CN110763633A - 一种大量程成像式双折射分布测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大量程成像式双折射分布测量装置及方法，该测量装置包括：光源模块，其接收控制与数据处理模块信号，选择并输出测量所用波长的光束，透射照明被测材料样品；成像镜组，其将经被测材料样品的出射光束投影到光电探测器上；可变偏振态发生器，其位于被测材料样品两侧的光路中，根据控制与数据处理模块输入的电信号，改变光束的偏振态，提供光束的起偏、检偏或相位延迟；光电探测器，其将采集的光强分布转化为电信号输出给控制与数据处理模块运算，最终呈现被测物双折射分布结果。本发明解决了现有双折射分布测量技术存在的测量速度相对较慢、相位延迟量量程受限的问题。

Description

一种大量程成像式双折射分布测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种用于测量透明介质的双折射分布的装置及方法。
背景技术
光在通过各向异性透明介质时分解为两个振动平面相互垂直的线偏振光的现象称为双折射，双折射分布参数指被测材料的相位延迟量δ和方位角θ。双折射特性广泛存在于天然矿物晶体和受机械应力的玻璃、塑料、液晶等合成材料中，此外如核蛋白、纺锤体、肌原纤维等细胞物质也具有光学各向异性。测量材料双折射特性有利于帮助我们深入了解和更加合理地应用光学材料。
双折射分布的测量基于偏振光学原理，传统的偏光测量仪器通过偏振片起偏-检偏方式可以定性地获得双折射分布。近年来随着科学技术发展，一些新的双折射分布测量方法被提出，它们采用多样的相位延迟调制方式，克服了传统方法不足，定量地获取被测材料双折射分布，具有重要的应用前景。现有的双折射分布测量方法大多采用单波长光源，受限于Stokes矢量解算中三角函数的周期性，双折射相位延迟量的量程上限不超过π；其次，检测方法以逐点扫描方式获取双折射的二维分布，测量速度相对较慢，不能适用于大面积样品或流水线检测。
发明内容
发明目的：为克服上述现有技术的缺陷，本发明创造提供一种基于多波长下偏振相位调制方法及多次面阵探测实现大量程成像式双折射分布测量的光学装置，进而在无任何机械传动情况下，实现对超过π相位延迟样品的双折射分布测量。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种大量程成像式双折射分布测量装置，包括光源模块、成像镜组、可变偏振态发生器、光电探测器和控制与数据处理模块；光源模块接收控制与数据处理模块信号，选择并输出测量所用波长的光束，透射照明被测材料样品，成像镜组将经被测材料样品的出射光束投影到光电探测器上，可变偏振态发生器位于被测材料样品两侧的光路中的，根据控制与数据处理模块输入的电信号，改变光束的偏振态，提供光束的起偏、检偏或相位延迟，光电探测器将采集的光强分布转化为电信号输出给控制与数据处理模块运算，最终呈现被测物双折射分布结果。
进一步的，所述的光源模块包括多波长光源、波长选择器件、光源镜组，光源模块中多波长光源出射光束经波长选择器件和光源镜组投射到被测材料样品。
更进一步的，所述的多波长光源至少包含三个或以上波长间隔不小于10纳米的波长成分；所述的波长选择器件具有不少于三个波长范围的子通带，所述的子通带中心波长与所述的多波长光源波长成分一一对应，各子通带带宽不大于10纳米。
再更进一步的，所述的光源镜组的物像共轭面分别是多波长光源发射端面和被测材料样品面。
进一步的，所述的成像镜组的光路是物方远心光路。
更进一步的，所述的成像镜组的物像共轭面分别是被测材料样品面和光电探测器靶面。
进一步的，所述的可变偏振态发生器包括线偏振片和液晶可变延迟器，光束依次经过线偏振片和液晶可变延迟器后偏振态发生变化，所述的液晶可变延迟器延迟量可随施加于其电信号的改变而改变，其延迟量大小与电信号大小一一对应。
更进一步的，所述的可变偏振态发生器至少为两个，所述的被测材料样品两侧的光路中分别至少包含一个可变偏振态发生器。
进一步的，所述的光电探测器是面阵探测器。
根据大量程成像式双折射分布测量装置的测量方法，包括以下步骤：
