CN108180998A - 基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置与方法。45°线偏振光束经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列、第一非偏振分光棱镜、第三透镜形成含有偏振分量信息的载波正交全息图,被图像传感器采集到计算机并计算获得Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量。
Description
技术领域
本发明属于偏振态参量测量领域,特别涉及一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置与方法。
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,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。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足之处,提供一种结构简单紧凑,系统稳定的基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,且还提供一种满足和适用上述装置的基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量方法。
本发明的目的是这样实现的:
第一种方式:一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源、45°线偏振调制系统、准直扩束系统,该装置还包括第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、偏振分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三透镜、图像传感器和计算机;光源发射的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后,经第一非偏振分光棱镜反射后,再经过第三透镜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;所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上;第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统;孔阵列上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径;第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在非偏振分光棱镜的反射光路上,或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,且第二平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
本发明第一种方式装置还包括:
1.第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在水平方向与光轴成θa角放置,θa角不包括90°,第三平面反射镜在垂直方向与光轴成θb角放置,θb角不包括90°。
2.孔阵列上的针孔Ba与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于第一种方式的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体和第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
第二种方式:一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源、45°线偏振调制系统,该装置还包括显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、偏振分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三透镜、图像传感器和计算机;光源发射的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜,照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后,经第一非偏振分光棱镜反射后,再经过第三透镜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;所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上;第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统;孔阵列上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径;第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在非偏振分光棱镜的反射光路上,或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,且第二平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,图像传感器位于第三透镜的后焦平面上,显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
第二种方式装置还包括:
1.第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在水平方向与光轴成θa角放置,θa角不包括90°,第三平面反射镜在垂直方向与光轴成θb角放置,θb角不包括90°。
2.孔阵列上的针孔Ba与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于第二种方式装置的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
一种基于载频正交透射点衍射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4f透射式点衍射结构基础上,引入偏振分光技术和频谱复用技术,通过一次曝光采集偏振分量载频正交全息图,利用同一装置完成Stokes矩阵参量和Jones矩阵参量测量,不仅结构紧凑,抗干扰能力强,而且不需要光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件,方法简单易行,光能利用率高,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偏振参考光分成偏振态正交的两束,只需双平面反射镜放置不同姿态即可通过参考光引入正交载频,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。
3.利用普通平面反射镜实现参考光束和针孔的空间对准,匹配关系简单,方法简单易行,成本低,这是区别于现有技术的创新点之三。
本发明的装置有如下显著特点:
1.本发明装置结构简单紧凑,系统定位复杂度要求低,且调整方便,也不需任何光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件,成本低;
