CN113218635A - 一种非接触式矢量偏振光场测试系统 - Google Patents

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CN113218635A CN202110549106.7A CN202110549106A CN113218635A CN 113218635 A CN113218635 A CN 113218635A CN 202110549106 A CN202110549106 A CN 202110549106A CN 113218635 A CN113218635 A CN 113218635A
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Abstract

本发明提出一种非接触式矢量偏振光场测试系统，其包括沿光路布置的照明模块、样品模块、收集与分束模块、纵向偏振成像模块、横向偏振成像模块和数据处理与显示模块。其在传统显微镜基础上，通过偏振转换，并利用显微系统的光杠杆效应实现偏振滤波，对位于显微物镜焦平面的光场进行非接触式测量，可以快速、同步、独立获取所测量光场的横向偏振光场（即x方向线偏振光场和y方向线偏振光场）和纵向偏振光场（即z方向线偏振光场）的成像。本发明可以应用于远场超分辨光学器件的检测、远场超分辨光场的测量，也可应用于工业相关超分辨显微检测等领域。

Description

一种非接触式矢量偏振光场测试系统
技术领域
本发明属于可见光显微技术领域，特别是涉及偏振光场测试技术。
背景技术
在光学聚焦和光学成像等实际应用中，光场的偏振分布对于焦斑的尺寸和成像分辨率起着决定性的作用，特别是纵向偏振分辨对焦斑的尺寸和成像分辨率影响极大。因此，在聚焦光场、聚焦器件及系统、成像器件及系统的实验研究中，获取包括纵向偏振光场的光场偏振的分布，对于研究相关的聚焦器件、聚焦系统和成像器件、成像系统具有重要现实意义。同时，也能为相关理论研究提供重要的实验数据。
光场测量可以分为接触式和非接触式测量两种，接触式测量包括探针法、刀口法和直接成像法。然而，接触式测量依赖于探头与被检测光场的相互作用。因此，不可避免地导致被检测光场的畸变。特别是探针法和刀口法需要进行逐点扫描，极大地限制了光场检测的速度。非接触式测量，主要采用光学显微镜测量。然而，目前报道的方法，仅能进行横向偏振光场分布的成像测量，无法对纵向偏振光场分布进行成像测量。这极大地限制了偏振光场准确、快速的直接测量。更为重要的是，目前方法均无法实现各偏振光场(即横向偏振光场和纵向偏振光场)的同步、独立测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种非接触式矢量偏振光场测试系统，可以实现聚焦光场非接触式测量，并可以实现被检测光场中横向偏振光场和纵向偏振光场的同步、独立、快速获取，并能实现光场的三维层析扫描。
本发明通过以下技术方案来加以实现：
一种非接触式矢量偏振光场测试系统，其包括沿光路布置的照明模块、样品模块、收集与分束模块、纵向偏振成像模块、横向偏振成像模块和数据处理与显示模块。
所述照明模块用于对被测器件进行照明产生待检测的聚焦光场。其包括激光器、准直器和扩束器；激光器输出波长为λ的激光束，通过准直器进行准直，然后通过扩束器进行扩束，扩束后的光束用于照明被检测样品(如各类折射、衍射透镜等)。
所述样品模块，用于固定样品并带动样品的二维位移，使样品与入射光束对准，由此产生待检测的聚焦光场。样品通常为待检测的各类折射、衍射透镜等。
所述收集与分束模块，包括光学显微物镜和分束器，其位于样品之后。光学显微物镜收集在其焦平面的光场，并将其准直。由分束器将准直后的分为两束光，分别送入纵向偏振成像模块和横向偏振成像模块进行成像探测。
所述纵向偏振成像模块，包括偏振转换片、第一线偏振片、第一显微筒镜和第一数字相机，依次同轴安放，其位于收集与分束模块之后，光轴和收集与分束模块光轴呈90度相交。由分束器分束后的一路光，依次通过偏振转换片和第一线偏振片后，得到携带有显微物镜前焦平面上纵向偏振光场信息的光束，进步一利用显微系统光杠杆效应的偏振滤波作用，滤除含有显微物镜前焦平面上横向偏振光场信息的光束，并由第一显微筒镜聚焦成像到第一数字相机探测面，由第一数字相机获取，经过放大的显微物镜前焦平面上纵向偏振光场图像。