将光源模块和成像镜组对焦到被测材料样品表面，通过控制与数据处理模块进行光源模块输出光波长的变换，同时被测材料样品两侧光路中的可变偏振态发生器按与波长对应的延迟量切换，光电探测器采集每次可变偏振态发生器的延迟量下光强分布图像，对各波长下采集图像计算延迟量和方位角分布，利用各波长的延迟量小数部分演算总的延迟量级次，最终获得延迟量分布的绝对值和延迟方位角。
与现有技术相比，本发明提出的大量程成像式双折射分布测量装置的有益效果包括：
(1)采用成像式探测方式，结合液晶可变延迟器件，测量系统中没有机械传动装置，增加了测量的稳定性，提高了测量速度；
(2)通过多波长下延迟量测量，实现对大于π相位延迟的大延迟量材料样品的检测，扩展了测量系统的量程。
附图说明
图1是本发明所述装置的一个具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明所述实施方式中多波长光源的一种波长选择方式；
图3是本发明所述实施方式中可变偏振态发生器工作原理示意图；
图4是本发明所述实施方式中单波长下光源光路一侧的偏振态调制模式；
图5是本发明所述实施方式中三波长测量模式下成像光路一侧的偏振态调制模式；
图6是本发明所述实施方式中使用本装置进行大量程双折射分布测量的流程图。
图中：1-多波长光源；2-光源镜组；3-波长选择器件；4-可变偏振态发生器一；5被测材料样品；6-成像镜组；7-孔径光阑；8-可变偏振态发生器二；9-光电探测器；10-数据处理模块。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种大量程成像式双折射分布测量装置，包括光源模块、成像镜组、可变偏振态发生器、光电探测器和控制与数据处理模块。光源模块接收控制与数据处理模块信号，选择并输出测量所用波长的光束，透射照明被测材料样品，成像镜组将经被测材料样品的出射光束投影到光电探测器上，可变偏振态发生器位于被测材料样品两侧的光路中，根据控制与数据处理模块输入的电信号，改变光束的偏振态，提供光束的起偏、检偏或相位延迟，光电探测器将采集的光强分布转化为电信号输出给控制与数据处理模块运算，最终呈现被测物双折射分布结果。
图1是本发明所述装置的一个具体实施方式的结构示意图。该实例中，所使用的可变偏振态发生器包括可变偏振态发生器一4和可变偏振态发生器二8，可变偏振态发生器一4和可变偏振态发生器二8均是由线偏振片和液晶可变延迟器(Liquid Crystal VariableRetarder，LCVR)组成的。光束依次经过线偏振片和液晶可变延迟器后偏振态发生变化，液晶可变延迟器延迟量可随施加于其电信号的改变而改变，其延迟量大小与电信号大小一一对应。
该实例中，光源模块由多波长光源1、波长选择器件3、光源镜组2组成。其中波长选择器件3是液晶可调谐滤光器，能在一定光谱范围内允许很窄的光波透射，并且透射光中心波长可以调谐，这里使用的滤光器通带范围与光源发射谱段匹配。光源模块中多波长光源1出射光束经波长选择器件3和光源镜组2投射到被测材料样品。
优选的，多波长光源1至少包含三个或以上波长间隔不小于10纳米的波长成分；波长选择器件3具有不少于三个波长范围的子通带，子通带中心波长与多波长光源1波长成分一一对应，各子通带带宽不大于10纳米。光源镜组2的物像共轭面分别是多波长光源1发射端面和被测材料样品5面。
在本实施例中，至少一个可变偏振态发生器一4置于光源模块内，对非偏振光或部分偏振光经起偏-延迟，可输出任意完全偏振的出射光。由多波长光源1发射的宽带部分偏振光，先经波长选择器件3滤波得到窄带部分偏振光，然后再经可变偏振态发生器4转换为窄带完全偏振光，最后通过光源镜组2投射在被测材料样品5表面。
被测材料样品5由于其光学各向异性，在空间上形成延迟量和方位角(即双折射分布参数)的分布，其空间上每点的延迟对经过其透射的完全偏振光进行调制。根据偏振光学原理，该被测材料样品5是具有空间分布Muller矩阵的延迟器件，当完全偏振光的Stokes矢量被延迟调制出射后，出射光束的Stokes矢量即携带了被测物的延迟分布信息。
一般要求成像镜组6是物方远心的，即成像镜组6的孔径光阑7在镜组前部分的像方焦平面上，成像镜组6的物像共轭面分别是被测材料样品5面和光电探测器9靶面，且至少一个可变偏振态发生器二8位于孔径光阑7的附近。光电探测器9是面阵探测器。所以，经被测材料样品5的出射光束再经成像镜组6及镜组内的偏振态解调器件8，最终投影在光电探测器9上。
