CN107543684B - 一种测量光学窗口双折射效应的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量光学窗口双折射效应的装置及方法。测量装置包括光源、偏振发生器、非偏振分光镜、偏振检测器和信号处理器，偏振发生器用于将光源出射的光转换为偏振光，非偏振分光镜用于将偏振光透射传输至光学窗口的内界面；光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至光学窗口的外界面，非偏振分光镜仅收集到光学窗口的外界面的反射光并传输至偏振检测器；偏振检测器用于检测接收到的光学窗口的外界面的反射光的偏振态，信号处理器用于根据偏振发生器产生的偏振光的偏振态、非偏振分光镜的Mueller矩阵和偏振检测器检测得到的反射光的偏振态，计算光学窗口的双折射效应。本发明可实现水下对光学窗口双折射效应的精确测量。

Description

一种测量光学窗口双折射效应的装置及方法

【技术领域】

本发明涉及测量光学窗口双折射效应的装置及方法，特别是涉及通过偏振光技术测量水下(特别是深海)光学窗口的双折射效应。

【背景技术】

光学方法因为非接触、无损、高分辨力等优势被用于在水下原位探测水下颗粒物、生物膜、水生生物、其他水下目标等。光学仪器均是经过光学窗口与外界作用。光学窗口的材质大多是透光性比较好的材料，其中绝大部分是普通玻璃、石英、蓝宝石等。光学窗口自身会有双折射效应，目前，对于光学窗口的双折射效应的测量多集中于空气中，未有针对位于其它介质，例如水下的光学窗口的双折射效应进行测量。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种测量光学窗口双折射效应的装置及方法，可实现水下对光学窗口双折射效应的精确测量。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种测量光学窗口双折射效应的装置，包括光源、偏振发生器、非偏振分光镜、偏振检测器和信号处理器，所述偏振发生器用于将所述光源出射的光转换为偏振光，所述非偏振分光镜用于将所述偏振光透射传输至所述光学窗口的内界面；所述光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至所述光学窗口的外界面，所述光学窗口的内界面的反射光不进入所述非偏振分光镜，使得所述非偏振分光镜仅收集到所述光学窗口的外界面的反射光并传输至所述偏振检测器；所述偏振检测器用于检测接收到的所述光学窗口的外界面的反射光的偏振态，所述信号处理器用于根据所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态、所述非偏振分光镜的Mueller矩阵和所述偏振检测器检测得到的所述反射光的偏振态，计算所述光学窗口的双折射效应。

一种测量光学窗口双折射效应的方法，包括以下步骤：1)提供光源，并通过偏振发生器将所述光源出射的光转换为偏振光；2)通过非偏振分光镜将所述偏振光透射传输至所述光学窗口的内界面；3)所述光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至所述光学窗口的外界面，调控使得所述光学窗口的内界面的反射光不被检测到，仅检测所述光学窗口的外界面的反射光的偏振态；4)根据所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态、所述非偏振分光镜的Mueller矩阵和步骤3)检测得到的所述反射光的偏振态，计算所述光学窗口的双折射效应。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的测量光学窗口双折射效应的装置及方法，通过偏振发生器、非偏振分光镜、偏振检测器等搭建光路，测量从窗口-外界面反射回来的光，评估光学窗口的双折射效应(夹角和相位延迟)，从而得到光学窗口的双折射系数。测量过程中通过反射光测量光学窗口的双折射效应，从而可将测量光路集成在光学仪器内部，实时动态地测量光学仪器中光学窗口在当前工作环境(外界介质、压力)下的双折射效应。另外，测量得到的双折射系数是由光学窗口的反射光的偏振态计算得到，而外部环境对于光学窗口的双折射影响会反映到偏振性质中，因此通过偏振态计算得到的数据相对于常规的透射测量得到的数据也可准确地反映当前环境下的光学窗口的双折射效应，测量结果也更准确。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的测量装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的消除窗口-内界面的反射光的一种实现方式的示意图。

