CN107290058B - 基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域。偏振正交的45°线偏振光分为物光光束和参考光光束；物光光束经透镜变换后，射向第四非偏振分光棱镜；参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第二双线偏振片、双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜的物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图像传感器并在图像传感器平面上产生干涉，形成两幅载频正交的全息图，经图像传感器采集到计算机并计算获得琼斯矩阵参量。本发明只需一次测量即可实现琼斯矩阵参量恢复，且无需二维光栅等特殊元件，简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法，属于属于偏振 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，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方法多只能定量 测量斯托克斯矩阵参量等偏振态信息，而无法直接测量物体的琼斯矩阵信息。但斯托克斯矩 阵参量无法描述光偏振的场信息，且只适合非相干光波叠加，而相干光波叠加则必须琼斯矩 阵形式处理。为了实现琼斯矩阵参量的测量，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；同时测量过程需精确控制输入、输出 偏振器件的转动，测量精度受限。
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，但是该方法受结构限制，偏振态正交的频谱 在频谱空间分离有限，仍存在频谱串扰影响偏振态参量的测量精度的问题；同时，为实现琼 斯矩阵参量测量，还需精确控制输入、输出偏振器件的转动，通过两次曝光完成测量。
韩国的YongKeun Park等(Youngchan Kim,Joonwoo Jeong,Jaeduck Jang,MahnWon Kim, and YongKeun Park,"Polarization holographic microscopy forextracting spatio-temporally resolved jones matrix,"Opt.Express 20,9948-9955(2012))等利用离轴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，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”利用双激光照 明技术和正交二维光栅衍射分光技术，结合频谱角分复用技术，通过一次曝光可实现琼斯矩 阵参量测量，但需要正交二维光栅衍射分光，不仅光利用率低，而且需与空间滤波孔阵列精 确对准，进一步增加了系统复杂度；同时因为采用频谱角分复用技术，频谱在频谱空间分离 有限，不可避免造成串扰，进而影响偏振态参量的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足之处，利用偏振正交双激光器输入，将偏振分光 调制技术和频谱正交复用技术相结合，提供一种结构简单、实时定量的基于偏振正交全息的 琼斯矩阵参量同步测量装置，且还提供一种满足和适用上述方法的基于偏振正交全息的琼斯 矩阵参量同步测量方法。
本发明的目的是这样实现的：包括双光源、两个第一双线偏振片、第一非偏振分光棱镜、 准直扩束系统、第二非偏振分光棱镜、反射镜、待测物体、第一透镜、第二透镜、第三非偏 振分光棱镜、两个第二双线偏振片、两个双平面反射镜、第四非偏振分光棱镜、偏振分光棱 镜、图像传感器和计算机，双光源所发射的光束分别经过对应的第一双线偏振片调制形成偏 振正交的两束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统和第二 非偏振分光棱镜分为两路：物光光路和参考光光路；在物光光路中，物光光束依次经过反射 镜、待测物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光棱镜；在参考光光路中，参考 光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，且分成的两束光分别经过对应的第二双线偏振片 和双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光 棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图 像传感器并被图像传感器接收，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； 所述的第一透镜和第二透镜构成4f系统；偏振分光棱镜的分光面与光轴方向平行放置。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述双光源为两个独立的光源。
2.第一双线偏振片为偏振正交的两线偏振片A和B，其中线偏振片A的透光轴与水平方 向成+45°，线偏振片B的透光轴与垂直方向成-45°；或线偏振片A的透光轴与水平方向成-45°， 线偏振片B的透光轴与垂直方向成+45°。
3.第二双线偏振片为偏振正交的两线偏振片C和D，其中线偏振片C的透光轴与水平方 向成+45°，线偏振片D的透光轴与垂直方向成-45°；或线偏振片C的透光轴与水平方向成-45°， 线偏振片D的透光轴与垂直方向成+45°。