测量时，施加于可变偏振态发生器一4和可变偏振态发生器二8上的电压按一定规律变化，光路中的传输光束偏振态随之改变。面阵探测器9上接收到的图像光强分布随光束偏振态变化而变化，将这些偏振态数据和图像传输给控制及数据处理模块，通过若干偏振态下的光强分布图像，可以计算出被测样品材料5的Muller矩阵分布，即得到了其双折射分布数据。
图2是本发明所述实施方式中多波长光源的一种波长选择方式。多波长光源1选择白光LED，发射400～700nm的可见光典型谱段。进行测量时，波长选择器件3依次选择至少包含三个或以上波长间隔不小于10纳米的波长成分。图中所示，三组测量分别选择了460±5nm、520±5nm和630±5nm的窄带光输出。
图3是本发明所述实施方式中可变偏振态发生器工作原理示意图。本实施例中可变偏振态发生器4由一片线偏振片4a和一对液晶可变延迟器(第一液晶延迟器4b和第二液晶延迟器4c)组成，线偏振片4a的透射轴与第一液晶延迟器4b、第二液晶延迟器4c的快轴方向分别为90°、45°、90°。LED光源1发出的部分偏振光经过线偏振片4a后出射竖直线偏振光，当第一液晶延迟器4b的延迟量为π/2时，经其透射的线偏振光被调制为圆偏振光。当第二液晶延迟器4c的延迟量分别为0、π/2、π、3π/2时，出射光束被调制为右圆偏振光、﹢45°线偏振光、左圆偏振光和-45°线偏振光。同理，当第一液晶延迟器4a和第二液晶延迟器4b以不同的延迟量组合时，出射光束的偏振态可以调制为任何线偏振、圆偏振或椭圆偏振光束。
图4是本发明所述实施方式中单波长下光源光路一侧的偏振态调制模式。依据上述可变偏振态发生器的工作原理，不同偏振态入射光束经由被测样品材料5调制出射后，出射光束的Stokes矢量是入射光束Stokes矢量与被测样品材料5的Muller矩阵相互作用的结果。为获取Muller矩阵中延迟量δ和方位角θ的信息，需要多种偏振态入射光与对应出射光的信号参与求解。在本实施例中，按图4所示选取四种椭圆偏振光束作为入射光，这四种椭圆偏振态满足椭圆度相同而方向角不同。光束的Stokes矢量与被测样品材料5的Muller矩阵的作用可以用下列公式表示：
Figure BDA0002301880050000051
式中，入射光束的椭圆度x和方向角ψ是通过控制系统10施加在可变偏振态发生器4上调制的，出射光束的光强通过多偏振态测量可以求解，那么对Muller矩阵中的延迟量δ和方位角θ的分布可以通过矩阵求逆运算得到。
图5是本发明所述实施方式中三波长测量模式下成像光路一侧的偏振态调制模式。通常偏振态发生器是圆偏振片，对于本实施例中的多波长测量，双折射晶体波片和线偏振片组成的偏振解调器件不能在各个波长下均表现为圆偏振片。本实施例中，考虑不同波长的延迟量变化，使用的可变偏振解调器件8是可变延迟圆偏振片，其中的双折射晶体波片以液晶可变延迟器替代，若当前测量波长为λ1，则控制系统10施加液晶可变延迟器的电压使其延迟量等于λ1/4。在多波长测量时，依次对应使用波长，切换液晶可变延迟器的延迟量获得对应波长的圆偏振片。
上述大量程成像式双折射分布测量装置的测量方法，包括以下步骤：将光源模块和成像镜组对焦到被测材料样品表面，通过控制与数据处理模块进行光源模块输出光波长的变换，同时被测材料样品两侧光路中的可变偏振态发生器按与波长对应的延迟量切换，光电探测器采集每次可变偏振态发生器的延迟量下光强分布图像，对各波长下采集图像计算延迟量和方位角分布，利用各波长的延迟量小数部分演算总的延迟量级次，最终获得延迟量分布的绝对值和延迟方位角。
图6是本发明所述实施方式中测量方法的流程图。测量开始前，根据预估的样品延迟量范围和需要的测量精度选择测试波长的数量，量程与精度都与所用波长数量正相关。将使用的测量波长数量N和波长λ1、λ2、……λN输入控制与数据处理模块10，控制与数据处理模块10在自带的数据库中选定波长对应的液晶器件电压组合。开始测试后，控制模块10首先选择波长选择器件3的电压，获得中心波长为λ1、带宽不大于10nm的窄带光输出。然后，选择偏振解调器件二8的电压使其构成λ1的圆偏振片，再选择可变偏振态发生器一4的电压V1(λ1)，光电探测器9记录并向控制与数据处理模块10传输二维光强分布。按上述可变偏振态发生器的调制方式，依次获得I2(λ1)、I3(λ1)和I4(λ1)。将四次测量光强分布按上述Stokes矢量运算公式可以得到λ1波长下的延迟量δ1和方位角θ1分布。
