CN107490947B - 双通道共路离轴偏振全息成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有共路离轴结构的双通道角分复用偏振全息成像方法及系统，该系统的输入面单元在空间上被分成一个样品窗口和在竖直和水平方向上分别离开样品窗口一定距离的两个参考窗口。参考窗口分别被偏振方向相互垂直的线偏振片覆盖。在系统的成像部分还插入了一个二维透射式光栅，使得通过样品窗口的物光和通过参考窗口的参考光可以在输出面上相互重叠，构成一幅双通道角分复用偏振全息图。利用该系统，可以实现物光两个正交偏振分量的单击记录和重现。理论分析和实验结果表明，该系统可以用来测量偏振敏感材料或者双折射材料的琼斯矩阵参量。
Description
技术领域
本发明涉及一种双通道共路离轴偏振全息成像系统和方法。
背景技术
数字全息技术(DH)，由于其在测量和记录物光波前复振幅分布上的优势，近年来受到广泛关注，并被应用于定量相位显微、轮廓测量以及无损检测等诸多领域。根据物光与参考光在传播方向上的相对取向，DHs一般被分为同轴和离轴。其中，同轴DHs所记录的全息图带宽小，可以充分利用图像传感器的分辨能力；但再现像通常会受到零级噪声项以及孪生项的干扰，为此必须采用相移技术或者其他耗时的方法来去除这些干扰。而在离轴DHs中，零级项和孪生项与要提取的再现像信息在空间频域中是相互分离的，因此可以利用数字空间滤波的方法将其去除；但这就要求图像传感器有比较大的带宽。近年来，随着图像传感器的空间分辨率的提高和像素数的增加(例如，目前商品化的传感器像素尺寸已经能够接近1微米，像素数可达到2千万)，离轴DHs成为动态相位测量和成像应用中的有力工具。
还有一类具有共路结构的离轴DH。这一类DH中产生离轴干涉的物光和参考光经过几乎相同的光路和相同的成像透镜。相比基于马赫-泽德干涉仪和迈克尔逊干涉仪这类非共路结构的DHs，共路离轴DH更加稳定，机械振动和空气扰动对光路的影响更小，需要的光学元件也更少。单臂横向剪切干涉仪(LSI)是应用最为广泛的一种共路结构。在传统的基于LSI的共路离轴DHs中，相互干涉形成全息图的两束光一般是由经过样品的光束通过剪切分光得到的，这两束光经过了相同光路和成像系统。但是由于形成干涉的两束光都会经过物体，再现像会受到除零级项和孪生项外的一些附加项(例如重影)的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双通道共路离轴偏振全息成像系统，该系统的输入面被划分为一个样品窗口和两个在竖直和水平方向上分别离开样品窗口一定距离的参考窗口。并且在系统的成像部分插入一个二维透射式光栅，使得通过样品窗口的物光和通过参考窗口的参考光可以在输出面上相互重叠，构成一幅双通道角分复用偏振全息图；利用该系统，可以实现物光两个正交偏振分量的单击记录和重现，以及用来测量偏振敏感材料或者双折射材料的琼斯矩阵参量。
本发明的技术方案为：
一种双通道共路离轴偏振全息成像系统，包括：
成像系统，包括物镜和置于物镜之后的镜筒透镜，在物镜和所述镜筒透镜之间还设置有二维光栅；
物镜侧系统，包括起偏器元件和置于起偏器元件之后的输入面单元，所述输入面单元中央设置有用于放置样品的样品窗口，在样品窗口周围设置有用于放置偏振调节元件的两个参考窗口，参考窗口分别位于样品窗口的竖直方向和水平方向，所述放置于两个参考窗口处的偏振调节元件的偏振调节方向相互垂直，起偏器元件用于调节通过参考窗口的两路参考光的偏振态；参考窗口与样品窗口之间的距离满足：
其中λ是入射光的波长，T为光栅的周期，f1表示物镜的焦距；
像侧系统，包括用于成像的输出面单元；
所述成像系统、物镜侧系统和像侧系统组成共路结构。
其中，参考窗口有两个，分别位于样品窗口的竖直方向和水平方向，两个偏振方向相互垂直的偏振调节元件分别附在所述两个参考窗口之后。