【具体实施方式】

本发明针对光学窗口应用于水下等其他非空气介质中的双折射效应进行测量。以应用于水中为例，除了光学窗口自身的双折射效应外，在不同水深条件下，光学窗口的内外压差将导致应力，产生双折射效应。这部分应力双折射效应是寄生双折射(或者叫寄生偏振，会在测量光路上引入光学相位延迟，从而影响对水环境中的偏振性质的测量。另外，由于水下光学仪器在不同深度下工作时，其承受的水压变化，导致应力双折射随之变化，即水下双折射是一个动态过程，并且具有实时性。鉴于上述分析，本发明提出通过测量光学窗口外界面的反射光的偏振性质以实时动态测量光学窗口的双折射效应，从而发挥偏振光技术能够提供更加丰富的信息、结构简单，易与其他光学方法结合等优点，得到具有水下原位探测的测量方案。

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式的测量装置的结构示意图。测量装置在传统的光源L、光学窗口W的基础上，还包括：

一个偏振发生器100，用来产生偏振光。可以是一系列的光学元器件，比如偏振片、波片等，产生固定偏振光；也可以是一些旋转偏振片或波片，或者是电控液晶波片、旋转器等，产生多个或者可变的偏振光，包括线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

非偏振分光镜200，用来将产生的偏振光透射传输至光学窗口的内界面W₁(即位于光学仪器内部，不与外界发生作用的一个界面)，同时收集、导引窗口-介质界面(即与外界发生作用的一个界面，定义为外界面W₂)的反射光到偏振检测器300。根据实际应用情形，可以采用1:1比例的透射：反射比的分光镜，也可以采用其它比例的分光镜。图1中采用的分光镜是一个立方体，也可以采用其他分光片。

对于入射到光学窗口上的光，其会在光学窗口上经过两个界面，发生透射和反射。其中窗口-内界面W₁的反射光有可能被接收到，因此需要将窗口-内界面W₁的反射光排除掉，仅将窗口-外界面W₂的反射光提取出来。此处，可通过增加组件或者光照射的控制以去除窗口-内界面W₁的反射光。具体方法包括：利用脉冲激光和时间选通的方式去除；或者设计窗口-内界面W₁的表面角度(比如斜面)，将窗口-内界面W₁的反射光导向其他方向；等等。多种方法去除该部分反射光，仅保留窗口-外界面W₂的反射光。

偏振检测器300，用来检测窗口-外界面W₂的反射光的偏振态。

信号处理器400，用于根据偏振发生器100产生光的已知的偏振态、非偏振分光镜200的Mueller矩阵和偏振检测器300得到的偏振态，计算光学窗口W的双折射系数。

具体地，以Stokes-Mueller表示法，可以用Stokes向量S表示光的偏振态，用Mueller矩阵表示光学元器件和光学窗口的偏振性质。

用Stokes向量表示光的偏振态，如公式(1)所示，其中S表示Stokes向量，是一个4*1的向量，I，Q，U，V分别是四个分量，I表示光强，I(90°)表示光强在90°方向上的投影，叫做偏振分量；R是右旋方向，L是左旋方向；I(R)是右旋偏振分量。

若Q＝U＝V＝0，则是自然光；若则是部分偏振光；若则是完全偏振光；若则是线偏振光；若I＝|V|，则是圆偏振光。

针对任意光而言，表征其偏振态的Stokes向量最多有4个独立变量，所以理论上至少4次测量，就可以测得Stokes向量。一个可行的例子包括，先后测量I(0°)，I(90°)，I(45°)，I(R)，也可以是I(0°)，I(45°)，I(135°)，I(R)，也可以是I(0°)，I(45°)，I(L)，I(R)等等。

目前已有成熟的方法测量光的偏振态，综合起来包括分时、分振幅、分波前等方法。如公式(1)所示，对于一束光，若在时间上不变(强度、偏振、光谱都不变)，那么可以采用分时的方法，比如I(0°)，I(90°)，I(45°)，I(R)按照时间顺序先后测量。也可以把它们分成四份，分别同时测量。也可以在假设波前是均匀的情况下，在空间上同时测4个偏振分量(包括3个线偏振态分量和1个圆偏振态分量)。

