片组调制后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；所述偏振态调制系统为旋转线偏振片且其按透光轴与水平方向成+45°进行放置或按透光轴与水平方向成-45°进行放置；以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；一维周期光栅周期为d，位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d＝2λf/D；偏振片组为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.偏振态调制系统由线偏振片与1/4波片组合实现。

2.基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量方法，包括所述的基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置，步骤如下：

(1)打开光源，使光源发射的光束经偏振态调制系统调制形成线偏振光束，该光束依次经过准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生0级和±1级衍射光束，再经光阑整形和偏振片组滤波调制后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样；

(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，通过一次曝光采集获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_x和I_y，

得到待测物体的复振幅分布为：

A_i(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_i}}

其中：i＝x、y，F_i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含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_1x和I_1y；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，第二次曝光采集再次获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_2x和I_2y，

得到待测物体的复振幅分布：

A_ni(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_ni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，F_ni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：

本发明的基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量方法有以下特点和有益效果：

1.利用双窗口共路干涉干涉成像技术同步生成两幅含有x和y方向偏振信息得干涉图，进而利用同一装置完成Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量测量，在保证抗干扰能力的同时，方法简单易行，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.利用光栅离焦分光技术与线偏振调制技术相配合，使系统只需一维光栅和线偏振片，而不需二维光栅、空间滤波器阵列等特殊光学元件，在降低系统构建难度和成本的同时，可提高测量精度，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，通过简单的计算使得矩形窗口和光栅周期相匹配，在光学测量过程中系统定位复杂度要求低，且调整方便；

2.本发明装置采用双窗口共光路结构，系统抗干扰能力强，稳定性好；

3.本发明装置中避免使用二维光栅，不仅降低了成本，更使得光路更简单。

附图说明

图1为基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置结构示意图；

图2为本发明的偏振片组示意图。

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矩形窗口，6第一透镜，7一维周期光栅，8第二透镜，9光阑，10偏振片组，11图像传感器，12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所示为一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置结构示意图，包括波长为λ的光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、光阑、偏振片组、图像传感器和计算机。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、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束由光阑整形，再经偏振片组调制后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；所述的偏振态调制系统为旋转线偏振片，其按透光轴与水平方向成+45°进行放置，或按透光轴与水平方向成-45°进行放置；以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；一维周期光栅周期为d，位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d＝2λf/D；偏振片组为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列。

偏振态调制系统也可由线偏振片与1/4波片组合实现。

基于双窗口共路干涉成像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，使光源发射的光束经偏振态调制系统调制形成线偏振光束，该光束依次经过准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生0级和±1级衍射光束，再经光阑整形和偏振片组滤波调制后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样；

(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，通过一次曝光采集获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_x和I_y。

计算待测物体的复振幅分布可得

A_i(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_i}}

其中，i＝x、y，F_i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含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_1x和I_1y；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，第二次曝光采集再次获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_2x和I_2y；

计算待测物体的复振幅分布可得

A_ni(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_ni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，F_ni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和图2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、偏振态调制系统2、准直扩束系统3、待测物体4、矩形窗口5、第一透镜6、一维周期光栅7、第二透镜8、光阑9、偏振片组10、图像传感器11，计算机12，其中光源1为波长632.8nm激光器；待测物体4放置于矩形窗口5内，位于第一透镜5的前焦面上；第一透镜6和第二透镜8的焦距均为f＝200mm；一维周期光栅周期为d，位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；图像传感器11位于第二透镜8的后焦面上。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、矩形窗口5、第一透镜6、一维周期光栅7后入射至第二透镜8产生0级和±1级衍射光束，经第二透镜透8透射后的衍射光束由光阑9整形，再经偏振片组10调制后在图像传感器11的光接收面产生干涉，并被图像传感器11采集到计算12中，计算机12将获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样。

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，通过一次曝光采集获得一副干涉图，通过分割后获得两幅含有正交偏振态的全息图I_x和I_y，其中，A_x和A_y是偏振态正交的两束物光的复振幅分布；K是光栅离焦引入的载波的频率；R为参考光的复振幅分布。

计算待测物体的复振幅分布可得

A_i(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_i}}

其中，i＝x、y，F_i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全息图I₁含有两幅干涉图样I_1x和I_1y；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全息图I₂含有两幅干涉图样I_2x和I_2y；

计算待测物体的复振幅分布可得

A_ni(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_ni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，F_ni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

此实施实例具有非常好的稳定性，需要两次测量采集四幅全息图便可计算琼斯矩阵，在保证抗干扰能力的同时，方法简单易行，不需要二维光栅、空间滤波器阵列等特殊光学元件，系统的复杂度进一步降低了。

综上，本发明提供了基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域。本发明包括光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、光阑、偏振片组、图像传感器和计算机。入射光被线偏振调制后依次经过准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜后产生0级和±1级衍射光束，再经光阑和偏振片后，在图像传感器平面上产生干涉；分别曝光采集+45°和-45°线偏振光入射时的全息图，通过计算机获得Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量。本发明装置无需二维光栅、空间滤波器阵列等特殊光学元件，结构简单，调整方便，且抗干扰能力强。

Claims (1)

1.一种基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置的偏振态参量测量方法，其特征在于：基于双窗口共路干涉成像的偏振态参量测量装置包括波长为λ的光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅、第二透镜、光阑、偏振片组、图像传感器和计算机，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、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅后入射至第二透镜，经第二透镜透射后的衍射光束由光阑整形，再经偏振片组调制后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；所述偏振态调制系统为旋转线偏振片且其按透光轴与水平方向成+45°进行放置或按透光轴与水平方向成-45°进行放置；以光轴的方向为z轴方向建立xyz坐标轴，所述矩形窗口沿垂直于光轴的方向设置，并且沿x轴方向均分为两个小窗口；一维周期光栅周期为d，位于第一透镜的后焦f-△f处并且位于第二透镜的前焦f+△f处，其中△f为离焦量，△f大于0并且小于f；一维周期光栅的周期d与矩形窗口沿x轴方向的宽度D之间满足关系：d＝2λf/D；偏振片组为偏振方向分别成0°角和90°角的两片偏振片组成的2×1阵列，偏振态调制系统由旋转线偏振片与1/4波片组合实现，步骤如下：

(1)打开光源，使光源发射的光束经偏振态调制系统调制形成线偏振光束，该光束依次经过准直扩束系统、待测物体、矩形窗口、第一透镜、一维周期光栅和第二透镜产生0级和±1级衍射光束，再经光阑整形和偏振片组滤波调制后，在图像传感器平面上产生干涉，将计算机采集获得的干涉图样根据矩形窗口的小窗口的尺寸分割获得两幅干涉图样；

(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，通过一次曝光采集获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_x和I_y，

得到待测物体的复振幅分布为：

A_i(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_i}}

其中：i＝x、y，F_i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含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_1x和I_1y；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，第二次曝光采集再次获得含有偏振正交的两幅子全息图的图样，通过分割后获得I_2x和I_2y，

得到待测物体的复振幅分布：

A_ni(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_ni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，F_ni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：