进一步的，本系统还包括计算终端，用于获取所述成像结果，通过全息再现测量样品的琼斯矩阵，以反映样品的各向异性特性。
本发明还提出了一种双通道共路离轴偏振全息成像方法，包括：
入射光经起偏器元件后，以一固定偏振方向投射至所述输入面单元上，经过输入面单元后被分为透过样品窗口的物光和透过两个参考窗口的两束参考光，上述三束平行光透过成像系统，最终在像侧系统上成像。
三束平行光依次透过成像系统中的物镜、二维光栅和镜筒透镜，由于二维光栅的衍射作用，在输出面单元上形成多个相互错位的剪切像，每一个剪切像对应于二维光栅的一个衍射级，在满足参考窗口与样品窗口之间的距离要求基础上，在输出面单元的中心部分产生叠加干涉。
进一步的，我们采用全息再现方法对成像进行重现，得到经过样品的物光两个正交偏振分量以及表征样品各向异性特性的琼斯矩阵。
通过起偏器元件对入射光进行调节，获得不同方向的线偏振光，根据不同偏振方向偏振光照明得到的输出结果，获得表征样品各向异性特性的琼斯矩阵参量。
本发明的有益效果：
本发明通过理论分析和实验结果证明了双通道共路离轴偏振全息成像系统能够实现对物光两个正交偏振分量的一步全息测量，并且可以用来测量偏振敏感材料和双折射材料的琼斯矩阵参量。作为一个应用实例，我们用该系统测量了扭曲向列型液晶屏(LCD)的琼斯矩阵参量。并利用测量得到的琼斯矩阵参量，对加上输入和输出偏振片后LCD的振幅透过率进行了预测。预测的结果与我们实验测得的结果基本吻合。
由于本方法采用了共路的结构，大大减少了光学元件的使用；相比于现有的实现偏振全息测量的方法，我们提出的双通道共路离轴偏振全息成像系统由于形成离轴干涉的物光和参考光几乎经过了相同的光路和相同的光学元件，可以大大降低机械振动、热对流等环境干扰对测量结果的影响，在偏振测量中可以获得更加准确的结果。
本发明可以利用部分相干光源照明，减小相干噪声对测量结果的影响。本发明提供了一种可以把一台常规显微镜改造为一台偏振全息显微镜的简单易行的途径，并可用于生物和材料科学领域的双折射特性和光的各向异性材料的定量测量。
附图说明
图1为本发明的双通道共路离轴偏振全息成像系统原理图；
图2为本发明的双通道角分复用偏振全息图的空间频谱图；
图3为本发明中一实施例的示意图；
图4为本发明中一实施例的结果示意图；
图5为本发明中一实施例的结果示意图；
图6为本发明中一实施例的结果示意图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所述，本发明为了改进现有技术中共路离轴系统，提出了一种双通道共路立轴偏振全息成像系统与方法，该系统的输入面单元被分为在空间上相邻的三部分：一个样品窗口和两个参考窗口。两个参考窗口沿垂直方向分别偏离样品窗口一定距离，并有两个偏振方向相互垂直的线偏振片分别附在后面；在系统成像部分的物镜和镜筒透镜之间插入一个二维正交光栅，使物光和两束参考光在输出面上产生剪切干涉，从而构成一幅双通道角分复用偏振全息图(DC-AM-PH)。利用该系统，可以实现物光两个正交偏振分量的单击记录和重现。
图1是本发明的系统原理图。该系统的主体是一个由物镜L1和镜筒透镜L2构成的成像系统。与普通成像系统不同的是，在系统输入面上设置了一个具有三个窗口的空间限制屏P1，并在L1和L2之间插入了一个二维(2D)正交光栅CG。样品S被放置在位于输入面中间的窗口(称为样品窗口)，两个偏振方向相互垂直的线偏振片PR1和PR2分别附在另外两个窗口(称为参考窗口)后面。入射线偏振光束(可以通过调节置于输入面之前的起偏器WP来改变其偏振方向)在经过P1之后会被分成三部分：透过样品窗口的物光和分别透过两个参考窗口的两束参考光。这三束平行传播的光依次经过物镜L1、光栅CG和镜筒透镜L2，最后在输出面P2上成像。由于光栅CG的衍射作用，在输出面P2上形成多个相互错位的剪切像，每一个像对应于光栅CG的一个衍射级。如果参考窗口与样品窗口之间的距离、光栅CG的周期和相对位置参数以及系统的其他参数满足一定的条件，样品窗口和两个参考窗口的像将如图1所示的那样，在输出光场的中心部分相互叠加干涉，构成一幅DC-AM-PH。这幅全息图记录了透过样品的物光的两个正交偏振分量的复振幅分布，并可利用角分复用偏振全息再现方法从该DC-AM-PH中重现出来。下面我们对这一方法给出进一步的理论分析。