所述横向偏振成像模块，包括第二线偏振片、第二显微筒镜和第二数字相机，依次同轴安放其位于收集与分束模块之后，光轴和收集与分束模块光轴同轴。由分束器分束后的一路光，通过第二线偏振片后，得到携带有显微物镜前焦平面上横向偏振光场信息的光束，进步一利用显微系统光杠杆效应的偏振滤波作用，滤除含有显微物镜前焦平面上纵向偏振光场信息的光束，并由第二显微筒镜聚焦成像到第二数字相机探测面，由第二数字相机获取，经过放大的显微物镜前焦平面上横向偏振光场图像。通过控制第二线偏振片的方向，可以获取x方向的线偏振光和y方向的线偏振光的光强度分布。
数据处理与显示模块，包括计算机和相应的处理程序；计算机同时读取两个数字相机上的纵向偏振光场图像和横向偏振光场图像。
以上各模块组成的非接触式矢量偏振光场测试系统，由于同时布置了纵向偏振成像模块和横向偏振成像模块，通过偏振转换，对位于显微物镜焦平面的光场进行非接触式测量，可以快速、同步、独立获取所测量光场的横向偏振光场(即x方向线偏振光场和y方向线偏振光场)和纵向偏振光场(即z方向线偏振光场)的成像。
进一步地，以上由光学显微物镜与第一显微筒镜和第二显微筒镜分别构成的显微系统具有相同的放大倍率，为了能获得光场分布的清晰图像，并利用显微镜光杠杆效应的偏振滤波特性，放大倍率大于50倍。
进一步地，所述样品模块包括二维位移台和样品安装座。样品安装座固定在二维位移台上，样品安装座用于固定样品，通过移动二维位移台来控制样品的位置，使其与入射光束对准，由此产生待检测的聚焦光场。这里的二维位移台，起XY面内的对准作用。
进一步地，所述收集与分束模块还包括一维纳米定位台，所述光学显微物镜安装在一维纳米定位台上，通过移动纳米位移台，控制光学显微物镜沿z轴方向移动，即控制光学显微物镜前焦平面的位置，使系统能够获取在不同z轴位置xy平面的纵向偏振光场和横向偏振光场的强度分布，使系统实现快速三维层析成像。
可见，本发明所述的非接触式矢量偏振光场测试系统可以实现聚焦光场非接触式测量，实现被检测光场中横向偏振光场和纵向偏振光场的同步、独立、快速获取。为开展聚焦光场、聚焦器件及系统、成像器件及系统的实验研究，提供重要的检测手段。
进一步，通过收集与分束模块设置的纳米位移台，系统还能够使被检测光场中横向偏振光场和纵向偏振光场的快速层析成像，使该系统能实现的偏振光场三维层析成像，可应用于聚焦光场偏振分布的三维测量。
本系统可以应用于远场超分辨光学器件的检测、远场超分辨光场的测量，也可应用于生物样品的非标记超分辨显微成像、工业相关超分辨显微检测等领域。
附图说明
图1透镜聚焦示意图；
图2纵向偏振光场成像示意图；
图3横向偏振光场成像示意图；
图4非接触式矢量偏振光场测试系统示意图；
图5入射光为线偏振光场的聚焦光场理论仿真结果和实验结果图；
图6入射光为圆偏振光场的聚焦光场理论仿真结果和实验结果图；
图7入射光为径向偏振光场的聚焦光场理论仿真结果和实验结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，为透镜聚焦示意图，对于给定的入射光束，其电场可以分解成为角向分量Eφ(方向如
Figure BDA0003074685420000031
所示)和径向分量Eρ(方向如
Figure BDA0003074685420000032
所示)；经过透镜聚焦后，径向分量Eρ变成Eθ(方向如
Figure BDA0003074685420000033
所示)和而角向分量Eφ保持不变。采用矢量角谱衍射理论，可以计算出聚焦光场在空间的分布。公式(1)为在径向偏振光入射条件下，聚焦光场中的纵向偏振电场分布Ez(r)；公式(2)为在线偏振光入射条件下的横向偏振电场分布Exy(r)。
Figure BDA0003074685420000034
Figure BDA0003074685420000035