4.两个双平面反射镜中的反射镜A调整参考光束在水平方向与光轴成θa角，反射镜B 调整参考光在垂直方向与光轴成θb角，或反射镜A调整参考光在垂直方向与光轴成θa角， 反射镜B调整参考光在水平方向与光轴成θb角。
5.基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量方法，其特征在于：包括基于偏振正交全 息的琼斯矩阵参量同步测量装置，步骤如下：
(1)打开光源，双光源分别发射的光束经过第一双线偏振片调制形成45°和-45°偏振正 交的两束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束和 第二非偏振分光棱镜分光形成两路：物光光路和参考光光路；在物光光光路中，物光光束依 次经过反射镜、待测物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光棱镜；在参考光光 路中，参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第二双线偏振片、双平面反 射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光棱镜；汇合 于第四非偏振分光棱镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图像传感器并 在图像传感器平面上产生干涉，调整双平面反射镜的角度，形成两幅载频正交的全息图I1和 I2，被图像传感器采集到计算机中；
(2)计算待测物体的复振幅Ani(x,y)为：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中：n＝1、2，分别表示从两幅全息图中分割获得的子全息图；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；
(3)待测量的琼斯矩阵参量为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量方法有以下特点和有益效果：
1.利用偏振正交双激光器输入，结合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，只需一次测量即可实现琼斯矩阵全部参量相关信息提取，既不需旋转任何偏转元 件，也不需二维光栅、针孔阵列等特殊元件，极大地降低系统调整难度，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两束正交的45°线偏振光物光分别分成偏振态正交的两束物 光，只需利用双反射镜放置不同姿态即可在两束物光中分别引入正交载频，不仅方便灵活， 调整简单，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。
本发明装置具有如下显著特点：
1.本发明装置结构简单，在光学测量过程中系统定位复杂度要求低，且调整方便；
2.本发明装置只需常用的线偏振片和偏振分光棱镜，而不需要二维光栅和和空间滤波孔 阵列，不仅提高了光利用率进和降低了成本，而且使得光路更加简单易行。
附图说明
图1为基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置结构示意图；
图2是本发明的两个第一双线偏振片结构示意图；
图3是本发明的两个第二双线偏振片结构示意图；
图4为使用双图像传感器实现本测量装置的结构示意图；
图5a、图5b均为采用本测量装置测量0°+90°线偏振片组的全息图；
图6a、图6b、图6c、图6d分别为本测量装置测量0°+90°线偏振片组所得Jxx、Jxy、Jyx、Jyy的振幅示意图。
图中：1和2双光源，3和4第一双线偏振片，5第一非偏振分光棱镜，6准直扩束系统，7第二非偏振分光棱镜，8反射镜，9待测物体，10第一透镜，11第二透镜，12第三非偏振 分光棱镜，13和14第二双线偏振片，15和16双平面反射镜，17第四非偏振分光棱镜，18 偏振分光棱镜，19、191和192图像传感器，20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所示的基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，包括双光源1和2、两个 第一双线偏振片3和4、第一非偏振分光棱镜5、准直扩束系统6、第二非偏振分光棱镜7、反射镜8、待测物体9、第一透镜10、第二透镜11、第三非偏振分光棱镜12、两个第二双线 偏振片13和14、两个双平面反射镜15和16、第四非偏振分光棱镜17、偏振分光棱镜18、 图像传感器19和计算机20。
按照光的路径描述，双光源分别发射的光束经过第一双线偏振片调制形成偏振正交的两 束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统和第二非偏振分光 棱镜分为两路：物光光路和参考光光路；在物光光光路中，物光光束依次经过反射镜、待测 物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光棱镜；在参考光光路中，参考光束经第 三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第二双线偏振片、双平面反射镜并被反射，再次 汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱 镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图像传感器并被图像传感器接收， 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；所述的第一透镜和第二透镜构 成4f系统；偏振分光棱镜的分光面与光轴方向平行放置。
