CN117705305B - 一种光场多参数动态检测方法及其紧凑型系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光场多参数动态检测方法及其紧凑型系统。紧凑型系统包括基于圆偏振光的数字全息光路和电子终端设备，数字全息光路用于发出光束，照射待探测物体，并对光束进行分光处理，通过两个偏振CCD相机，分别采集通过待探测物体后的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备；电子终端设备，利用C++及OpenCV开发平台，对采集的光束图像进行分析处理，计算待探测物体的光场参数，包括待探测物体光场的振幅、光场的相位及光场的偏振信息，并显示于交互界面。本发明方法能够全面测量传统全息实验中无法测量的光场参数信息，兼具实时测定、结构紧凑的特点，便于更好地了解全息技术，以及直观学习光场中振幅、相位及偏振三个物理量的意义。

Description

一种光场多参数动态检测方法及其紧凑型系统

技术领域

本发明涉及光场探测技术领域，尤其涉及一种光场多参数动态检测方法及其紧凑型系统。

背景技术

近年来，随着全息技术的日渐成熟，利用全息技术完成对光场探测也越来越受到人们的关注，全息光场检测实验对于达到教学目标、保证教学质量也越来越受重视。

早期的全息技术需要分为图像记录和衍射再现两个过程，无法对光场进行实时动态的探测；其后引入数字全息技术，利用四步相移与解包裹技术，并与现代数字图像处理技术相结合，可以快速高效的重建出光场的振幅和相位信息，理论上实现了实时动态探测振幅、相位两个参数信息；进而采用波片旋转法通过对6幅强度图像进行处理，得到其功率进而计算出其偏振信息，这些是光场进行偏振测量的当前方法。

由此可见，现有方法和装置存在以下不足：没有多参数同时、动态测量的实验装置，光路搭建较为复杂，光路占用面积大，不够紧凑，且整个实验系统稳定性差，完成难度较大。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种光场多参数动态检测方法及其紧凑型系统，实时获取与显示光场振幅、相位及偏振信息，以解决现有技术中对光场多参量实时探测的不足。

本发明的技术方案是：一种光场多参数动态检测紧凑型系统，包括基于圆偏振光的数字全息光路和电子终端设备；

数字全息光路，用于发出光束，照射待探测物体，并对光束进行分光处理，通过两个偏振CCD相机，分别采集通过待探测物体后的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备；

电子终端设备，利用C++及OpenCV开发平台，对采集的光束图像进行分析处理，计算待探测物体的光场参数，并显示于交互界面，所述光场参数包括待探测物体光场的振幅、光场的相位及光场的偏振信息。

进一步地，数字全息光路，包括：氦氖激光器、偏振片、由针孔滤波器、光阑、凸透镜组成的扩束准直系统、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、衰减片、第一分光棱镜、第二分光棱镜、1/4波片、第一偏振CCD相机和第二偏振CCD相机；

光束由氦氖激光器射出，经过偏振片将椭圆偏振光变为线偏振光，再经过扩束准直系统消除杂散光，到达偏振分光棱镜；

光束由偏振分光棱镜分为两束正交偏振态的光，分别为：参考光与物光，

参考光为水平偏振光，参考光经过衰减片及第一反射镜后到达第二分光棱镜；

物光为竖直偏振光，待探测物体放置于偏振分光棱镜至第一分光棱镜之间的物光光路中，物光照射待探测物体，通过第一分光棱镜后，分为性质相同的第一物光光波和第二物光光波；

第一偏振CCD相机和第二偏振CCD相机分别用于采集通过待探测物体的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备。

进一步地，数字全息光路中还包括斯托克斯参数偏振测量光路，第一物光光波经过斯托克斯参数偏振测量光路，到达第一偏振CCD相机以记录光束的强度图像。

第二物光光波经过第二反射镜后，与参考光经过第二分光棱镜合束，在第二分光棱镜后方加入1/4波片，转动1/4波片，使参考光与第一物光光波为处于正交状态的圆偏振光，获得全息图像，并进行干涉，全息图像和干涉条纹图像通过第二偏振CCD相机记录。

进一步地，所述电子终端设备，基于获取到的第二偏振CCD相机记录的干涉条纹图像计算待探测物体的光场振幅与光场相位信息，并基于获取到第一偏振CCD相机记录强度图像，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体的光场偏振信息。