如图2所示，为纵向偏振成像模块的纵向偏振光场成像示意图。
S1和S2分别为显微物镜和显微筒镜参考面，SWP为偏振转换片，LP为线偏振片。纵向光场由一纵向电偶极子
Figure BDA0003074685420000041
模拟，其位于显微物镜的前焦点处(显微物镜焦距为f)，纵向电偶极子辐射的电场由E1表示，其可以分解成为极角方向偏振分量Eθ(方向如
Figure BDA0003074685420000042
所示)和角向偏振分量Eφ(方向如
Figure BDA0003074685420000043
所示)；通过显微物镜后极角方向偏振分量变成径向偏振分量Eρ(方向如
Figure BDA0003074685420000044
所示)，而角向偏振分量Eφ(方向如
Figure BDA0003074685420000045
所示)保持不变；经过偏振转换片后，径向偏振分量变成y方向线偏振分量(方向如
Figure BDA0003074685420000046
所示)，角向偏振分量变成x方向线偏振分量(方向如
Figure BDA0003074685420000047
所示)；经过线偏振片后，利用高放大倍率(大于50倍)显微系统的光杠杆效应，可以将显微物镜的前焦点处横向偏振光场信息滤除，仅有包含显微物镜的前焦点处纵向偏振光场信息的y方向线偏振分量(方向如
Figure BDA0003074685420000048
所示)通过；最后包含显微物镜的前焦点处纵向偏振光场信息的y方向线偏振分量，由显微筒镜成像在其焦平面上，其对应的光场分布Ei如公式(3)所示。其形式上与径向偏振光入射条件下，聚焦光场中的纵向偏振电场分布Ez(r)完全一致，因此采用图2所示的光学系统，可以对纵向偏振电场分布进行测量。
Figure BDA0003074685420000049
如图3所示，为横向偏振成像模块的横向偏振光场成像示意图。
S1和S2分别为显微物镜和显微筒镜参考面，LP为线偏振片。横向光场由一横向电偶极子
Figure BDA00030746854200000410
模拟，其位于显微物镜的前焦点处(显微物镜焦距为f)，横向电偶极子辐射的电场由E1表示，其可以分解成为极角方向偏振分量Eθ(方向如
Figure BDA00030746854200000411
所示)和角向偏振分量Eφ(方向如
Figure BDA00030746854200000412
所示)。通过显微物镜后极角方向偏振分量变成径向偏振分量Eρ(方向如
Figure BDA00030746854200000413
所示)，而角向偏振分量Eφ(方向如
Figure BDA00030746854200000414
所示)保持不变。经过线偏振片后，仅有包含显微物镜的前焦点处y方向偏振光场信息的y方向线偏振分量(方向如
Figure BDA00030746854200000415
所示)通过，或者，通过将线偏振片旋转90度，让x方向线偏振分量通过；最后包含显微物镜的前焦点处横向偏振光场信息的y方向线偏振分量(或x方向线偏振分量)，由显微筒镜成像在其焦平面上，其对应的光场分布Ei如公式(4)所示。其形式上与线偏振光入射条件下，聚焦光场中的横向偏振电场分布Exy(r)完全一致，因此采用图3所示的光学系统，可以对横向偏振电场分布进行测量。
Figure BDA00030746854200000416
基于以上分析与研究，发明人设计了如图4所示的非接触式矢量偏振光场测试系统，其包括沿光路布置的照明模块、样品模块、收集与分束模块、纵向偏振成像模块、横向偏振成像模块和数据处理与显示模块。其具体结构如下：
所述照明模块用于对被测器件进行照明，其包括激光器1和扩束器2。
激光器1输出波长为λ的准直激光束，通过扩束器2进行扩束，使其强度为峰值强度0.9的范围能够覆盖整个被测样品5。
所述样品模块，包括二维位移台3和样品安装座4。
样品安装座固定在二维位移台3上，样品安装座4用于固定样品5。通过移动二维位移台来控制样品的位置，使被测器件样品与照明光束同轴。