2.本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构,系统抗干扰能力强,稳定性好,光能利用率高。
附图说明
图1为基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置示意图;
图2为针孔阵列结构示意图;
图3为引入显微系统实现本发明测量装置示意图;
具体实施方式
图中件号说明:1光源,2 45°线偏振调制系统,3准直扩束系统,4待测物体,5第一透镜,6第一非偏振分光棱镜,7孔阵列,8第二透镜,9第二非偏振分光棱镜,10第一平面反射镜,11偏振分光棱镜,12第二平面反射镜,13第三平面反射镜,14第三透镜,15图像传感器,16计算机,17显微物镜,18校正物镜。
实施方式一:如图1所示,一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源、45°线偏振调制系统、准直扩束系统,该装置还包括第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、偏振分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三透镜、图像传感器和计算机;光源发射的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后,经第一非偏振分光棱镜反射后,再经过第三透镜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;所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上;第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统;如图2所示,孔阵列上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径;第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在非偏振分光棱镜的反射光路上,或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,且第二平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
实施方式二:在实施方式一基础上,第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在水平方向与光轴成θa角放置,θa角不包括90°,第三平面反射镜在垂直方向与光轴成θb角放置,θb角不包括90°。
实施方式三:在实施方式一或二基础上,孔阵列上的针孔Ba与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于实施方式一或二或三的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体和第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
实施方式四:如图3所示,一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源、45°线偏振调制系统,该装置还包括显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、偏振分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三透镜、图像传感器和计算机;光源发射的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜,照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后,经第一非偏振分光棱镜反射后,再经过第三透镜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;所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上;第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统;如图2所示,孔阵列上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径;第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在非偏振分光棱镜的反射光路上,或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,且第二平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,图像传感器位于第三透镜的后焦平面上,显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
实施方式五:在实施方式四基础上,第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在水平方向与光轴成θa角放置,θa角不包括90°,第三平面反射镜在垂直方向与光轴成θb角放置,θb角不包括90°
实施方式六:在实施方式四或五基础上,孔阵列上的针孔Ba与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
基于实施方式四或五或六的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源、45°线偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体,还包括第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜、第一平面反射镜、偏振分光棱镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三透镜、图像传感器和计算机。光源发射的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体、第一透镜、第一非偏振分光棱镜、孔阵列、第二透镜、第二非偏振分光棱镜后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射至第二非偏振分光棱镜,参考光经过偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被反射,再次经过偏振分光棱镜照射第二非偏振分光棱镜;汇合至第二非偏振分光棱镜的物光和参考光,再依次经过第二透镜、孔阵列和第一非偏振分光棱镜后,经第一非偏振分光棱镜反射后,再经过第三透镜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;所述的待测物体位于第一透镜的前焦面上;第一透镜、第二透镜和第三透镜构成共轭4f系统;孔阵列上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜的焦距、D为第二透镜的通光孔径;第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜位于第二透镜的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在非偏振分光棱镜的反射光路上,或者第一平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的反射光路上,偏振分光棱镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜在第二非偏振分光棱镜的出射光路上,且第二平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,或者第二平面反射镜在偏振分光棱镜的反射光路上,第三平面反射镜在偏振分光棱镜的出射光路上;图像传感器位于第三透镜的后焦平面上。