双光源为两个互不相干的光源。
第一双线偏振片为偏振正交的两线偏振片，其中线偏振片A3的透光轴与水平方向成 +45°，线偏振片B4的透光轴与垂直方向成-45°，或线偏振片A3的透光轴与水平方向成-45°， 线偏振片B4的透光轴与垂直方向成+45°。
第二双线偏振片为偏振正交的两线偏振片，其中线偏振片C13的透光轴与水平方向成 +45°，线偏振片D14的透光轴与垂直方向成-45°，或线偏振片C13的透光轴与水平方向成-45°， 线偏振片D14的透光轴与垂直方向成+45°。
双平面反射镜中反射镜A15调整参考光束在水平方向与光轴成θa角，反射镜B16调整参 考光在垂直方向与光轴成θb角，或反射镜A15调整参考光在垂直方向与光轴成θa角，反射 镜B16调整参考光在水平方向与光轴成θb角；
也可将偏振分光棱镜18的分光面与光轴方向成45°放置，并在偏振分光棱镜18的透射方 向和反射方向分别放置两图像传感器191和192。
基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量方法，它的实现过程如下：
(1)调整整个光学系统，打开光源，双光源分别发射的光束经过第一双线偏振片调制形 成45°和-45°偏振正交的两束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩 束系统准直扩束和第二非偏振分光棱镜分光形成两路：物光光路和参考光光路；在物光光光 路中，物光光束依次经过反射镜、待测物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光 棱镜；在参考光光路中，参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第二双线 偏振片、双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏 振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后， 射向图像传感器并在图像传感器平面上产生干涉，调整双平面反射镜的角度，形成两幅载频 正交的全息图I1和I2，被图像传感器采集到计算机中；
(2)计算待测物体的复振幅Ani(x,y)：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中，n＝1、2，分别表示从两幅全息图中分割获得的子全息图；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；
(3)待测量的琼斯矩阵参量由下式确定：
下面结合图1至图6d对本发明的实施实例作详细说明。
本发明的装置包括：双光源1和2，第一双线偏振片3和4，第一非偏振分光棱镜5，准直扩束系统6，第二非偏振分光棱镜7，反射镜8，待测物体9，第一透镜10，第二透镜11， 第三非偏振分光棱镜12，第二双线偏振片13和14，双平面反射镜15和16，第四非偏振分 光棱镜17，偏振分光棱镜18，图像传感器19，计算机20，其中双光源1和2为两个互不相 干的光源；第一双线偏振片3和4为偏振正交的两线偏振片，其中线偏振片A 3的透光轴与 水平方向成+45°，线偏振片B 4的透光轴与垂直方向成-45°；第一透镜10和第二透镜11构成 4f系统；第二双线偏振片13和14为偏振正交的两线偏振片，其中线偏振片C 13的透光轴与 水平方向成+45°，线偏振片D 14的透光轴与垂直方向成-45°；双平面反射镜15和16中反射 镜A 15调整参考光束在水平方向与光轴成θa角，反射镜B 16调整参考光在垂直方向与光轴 成θb角；偏振分光棱镜18的分光面与光轴方向平行放置。该装置光的运行路径为：光源1 发射的光束经线偏振片A 3调制成45°线偏振光，光源2发射的光束经线偏振片B 4调制成-45° 线偏振光，两束线偏振光经第一非偏振分光棱镜5汇合成一束光，经准直扩束系统6和第二 非偏振分光棱镜7分为两路：物光光路和参考光光路；在物光光光路中，物光光束依次经过 反射镜8、待测物体9、第一透镜10和第二透镜11后，射向第四非偏振分光棱镜17；在参 考光光路中，参考光束经第三非偏振分光棱镜12后分成两束光，分别经过第二双线偏振片 13和14、双平面反射镜15和16并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜12的参考光束 射向第四非偏振分光棱镜17；汇合于第四非偏振分光棱镜17物光光束和参考光束经偏振分 光棱镜偏振18分光后，射向图像传感器19并在图像传感器19平面上产生干涉，调整双平面 反射镜15和16的角度，形成两幅载频正交的全息图I1和I2，被图像传感器19采集到计算机 20中。
计算待测物体的复振幅Ani(x,y)：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中，n＝1、2，分别表示从两幅全息图中分割获得的子全息图；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。
待测量的琼斯矩阵参量由下式确定：