所述收集与分束模块，包括光学显微物镜6、一维纳米定位台7和分束器8。三者依次安放且同轴布置，光学显微物镜6安装在一维纳米定位台7上。
光学显微物镜6收集在其焦平面的光场，并将其准直后，由分束器8分为两束光，分别送入后续的纵向偏振成像模块和横向偏振成像模块。通过移动一位纳米位移台，可以控制光学显微物镜前焦平面的位置，以收集不同z轴位置处的光场，以使系统实现快速三维层析成像。
所述纵向偏振成像模块，包括偏振转换片9(如采用S波片)、第一线偏振片10、第一显微筒镜11和第一数字相机12，它们依次同轴安放。其中偏振转换片9和第一线偏振片10位于分束器8和第一显微筒镜11光路之间。纵向偏振成像模块的光轴(即偏振转换片9、第一线偏振片10、第一显微筒镜11和第一数字相机12的共同光轴)与收集与分束模块的光轴(即光学显微物镜6和分束器8的共同光轴)呈90度相交。
利用所述纵向偏振成像模块，由偏振转换片9将分束器8分束后的一路光中的偏振分量进行转换，径向偏振成分转化为x方向的线偏振光，而角向偏振成分转化成为y方向的线偏振光；然后，由第一线偏振片10滤除y方向的线偏振光，仅让x方向的线偏振光通过，以实现光学显微物镜6前焦平面上的纵向偏振光场(即z方向偏振)的成像。
所述横向偏振成像模块，包括第二线偏振片13、第二显微筒镜14和第二数字相机15，它们依次同轴安放。其中第二线偏振片13位于分束器8和第二显微筒镜14光路之间。横向偏振成像模块的光轴(即第二线偏振片13、第二显微筒镜14和第二数字相机15的共同光轴)与收集与分束模块的光轴(即光学显微物镜6和分束器8的共同光轴)同轴。
利用所述横向偏振成像模块，通过旋转第二线偏振片13可以分别使x方向和y方向的线偏振光通过，以分别实现光学显微物镜6前焦平面上的下x方向线偏振光场和y方向线偏振光场的成像，即得到横向偏振光场分布图像。
所述数据处理与显示模块，包括计算机16和相应的处理程序。通过计算机16同时读取第一数字相机12和第二数字相机15上的纵向偏振光场图像和横向偏振光场图像。最后通过相应的处理程序对其进行处理和分析，最终获得偏振光场分布。
因此可见，以上非接触式矢量偏振光场测试系统可以快速、同步、独立获取光学显微物镜6前焦平面上的横向偏振光场(即x方向线偏振光场和y方向线偏振光场)和纵向偏振光场(即z方向线偏振光场)的成像，并可以进一步通过移动纳米位移台7来对准，获取横向偏振光场和纵向偏振光场的三维空间分布。
如图5所示，为在入射光为x方向线偏振光聚焦光场的理论和实验结果对比，实验结果为所述系统(一种非接触式矢量偏振光场测试技术与系统)的聚焦光场测试结果。(a)给出了Ex在x轴上的分布；(b)给出了Ey在x轴上的分布；(c)给出了Ez在x轴上的分布；(c)给出了总场E(包含Ex、Ey和Ez三个分量)在x轴上的分布；实验结果与理论仿真高度吻合。
如图6所示，为在入射光为圆偏振光聚焦光场的理论和实验结果对比，实验结果为所述系统(一种非接触式矢量偏振光场测试技术与系统)的聚焦光场测试结果。(a)给出了Ex在x轴上的分布；(b)给出了Ey在x轴上的分布；(c)给出了Ez在x轴上的分布；(c)给出了总场E(包含Ex、Ey和Ez三个分量)在x轴上的分布；实验结果与理论仿真高度吻合。
如图7所示，为在入射光为径向偏振光聚焦光场的理论和实验结果对比，实验结果为所述系统(一种非接触式矢量偏振光场测试技术与系统)的聚焦光场测试结果。(a)给出了Ex在x轴上的分布；(b)给出了Ey在x轴上的分布；(c)给出了Ez在x轴上的分布；(c)给出了总场E(包含Ex、Ey和Ez三个分量)在x轴上的分布；实验结果与理论仿真高度吻合。可见，本发明提出的以上非接触式矢量偏振光场测试系统，在传统显微镜基础上，通过偏振转换，对位于显微物镜焦平面的光场进行非接触式测量，可以快速、同步、独立获取所测量光场的横向偏振光场(即x方向线偏振光场和y方向线偏振光场)和纵向偏振光场(即z方向线偏振光场)的成像。

Claims (7)

1.一种非接触式矢量偏振光场测试系统，包括沿光路布置的照明模块、样品模块、收集与分束模块、纵向偏振成像模块、横向偏振成像模块和数据处理与显示模块；其特征在于：