第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在水平方向与光轴成θa角放置,第三平面反射镜在垂直方向与光轴成θb角放置,或第一平面反射镜与光轴垂直放置,第二平面反射镜在垂直方向与光轴成θa角放置,第三平面反射镜在水平方向与光轴成θb角放置。
孔阵列上的针孔Ba与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,或针孔Ba与第三平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜反射后并被第二透镜聚焦的光斑匹配。
待测物体和第一透镜之间还可引入显微物镜和校正物镜,且显微物镜和校正物镜组成的显微系统像平面与第一透镜的前焦平面匹配。
一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量方法,它的实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体和第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
下面结合图1对本发明的实施实例作详细说明。
本发明装置包括:光源1、45°线偏振调制系统2、准直扩束系统3、待测物体4、第一透镜5、第一非偏振分光棱镜6、孔阵列7、第二透镜8、第二非偏振分光棱镜9、第一平面反射镜10、偏振分光棱镜11、第二平面反射镜12、第三平面反射镜13、第三透镜14、图像传感器15和计算机16。光源1为波长λ=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、第二透镜8和第三透镜14的焦距均为f=200mm,构成共轭4f系统;孔阵列7位于共轭4f系统的频谱平面上,孔阵列7上含有正交分离的大孔A和Ba与Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba与Bb大小均为30μm,孔阵列7大孔A和Ba与Bb的中心间距均为1.9mm;第一平面反射镜10、第二平面反射镜12和第三平面反射镜13位于第二透镜8的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜10在第二非偏振分光棱镜9的出射光路上与光轴垂直放置,偏振分光棱镜11、第二平面反射镜12和第三平面反射镜13在第二非偏振分光棱镜9的反射光路上,且第二平面反射镜12在偏振分光棱镜11的出射光路上在水平方向与光轴成θa角放置,且第二平面反射镜12反射后并被第二透镜8聚焦的光斑与孔阵列7上的针孔Ba匹配,第三平面反射镜13在偏振分光棱镜11的反射光路上在水平方向与光轴成θb角放置,且第三平面反射镜13反射后并被第二透镜8聚焦的光斑与孔阵列7上的针孔Bb匹配;图像传感器14位于第三透镜12的后焦平面上。
该装置光的运行路径为:
光源1发射的光束经过45°线偏振调制系统2调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统3准直扩束后,依次经过待测物体4和第一透镜5后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜6、孔阵列7的大孔A、第二透镜8和第二非偏振分光棱镜9后形成两平面光束,分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜10上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜9、第二透镜8和孔阵列7的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜6;参考光经过偏振分光棱镜11再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜12和第三平面反射镜13并被倾斜调制反射,再依次经过偏振分光棱镜11、第二非偏振分光棱镜9和第二透镜8后,再分别经过孔阵列7的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜6;汇合至第一非偏振分光棱镜6并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜14后,在图像传感器平面15上产生干涉形成含载频方向正交的全息图,并用图像传感器15采集全息图上传到计算机16中;
测量Stokes矩阵参量时,调整45°线偏振调制系统2,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Jones矩阵参量时,调整45°线偏振调制系统2,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紧凑,成本低,不需任何光栅、反射针孔、角反射镜等特殊光学元件;本发明装置采用透射式点衍射构成共光路结构,系统抗干扰能力强,稳定性好。
Claims (8)
1.一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源(1)、45°线偏振调制系统(2)、准直扩束系统(3),其特征是:该装置还包括第一透镜(5)、第一非偏振分光棱镜(6)、孔阵列(7)、第二透镜(8)、第二非偏振分光棱镜(9)、第一平面反射镜(10)、偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第三透镜(14)、图像传感器(15)和计算机(16);光源(1)发射的光束经过45°线偏振调制系统(2)调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统(3)准直扩束后,依次经过待测物体(4)、第一透镜(5)、第一非偏振分光棱镜(6)、孔阵列(7)、第二透镜(8)、第二非偏振分光棱镜(9)后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜(10)上并被反射至第二非偏振分光棱镜(9),参考光经过偏振分光棱镜(11)再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)并被反射,再次经过偏振分光棱镜(11)照射第二非偏振分光棱镜(9);汇合至第二非偏振分光棱镜(9)的物光和参考光,再依次经过第二透镜(8)、孔阵列(7)和第一非偏振分光棱镜(6)后,经第一非偏振分光棱镜(6)反射后,再经过第三透镜(14)由图像传感器(15)的光接收面接收,图像传感器(15)的图像信号输出端连接计算机(16);所述的待测物体(4)位于第一透镜(5)的前焦面上;第一透镜(5)、第二透镜(8)和第三透镜(14)构成共轭4f系统;孔阵列(7)上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜(11)的通光孔径