此技术仅需要一次测量采集两幅子全息图便可计算琼斯矩阵，在保证实时性的同时，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，本发明提供了基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法，属于偏振 态参量测量领域。偏振正交的45°线偏振光分为物光光束和参考光光束；物光光束经透镜变换 后，射向第四非偏振分光棱镜；参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第 二双线偏振片、双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第 四非偏振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜的物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振 分光后，射向图像传感器并在图像传感器平面上产生干涉，形成两幅载频正交的全息图，经 图像传感器采集到计算机并计算获得琼斯矩阵参量。本发明只需一次测量即可实现琼斯矩阵 参量恢复，且无需二维光栅等特殊元件，简单易行。
Claims (6)
1.基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，其特征在于：包括双光源、两个第一双线偏振片、第一非偏振分光棱镜、准直扩束系统、第二非偏振分光棱镜、反射镜、待测物体、第一透镜、第二透镜、第三非偏振分光棱镜、两个第二双线偏振片、双平面反射镜、第四非偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、图像传感器和计算机，双光源所发射的光束分别经过对应的第一双线偏振片调制形成偏振正交的两束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统和第二非偏振分光棱镜分为两路：物光光路和参考光光路；在物光光路中，物光光束依次经过反射镜、待测物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光棱镜；在参考光光路中，参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，且分成的两束光分别经过对应的第二双线偏振片和双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图像传感器并被图像传感器接收，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；所述的第一透镜和第二透镜构成4f系统；偏振分光棱镜的分光面与光轴方向平行放置。
2.根据权利要求1所述的基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，其特征在于：所述双光源为两个独立的光源。
3.根据权利要求1所述的基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，其特征在于：第一双线偏振片为偏振正交的两线偏振片A和B，其中线偏振片A的透光轴与水平方向成+45°，线偏振片B的透光轴与垂直方向成-45°；或线偏振片A的透光轴与水平方向成-45°，线偏振片B的透光轴与垂直方向成+45°。
4.根据权利要求1所述的基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，其特征在于：第二双线偏振片为偏振正交的两线偏振片C和D，其中线偏振片C的透光轴与水平方向成+45°，线偏振片D的透光轴与垂直方向成-45°；或线偏振片C的透光轴与水平方向成-45°，线偏振片D的透光轴与垂直方向成+45°。
5.根据权利要求1所述的基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，其特征在于：双平面反射镜中的反射镜A调整参考光束在水平方向与光轴成θa角，反射镜B调整参考光在垂直方向与光轴成θb角，或反射镜A调整参考光在垂直方向与光轴成θa角，反射镜B调整参考光在水平方向与光轴成θb角。
6.基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量方法，其特征在于：包括权利要求1-5任意一基于偏振正交全息的琼斯矩阵参量同步测量装置，步骤如下：
(1)打开光源，双光源分别发射的光束经过第一双线偏振片调制形成45°和-45°偏振正交的两束线偏振光束，再经第一非偏振分光棱镜汇合成一束光，经准直扩束系统准直扩束和第二非偏振分光棱镜分光形成两路：物光光路和参考光光路；在物光光光路中，物光光束依次经过反射镜、待测物体、第一透镜和第二透镜后，射向第四非偏振分光棱镜；在参考光光路中，参考光束经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别经过第二双线偏振片、双平面反射镜并被反射，再次汇合于第三非偏振分光棱镜的参考光束射向第四非偏振分光棱镜；汇合于第四非偏振分光棱镜物光光束和参考光束经偏振分光棱镜偏振分光后，射向图像传感器并在图像传感器平面上产生干涉，调整双平面反射镜的角度，形成两幅载频正交的全息图I1和I2，被图像传感器采集到计算机中；
(2)计算待测物体的复振幅Ani(x,y)为：
Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}
其中：n＝1、2，分别表示从两幅全息图中分割获得的子全息图；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；
(3)待测量的琼斯矩阵参量为：
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