以上所述是如何测量全部Stokes向量，在某些情况下，只需要测量Stokes向量中的一部分，即部分Stokes向量。比如线性部分，也就是I，Q，U，那么只需要3次测量就可以，不用测量左旋和右旋分量。

对于样品的偏振性质，一般用Mueller(穆勒)矩阵来表示。Mueller矩阵是一个4*4的矩阵，如公式(2)所示：

其中，m_ij，i，j＝1,2,3,4，分别是阵元。Mueller矩阵与Stokes向量之间的关系是：

S_out＝M*S_in (3)

其中，S_in是入射光的偏振态，S_out是出射光的偏振态。Mueller矩阵是16个阵元，最多有16个独立变量，通过一定的策略，改变入射光偏振态多次，同时测量相应的出射光偏振态，就可以得到全部Mueller矩阵。同样的，也可以只测量Mueller矩阵的一部分阵元。比如，若入射光只有线偏振光，并且只测量出射光的线偏振部分，那么就可以获得3*3的阵元，m_ij，i，j＝1,2,3。

有些情形下，只需要测量Mueller矩阵的一部分投影。比如当给定一个入射光时，即Stokes向量已知，测量得到的出射光的Stokes向量，就是Mueller矩阵的一个投影。比如利用45度的线偏振光作为入射光S_in,45°，那么得到S_out,45°是Mueller矩阵阵元的一个组合，也是它的一个投影。

Mueller矩阵反映的是样品的偏振性质，在实际应用过程中，经过研究发现，只有某些偏振性质是特异性的，那么可只测量这些对应的Mueller矩阵阵元或者它的投影，叫做特异性参数。对应的，可以发展出相应的测量方法，例如采用怎样的入射光，测量怎样的偏振分量，入射-出射进行多少种组合等等。因此，本具体实施方式中，在入射光部分，偏振发生器100可以产生一种或者多种偏振光，包括线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。在出射光部分，偏振检测器300可以测量反射光的Stokes向量或者一部分。参数是Mueller矩阵或者它的部分阵元组合。具体组合可根据偏振发生器的偏振光的偏振态来确定和组合。

本具体实施方式中，用S_in表示偏振发生器100产生的入射偏振光，用S_out表示偏振检测器300前的出射光的偏振态，也即进入偏振检测器300的反射光的偏振态，用M_bs1表示入射方向上的非偏振分光镜200的Mueller矩阵，用M_w1表示窗口-内界面W₁的反射Mueller矩阵，用M_w2表示窗口-外部界面W₂的反射Mueller矩阵，用M_bs2表示出射(反射)方向上的非偏振分光镜200的Mueller矩阵，M表示入射时光学窗口W自身的偏振性质，M-表示反射光经过光学窗口W的内部时光学窗口W的偏振性质，则成立：

S_out＝M_bs2×M-×M_w2×M×M_bs1×S_in (5)

由于通过设计或者调节，窗口-内界面W₁的反射光从检测光路上去除，不进入非偏振分光镜，所以出射光的S_out中不存在M_w1的影响，因此式(1)中不存在M_w1。而其中M_bs1、M_bs2、S_in可以提前测量得到，S_out可根据测量光路实时检测得到，M_w2可以认为符合菲涅尔公式，可以计算得到，式子中只有M是变量。一般而言，考虑光学窗口的偏振特性主要是双折射效应，有所以式(5)中仅有三个未知数，而S_out是一个四维的向量，通过测量至少3个偏振态分量，构建三个方程，即可以解出光学窗口的偏振性质。

测量得到光学窗口的偏振性质后，可以利用校准方法来消除光学窗口偏振效应的影响。比如补偿方法，放置一块双折射系数相反的补偿片，可以抵消寄生双折射的影响。比如已知参数校正法，根据测量得到的窗口的双折射系数(特征)，在光学仪器的测量数据中去除窗口寄生偏振的影响。