按此方法可以获得各波长下的延迟量和方位角分布δ2～θ2、δ3～θ3、……δN～θN。对于小于π延迟量的被测材料样品5，δ1＝δ2＝…＝δN；而对于大于π延迟量的被测样品5，满足m1λ1/2+δ1＝m2λ2/2+δ2＝…＝mNλN/2+δN，其中m是延迟级次，是正整数。例如，对于图2中所采用的三种波长下，测量得到的延迟量分别为30nm(460nm)、200nm(520nm)和90nm(630nm)，不难得出其绝对延迟量为720nm对于三波长分别为3级、2级和2级延迟。运算结束后，控制与数据处理模块10输出双折射分布的测量结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：包括光源模块、成像镜组、可变偏振态发生器、光电探测器和控制与数据处理模块；光源模块接收控制与数据处理模块信号，选择并输出测量所用波长的光束，透射照明被测材料样品，成像镜组将经被测材料样品的出射光束投影到光电探测器上，可变偏振态发生器位于被测材料样品两侧的光路中，根据控制与数据处理模块输入的电信号，改变光束的偏振态，提供光束的起偏、检偏或相位延迟，光电探测器将采集的光强分布转化为电信号输出给控制与数据处理模块运算，最终呈现被测物双折射分布结果。
2.根据权利要求1所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的光源模块包括多波长光源、波长选择器件、光源镜组，光源模块中多波长光源出射光束经波长选择器件和光源镜组投射到被测材料样品。
3.根据权利要求2所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的多波长光源至少包含三个或以上波长间隔不小于10纳米的波长成分；所述的波长选择器件具有不少于三个波长范围的子通带，所述的子通带中心波长与所述的多波长光源波长成分一一对应，各子通带带宽不大于10纳米。
4.根据权利要求3所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的光源镜组的物像共轭面分别是多波长光源发射端面和被测材料样品面。
5.根据权利要求1所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的成像镜组的光路是物方远心光路。
6.根据权利要求5所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的成像镜组的物像共轭面分别是被测材料样品面和光电探测器靶面。
7.根据权利要求1所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的可变偏振态发生器包括线偏振片和液晶可变延迟器，光束依次经过线偏振片和液晶可变延迟器后偏振态发生变化，所述的液晶可变延迟器延迟量可随施加于其电信号的改变而改变，其延迟量大小与电信号大小一一对应。
8.根据权利要求7所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的可变偏振态发生器至少为两个，所述的被测材料样品两侧的光路中分别至少包含一个可变偏振态发生器。
9.根据权利要求1所述的一种大量程成像式双折射分布测量装置，其特征在于：所述的光电探测器是面阵探测器。
10.根据权利要求1所述大量程成像式双折射分布测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将光源模块和成像镜组对焦到被测材料样品表面，通过控制与数据处理模块进行光源模块输出光波长的变换，同时被测材料样品两侧光路中的可变偏振态发生器按与波长对应的延迟量切换，光电探测器采集每次可变偏振态发生器的延迟量下光强分布图像，对各波长下采集图像计算延迟量和方位角分布，利用各波长的延迟量小数部分演算总的延迟量级次，最终获得延迟量分布的绝对值和延迟方位角。
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