所述照明模块用于对被测样品进行照射以产生待检测的聚焦光场；
所述样品模块用于固定被测样品并带动样品的二维位移；
所述收集与分束模块，包括同轴安放的光学显微物镜（6）和分束器（8）；光学显微物镜（6）收集在其焦平面的光场，准直后，由分束器（8）分为两束光，分别送入纵向偏振成像模块和横向偏振成像模块；
所述纵向偏振成像模块，包括依次同轴安放的偏振转换片（9）、第一线偏振片（10）、第一显微筒镜（11）和第一数字相机（12）；由分束器（8）分束后的一路光通过偏振转换片（9）和第一线偏振片（10）后，得到携带有显微物镜（6）前焦平面上纵向偏振光场信息的光束，并由第一显微筒镜（11）聚焦成像到第一数字相机（12）探测面，由第一数字相机（12）获取经过放大的显微物镜（6）前焦平面上纵向偏振光场图像；
所述横向偏振成像模块，包括依次同轴安放的线偏振片（13）、第二显微筒镜（14）和第二数字相机（15）；由分束器（8）分束后的另一路光通过第二线偏振片（13）后，得到携带有显微物镜（6）前焦平面上横向偏振光场信息的光束，并由第二显微筒镜（14）聚焦成像到第二数字相机（15）探测面，由第二数字相机（15）获取经过放大的显微物镜（6）前焦平面上横向偏振光场图像；通过控制第二线偏振片（13）的方向，获取x方向的线偏振光和y方向的线偏振光的光强度分布；
所述数据处理与显示模块（16），同时读取第一数字相机（12）和第二数字相机（15）上的纵向偏振光场图像和横向偏振光场图像，进行处理，最终获得偏振光场空间分布。
2.根据权利要求1所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，所述纵向偏振成像模块的光轴和收集与分束模块的光轴呈90度相交；其中偏振转换片（9）将分束器（8）分束后的一路光中的径向偏振成分转化为x方向的线偏振光，而将角向偏振成分转化成为y方向的线偏振光；然后，由第一线偏振片（10）滤除y方向的线偏振光，仅让x方向的线偏振光通过，实现光学显微物镜（6）前焦平面上的纵向偏振光场即z方向偏振的成像。
3.根据权利要求1所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，所述横向偏振成像模块的光轴和收集与分束模块的光轴同轴；其中通过旋转第二线偏振片（13）以分别使x方向和y方向的线偏振光通过，以分别实现光学显微物镜（6）前焦平面上的下x方向线偏振光场和y方向线偏振光场的成像。
4.根据权利要求1、2或3所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，由光学显微物镜（6）与第一显微筒镜（11）和第二显微筒镜（14）分别构成的显微系统具有相同的放大倍率，优选地，放大倍率大于50倍，利用高放大倍率（大于50倍）显微系统光杠杆效应的偏振滤波作用，对光学显微物镜前焦平面上光场分布信息进行过滤，分别实现纵向偏振光场分布和横向偏振光场分布的成像。
5.根据权利要求1、2或3所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，所述照明模块包括激光器（1）和扩束器（2）；激光器（1）输出波长为λ的激光束，通过扩束器（2）进行扩束。
6.根据权利要求1、2或3所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，所述样品模块包括二维位移台（3）和固定在其上的样品安装座（4）；样品安装座（4）用于固定样品（5），通过移动二维位移台来控制样品的位置。
7.根据权利要求1、2或3所述的非接触式矢量偏振光场测试系统，其特征在于，所述收集与分束模块还包括一维纳米定位台（7），所述光学显微物镜（6）安装在一维纳米定位台（7）上，通过移动纳米位移台，控制光学显微物镜（6）沿z轴方向移动，即控制光学显微物镜前焦平面的位置，使系统能够获取在不同z轴位置xy平面的纵向偏振光场和横向偏振光场的强度分布。
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