如图2所示，为本具体实施方式中消除窗口-内界面的反射光的一种实现方式。通过设计，使得窗口-内界面W₁与光学窗口的主轴呈一定的角度，也与窗口-外部界面W₂呈角度。此时，入射光以一定角度入射到光学窗口(而不是垂直于窗口-内部界面W₁)，使得其能够垂直入射于窗口-外部界面W₂。此时，窗口-内部界面W₁处的反射光被反射到其他方向，而只有窗口-外部界面W₂的反射光重新进入非偏振分光镜200，被偏振检测器300接收到，从而可按照公式(1)计算得到窗口的偏振性质。

本具体实施方式的测量光学窗口双折射效应的装置，利用光学窗口自身界面的反射，可随时测量窗口的双折射效应。测量装置中的光学元件可集成在光学仪器内部，从而实时动态地测量光学仪器中光学窗口在当前工作环境(外界介质、压力)下的双折射效应。另外，测量得到的双折射系数是由光学窗口的反射光的偏振态计算得到，而外部环境对于光学窗口的双折射影响会反映到偏振性质中，因此通过偏振态计算得到的数据相对于常规的透射测量得到的数据也可准确地反映当前环境下的光学窗口的双折射效应，测量结果也更准确。

本具体实施方式还提出一种测量光学窗口应力双折射效应的方法。该方法包括以下步骤：1)提供光源，并通过偏振发生器将所述光源出射的光转换为偏振光；2)通过非偏振分光镜将所述偏振光透射传输至所述光学窗口的内界面；3)所述光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至所述光学窗口的外界面，调控使得所述光学窗口的内界面的反射光不被检测到，仅检测所述光学窗口的外界面的反射光的偏振态；4)根据所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态、所述非偏振分光镜的Mueller矩阵和步骤3)检测得到的所述反射光的偏振态，计算所述光学窗口的双折射效应。

具体地，步骤3)中，多种方法去除该部分反射光，仅保留窗口-外界面W₂的反射光。例如，可通过利用脉冲激光和时间选通的方式去除；或者设计窗口-内界面W₁的表面角度(比如斜面)，将窗口-内界面W₁的反射光导向其他方向；等等方法去除。本具体实施方式中，对所述光学窗口的内界面进行设计使得具有倾斜角度，从而使得所述光学窗口的内界面的反射光不进入检测光路，仅所述光学窗口的外界面的反射光进入检测光路以用于检测。

步骤4)中，根据如下过程计算得到所述光学窗口的双折射效应：S_out＝M_bs2×M-×M_w2×M×M_bs1×S_in，其中，S_out表示所述偏振检测器检测得到的偏振态，S_in表示所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态；M_bs1表示入射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；M表示入射时所述光学窗口的偏振性质，其中，θ表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的俯仰角，表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的方位角，δ表示所述光学窗口的相位延迟；M_w2表示所述光学窗口的外界面的反射Mueller矩阵；M-表示反射光经过所述光学窗口的内部时所述光学窗口的偏振性质，M_bs2表示出射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；检测得到所述反射光的至少三个偏振态分量，构建如上所述的式子，从而求解得到θ,δ。