假设照明光是一束偏振方向沿x轴(水平方向)的线偏振光，线偏振片PR1和PR2的通光方向分别为+45°和-45°，经过样品窗口和参考窗口后的光场可以用琼斯矢量表示为
其中，rect(x/a,y/a)表示一个宽度为a的方形窗口函数，R1和R2分别为通过两个参考窗口的光束的复振幅，b表示参考窗口中心与样品窗口中心在沿x轴和y轴方向上的错位距离。而Ex(x,y)和Ey(x,y)为经过样品的光场复振幅的两个正交偏振分量，这两个分量与样品的琼斯矩阵参量(Jxx,Jxy,Jyx,Jyy)具有以下关系:Ex＝AxJxx(x,y)和Ey＝AxJyx(x,y)(此处的Ax表示输入的水平偏振光的振幅)。像前面指出的那样，由于光栅CG的衍射作用，在输出平面P2上，输出光场将由多个相互错位的剪切像组成。如果只考虑与光栅CG的零级和正一级(x，y方向上正一级)衍射光相对应的剪切像(如图1所示)，输出面P2上的输出光场的复振幅分布可以写成
其中，M＝f2/f1表示系统的放大率，f1和f2分别表示L1和L2的焦距。D0,D1x和D1y为三个与入射光场和光栅衍射效率相关的常数，剪切量dg和倾斜频率参数ξg(对应参考光的载频)与光栅和成像系统的结构参数有关，它们之间的关系可以用下面的公式来表示
其中λ是入射光的波长，T为光栅的周期，Δ是光栅与L2前焦面之间的距离，如图1所示。从(3)式可以看出，通过改变距离参量Δ可以很容易地调整参考光的载频或者参考光离轴角度θ(sinθ＝λξg)。
由(1)-(3)式可以推出以下结论：如果样品窗口与参考窗口之间的距离b满足条件
则对应光栅CG零级衍射光的样品像将与对应CG两个正一级衍射光的两个参考窗口像刚好在像面中心部分完全重合，如图1输出面P2上用虚线框标出的区域所表示的那样。该区域的光场复振幅分布可以表示为
(5)式的强度分布就形成了DC-AM-PH。该全息图可以表示为：
其中
和
由(6)式可见，它同时记录下了经过样品窗口的物光两个正交偏振分量的复振幅信息。
图2给出了(6)式所表示的DC-AM-PH的空间频谱实例。从图2中可以看到，(8)式所示的包含物波两个正交偏振分量的项Y1x和Y1y被调制到了DC-AM-PH的空间频谱的两个正交方向上并且它们在空间频域上是相互分离的，因此，Y1x和Y1y这两项可以利用常规离轴全息图再现的空间滤波法直接从全息图中提取出来，并利用下面给出的公式，计算出待测样品Jxx和Jyx两个琼斯矩阵参量，
(9)式中的Y1x0和Y1y0对应背景全息图中的再现像。背景全息图可通过在样品放置前进行一次拍摄得到。
利用与上面类似的分析可以证明，如果旋转起偏器WP将入射光的偏振方向旋转到y轴(竖直)方向，则可以利用所记录的DC-AM-PH和以下公式得到被测样品的另外两个琼斯矩阵参量Jxy和Jyy：
利用由上述方法得到全部琼斯矩阵参量，可以对样品的双折射特性等各向异性特征进行进一步的表征和定量分析。
下面给出一个具体实现上述方法的实验例：
实验中，我们使用中心波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源，所用的二维正交光栅为光栅周期等于8um的透光区域与不透光区域间隔相等的朗奇光栅。被测样品为一像素大小等于18×18μm、像素数等于1024×768的扭曲向列型LCD。两片通光方向相互垂直的偏振片被分别附在两个参考窗口后面。由于样品的尺寸较大，我们选用的物镜和镜筒透镜的直径为50mm，焦距分别为180mm和150mm。