;第一平面反射镜(10)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)位于第二透镜(8)的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜(10)在第二非偏振分光棱镜(9)的出射光路上,偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)在非偏振分光棱镜(9)的反射光路上,或者第一平面反射镜(10)在第二非偏振分光棱镜(9)的反射光路上,偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)在第二非偏振分光棱镜(9)的出射光路上,且第二平面反射镜(12)在偏振分光棱镜(11)的出射光路上,第三平面反射镜(13)在偏振分光棱镜(11)的反射光路上,图像传感器(14)位于第三透镜(12)的后焦平面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,其特征在于:所述的第一平面反射镜(10)与光轴垂直放置,第二平面反射镜(12)在水平方向与光轴成θa角放置,所述θa角不包括90°,第三平面反射镜(13)在垂直方向与光轴成θb角放置,所述θb角不包括90°。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,其特征在于:所述的孔阵列(7)上的针孔Ba与第三平面反射镜(13)反射后并被第二透镜(8)聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜(12)反射后并被第二透镜(8)聚焦的光斑匹配。
4.一种基于权利要求1或2所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,其特征在于:实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,经过准直扩束系统准直扩束后,依次经过待测物体和第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
5.一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,包括波长为λ的光源(1)、45°线偏振调制系统(2),其特征是:该装置还包括显微物镜(17)、校正物镜(18)、第一透镜(5)、第一非偏振分光棱镜(6)、孔阵列(7)、第二透镜(8)、第二非偏振分光棱镜(9)、第一平面反射镜(10)、偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第三透镜(14)、图像传感器(15)和计算机(16);光源(1)发射的光束经过45°线偏振调制系统(2)调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体(4)、显微物镜(17)、校正物镜(18)、第一透镜(5)、第一非偏振分光棱镜(6)、孔阵列(7)、第二透镜(8)、第二非偏振分光棱镜(9)后形成物光和参考光;物光照射第一平面反射镜(10)上并被反射至第二非偏振分光棱镜(9),参考光经过偏振分光棱镜(11)再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)并被反射,再次经过偏振分光棱镜(11)照射第二非偏振分光棱镜(9);汇合至第二非偏振分光棱镜(9)的物光和参考光,再依次经过第二透镜(8)、孔阵列(7)和第一非偏振分光棱镜(6)后,经第一非偏振分光棱镜(6)反射后,再经过第三透镜(14)由图像传感器(15)的光接收面接收,图像传感器(15)的图像信号输出端连接计算机(16);所述的待测物体(4)位于第一透镜(5)的前焦面上;第一透镜(5)、第二透镜(8)和第三透镜(14)构成共轭4f系统;孔阵列(7)上含有正交分离的大孔A、针孔Ba和Bb,且大孔A中心位于光轴上,针孔Ba和针孔Bb大小与波长λ在频谱平面产生的艾里斑直径大小d一致,其中d<1.22λf2/D、f2为第二透镜(11)的焦距、D为第二透镜(11)的通光孔径;第一平面反射镜(10)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)位于第二透镜(8)的共轭后焦平面上,且第一平面反射镜(10)在第二非偏振分光棱镜(9)的出射光路上,偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)在非偏振分光棱镜(9)的反射光路上,或者第一平面反射镜(10)在第二非偏振分光棱镜(9)的反射光路上,偏振分光棱镜(11)、第二平面反射镜(12)和第三平面反射镜(13)在第二非偏振分光棱镜(9)的出射光路上,且第二平面反射镜(12)在偏振分光棱镜(11)的出射光路上,第三平面反射镜(13)在偏振分光棱镜(11)的反射光路上,图像传感器(14)位于第三透镜(12)的后焦平面上,显微物镜(17)和校正物镜(18)组成的显微系统像平面与第一透镜(5)的前焦平面匹配。
6.根据权利要求5所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,其特征在于:所述的第一平面反射镜(10)与光轴垂直放置,第二平面反射镜(12)在水平方向与光轴成θa角放置,所述θa角不包括90°,第三平面反射镜(13)在垂直方向与光轴成θb角放置,所述θb角不包括90°。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置,其特征在于:所述的孔阵列(7)上的针孔Ba与第三平面反射镜(13)反射后并被第二透镜(8)聚焦的光斑匹配,针孔Bb与第二平面反射镜(12)反射后并被第二透镜(8)聚焦的光斑匹配。
8.一种基于权利要求5或6所述的一种基于载频正交透射点衍射数字全息的偏振态参量测量装置的测量方法,其特征在于:实现过程如下:
(1)调整整个光学系统,打开光源,射出波长为λ的光束经过45°线偏振调制系统调制,形成一束线偏振光束,依次经过待测物体、显微物镜、校正物镜、第一透镜后形成聚焦光束,再依次经过第一非偏振分光棱镜、孔阵列的大孔A、第二透镜和第二非偏振分光棱镜后形成两平面光束分别作为物光和参考光;物光照射第一平面反射镜上并被反射,再依次经过第二非偏振分光棱镜、第二透镜和孔阵列的大孔A后照射第一非偏振分光棱镜;参考光经过第二偏振分光棱镜再次分成两束光,分别照射第二平面反射镜和第三平面反射镜并被倾斜调制反射,再依次经过第二偏振分光棱镜、第二非偏振分光棱镜和第二透镜后,再分别经过孔阵列的针孔Ba和Bb后照射第一非偏振分光棱镜;汇合至第一非偏振分光棱镜并经其反射的物光和参考光,再经过第三透镜后,在图像传感器平面上产生干涉形成含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45°线偏振调制系统,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,进而利用Stokes恢复算法完成Stokes矩阵参量恢复;
(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;进而利用Jones恢复算法完成Jones矩阵参量恢复。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180619 |
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