本具体实施方式的测量光学窗口应力双折射效应的方法，利用光学窗口自身界面的反射，可随时测量窗口的双折射效应。测量过程中涉及到的光学元件可集成在光学仪器内部，从而实时动态地测量光学仪器中光学窗口在当前工作环境(外界介质、压力)下的双折射效应。另外，测量得到的双折射系数是由光学窗口的反射光的偏振态计算得到，而外部环境对于光学窗口的双折射影响会反映到偏振性质中，因此通过偏振态计算得到的数据相对于常规的透射测量得到的数据也可准确地反映当前环境下的光学窗口的双折射效应，测量结果也更准确。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量光学窗口双折射效应的装置，其特征在于：包括光源、偏振发生器、非偏振分光镜、偏振检测器和信号处理器，所述偏振发生器用于将所述光源出射的光转换为偏振光，所述非偏振分光镜用于将所述偏振光透射传输至所述光学窗口的内界面；所述光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至所述光学窗口的外界面，所述光学窗口的内界面的反射光不进入所述非偏振分光镜，使得所述非偏振分光镜仅收集到所述光学窗口的外界面的反射光并传输至所述偏振检测器；所述偏振检测器用于检测接收到的所述光学窗口的外界面的反射光的偏振态，所述信号处理器根据如下过程计算得到所述光学窗口的双折射效应：S_out＝M_bs2×M-×M_w2×M×M_bs1×S_in，其中，S_out表示所述偏振检测器检测得到的偏振态，S_in表示所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态；M_bs1表示入射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；M表示入射时所述光学窗口的偏振性质，其中，θ表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的俯仰角，表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的方位角，δ表示所述光学窗口的相位延迟；M_w2表示所述光学窗口的外界面的反射Mueller矩阵；M-表示反射光经过所述光学窗口的内部时所述光学窗口的偏振性质，M_bs2表示出射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；所述偏振检测器检测得到所述反射光的至少三个偏振态分量，构建如上所述的式子Sout＝Mbs2×M-×Mw2×M×Mbs1×Sin，从而求解得到θ,δ。

2.根据权利要求1所述的测量光学窗口双折射效应的装置，其特征在于：所述光学窗口的内界面经过设计具有倾斜角度，从而使得所述光学窗口的内界面的反射光不进入所述非偏振分光镜，使得所述非偏振分光镜仅收集到所述光学窗口的外界面的反射光并传输至所述偏振检测器。

3.根据权利要求1所述的测量光学窗口双折射效应的装置，其特征在于：所述偏振发生器为用于产生固定偏振态或者可变偏振态的偏振光的光学元器件。

4.一种测量光学窗口双折射效应的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)提供光源，并通过偏振发生器将所述光源出射的光转换为偏振光；2)通过非偏振分光镜将所述偏振光透射传输至所述光学窗口的内界面；3)所述光学窗口的内界面反射一部分光，并且透射一部分光至所述光学窗口的外界面，调控使得所述非偏振分光镜仅收集到所述光学窗口的外界面的反射光并传输至偏振检测器，从而所述光学窗口的内界面的反射光不被检测到，仅检测所述光学窗口的外界面的反射光的偏振态；4)根据如下过程计算得到所述光学窗口的双折射效应：S_out＝M_bs2×M-×M_w2×M×M_bs1×S_in，其中，S_out表示所述偏振检测器检测得到的偏振态，S_in表示所述偏振发生器产生的偏振光的偏振态；M_bs1表示入射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；M表示入射时所述光学窗口的偏振性质，其中，θ表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的俯仰角，表示所述光学窗口的光轴与所述外界面的夹角的方位角，δ表示所述光学窗口的相位延迟；M_w2表示所述光学窗口的外界面的反射Mueller矩阵；M-表示反射光经过所述光学窗口的内部时所述光学窗口的偏振性质，M_bs2表示出射方向上所述非偏振分光镜的Mueller矩阵；检测得到所述反射光的至少三个偏振态分量，构建如上所述的式子Sout＝Mbs2×M-×Mw2×M×Mbs1×Sin，从而求解得到θ,δ。

5.根据权利要求4所述的测量光学窗口双折射效应的方法，其特征在于：步骤3)包括：对所述光学窗口的内界面进行设计使得具有倾斜角度，从而使得所述光学窗口的内界面的反射光不进入检测光路，仅所述光学窗口的外界面的反射光进入检测光路以用于检测。

6.根据权利要求4所述的测量光学窗口双折射效应的方法，其特征在于：步骤1)中，所述偏振发生器为用于产生固定偏振态或者可变偏振态的偏振光的光学元器件。