由于LCD的透射特性是施加到LCD各像素上的控制电压(偏压)的函数，而该控制电压可由显示到LCD上的灰度图样的灰度级来控制，因此经常用灰度级代替偏压来描述LCD的调制特性。在实验中，我们设计了一个灰度级从0到255沿一个方向连续变化的图片，如图3(a)所示(图中表示的只是LCD上显示的灰度图样的一部分)。将图3(a)所示的灰度图样输出到被测LCD上，LCD在不同灰度级(对应不同的偏压)下的琼斯矩阵参量信息就可以用一幅DC-AM-PH记录下来。实验中用于记录DC-AM-PH的CCD图像传感器像素尺寸为6.45×6.45μm，像素数为1392×1040。图3(b)给出了我们实验中记录的DC-AM-PH的实例，其中用虚线标注出的区域与图3(a)中虚线框标注的区域相对应。从记录的DC-AM-PH中提取琼斯矩阵参量的程序是：(1)通过快速傅里叶变换得到入射光的偏振方向沿水平方向时记录的DC-AM-PH的空间频谱图；(2)从空间频谱图中选取对应于Y1x和Y1y的项，并通过傅里叶逆变换得到其在空域的图像；(3)通过(9)式计算琼斯参量Jxx和Jyx；(4)将入射光场的偏振方向调节至沿y轴(竖直)方向，并重复上述过程，并用(10)式计算出Jxy和Jyy两个琼斯矩阵参量。(9)和(10)式中的Y1x0和Y1y0可以从放置样品前对应的背景DC-AM-PH得到。
图4给出了图3(a)中LCD虚线框中所示部分的琼斯矩阵参量分布实例。图4(a)-4(d)分别表示LCD上对应图3(a)中用虚线框标出区域的琼斯矩阵参量Jxx,Jxy,Jyx和Jyy的振幅分布，图4(e)-4(h)为上述四个琼斯矩阵参量的相位分布。
为了对测量结果进行定量表征，图5进一步给出了利用图4中的测量结果拟合得到的琼斯矩阵参量与灰度级之间的关系曲线。图5(a)和(b)分别表示琼斯参量的振幅和相位与灰度之间关系曲线。从图中可以看出，待测样品的LCD的琼斯矩阵满足关系|Jxx|≈|Jyy|，|Jxy|≈|Jyx|，这与扭曲向列型LCD的理论预测是一致的。
图5对应于LCD所显示的灰度图样的琼斯矩阵参量拟合曲线。(a)和(b)分别为对
应不同灰度的振幅和相位值
为了进一步验证测得的琼斯矩阵参量的准确性，我们利用测量得到的数据和下面的公式，进一步计算了作为样品的LCD在有起偏器和检偏器的情况下的振幅透过率：
t＝cos(θ2)(Jxxcos(θ1)+Jxysin(θ1))+sin(θ2)(Jyxcos(θ1)+Jyysin(θ1)), (10)
其中的θ1和θ2分别是起偏器和检偏器通光方向与x轴的夹角。同时，也通过实验实际测量了相同配置条件下LCD的振幅通过率。图6给出了我们的两组实验结果，其中，图6(a)为在输入和输出偏振片的角度分别为θ1＝45°，θ2＝90°时得到的虚线框中LCD振幅透过率|t|，而图6(b)所表示的是在输入和输出偏振片的角度分别为θ1＝45°，θ2＝135°时得到的结果。从图中可以看到，利用测得的琼斯矩阵参量计算得到的结果与实验的测量结果在测量误差范围内是相吻合的。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双通道共路离轴偏振全息成像系统，其特征在于，包括：
成像系统，包括物镜和置于物镜之后的镜筒透镜，在物镜和所述镜筒透镜之间还设置有二维光栅；
物镜侧系统，包括起偏器元件和置于起偏器元件之后的输入面单元，所述输入面单元中央设置有用于放置样品的样品窗口，在样品窗口周围设置有用于放置偏振调节元件的两个参考窗口，参考窗口分别位于样品窗口的竖直方向和水平方向，所述放置于两个参考窗口处的偏振调节元件的偏振调节方向相互垂直，起偏器元件用于调节通过参考窗口的两路参考光偏振态；若参考窗口与样品窗口之间的距离满足：
其中λ是入射光的波长，T为光栅的周期，f1表示物镜的焦距；则对应光栅衍射光的样品像将与对应光栅两个衍射光的两个参考窗口像刚好在像面中心部分完全重合；
像侧系统，包括用于成像的输出面单元；
所述成像系统、物镜侧系统和像侧系统组成共路结构。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二维光栅采用正交二维光栅。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两个偏振方向相互垂直的偏振调节元件分别附在所述两个参考窗口之后。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括计算终端，用于获取成像结果，通过全息再现测量样品的琼斯矩阵，以反映样品的各向异性特性。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏振调节元件采用线偏振片。
6.一种基于权利要求1的双通道共路离轴偏振全息成像方法，其特征在于，包括：
入射光经起偏器元件后，以一固定偏振方向投射至所述输入面单元上，经过输入面单元后被分为透过样品窗口的物光和透过两个参考窗口的两束参考光，三束平行光透过成像系统，最终在像侧系统上成像；
上述三束平行光依次透过成像系统中的物镜、二维光栅和镜筒透镜，由于二维光栅的衍射作用，在输出面单元上形成多个相互错位的剪切像，每一个剪切像对应于二维光栅的一个衍射级，在满足参考窗口与样品窗口之间的距离要求基础上，在输出面单元的中心部分产生叠加干涉。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括采用全息再现方法对成像进行重现，得到经过样品的物光两个正交偏振分量以及表征样品各向异性特性的琼斯矩阵。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述起偏器元件对入射光进行调节，获得不同方向的线偏振光，根据不同偏振方向偏振光照明得到的输出结果，获得表征样品各向异性特性的琼斯矩阵参量。
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2017
- 2017-08-29 CN CN201710756138.8A patent/CN107490947B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102865810A (zh) * | 2012-09-18 | 2013-01-09 | 哈尔滨工程大学 | 基于正交双光栅的同步相移共光路干涉检测装置及检测方法 |
| CN103149827A (zh) * | 2013-02-28 | 2013-06-12 | 山东大学 | 消除单光束同轴数字全息直流项和共轭像的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Polarization holographic microscopy for extracting spatio-temporally resolved Jones matrix;Youngchan Kim等;《OPTICS EXPRESS》;20120423;第9948～9955页 * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107490947A (zh) | 2017-12-19 |
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Legal Events
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