电子终端设备通过交互界面，显示与实际光场同步的光场振幅相位及偏振信息，所述偏振信息通过待探测物体的偏振椭圆和庞加莱球展示。

进一步地，所述数字全息光路的底面和侧面分别由一块光学平板构成，底面光学平板搭建激光器以及激光滤波装置，侧面光学平板为全息光路及偏振测量光路。

本发明的技术方案还提供了一种光场多参数动态检测方法，基于上述任意一项所述的紧凑型系统进行光场多参数动态检测，包括如下步骤：

步骤S1、光路准备：搭建基于圆偏振光的数字全息光路，并将数字全息光路中的第一偏振CCD相机和第一偏振CCD相机连接至电子终端设备；

步骤S2、采集光场振幅与相位信息：在数字全息光路中，由氦氖激光器射出光束，将待测物体放进数字全息光路的物光光路中，调整参考光与物光使其在干板上形成清晰的干涉条纹，让形成的干涉图样垂直入射到第二偏振CCD相机靶面，第二偏振CCD相机采集干涉条纹图像，并传输至电子终端设备；

步骤S3、采集光场偏振信息：从物光光路中加一个分光棱镜，使用第一偏振CCD相机进行数据采集以获取待探测物体的光场偏振信息，传输至电子终端设备；

步骤S4、系统校准：在电子终端设备的交互界面显示，选择自动对焦，计算最佳重建距离；

步骤S5、光场多参数计算：电子终端设备基于获取到的第二偏振CCD相机记录的干涉条纹图像计算待探测物体的光场振幅与光场相位信息，并基于获取到第一偏振CCD相机记录强度图像，光场偏振信息采用斯托克斯参数测量方法获得，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体的光场偏振信息；

步骤S6、图像分析：在电子终端设备的交互界面显示，选择采集图像，显示信息包括第一和第二偏振CCD相机拍摄的全息图像、物体的光场振幅信息、相位信息、解包裹后的相位信息以及光场偏振信息；其中，在求解光场相位时使用反正切函数，求得的相位范围在[-π/2,π/2]，采用可靠性排序引导非连续路径的相位解包裹算法获得解包裹后的相位信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明构建了光场多参数动态检测紧凑型系统，利用偏振CCD采集得到的四幅相移为π/2全息图，编写相应的算法以获取光场的振幅与相位信息，并通过物光光路分出的另一光束，利用斯托克斯参量之间的关系计算，减少了由于波片对功率损耗而使其偏振态测量的误差。

2、本发明利用斯托克斯参数之间的关系，从而获取准确的光场偏振态信息，同时相比于传统偏振测量方法，本发明使用圆偏振分量，采用完全偏振光的特点，再由探测线偏振光的强度计算获得，减小了对结果带来的影响。

3、本发明电子终端设备中包括可以实时观测振幅、相位和偏振信息的图像分析程序与处理软件，可以在电子终端设备的交互界面显示实验结果，直观展示CCD采集的全息图、物体的振幅重构信息、包裹以及解包裹后的相位信息和使用偏振椭圆或庞加莱球表示的光场偏振态，从而实现对待探测物体的振幅、相位和偏振信息的实时观测。

附图说明

图1为本发明光场多参数动态检测紧凑型系统原理图；

图2为本发明数字全息光路结构框图；

图3为本发明电子终端设备光场多参数计算及图像分析流程图；

图4中的（a）表示偏振CCD记录的全息图，（b）表示重建物体的振幅信息图，（c）表示物体的包裹相位信息图，（d）表示解包裹后三维角度观测物体的相位信息图，（e）表示物体解包裹后的二维相位信息图，（f）表示物体的偏振信息图；

图5为本发明实施例一获得的光场的振幅、相位与偏振信息图；

图6为本发明实施例二获得的光场的振幅、相位与偏振信息图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。同时对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明一种光场多参数动态检测紧凑型系统，如图1所示，包括基于圆偏振光的数字全息光路和电子终端设备；

数字全息光路，用于发出光束，照射待探测物体，并对光束进行分光处理，通过两个偏振CCD相机，分别采集通过待探测物体后的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备；

电子终端设备，利用C++及OpenCV开发平台，对采集的光束图像进行分析处理，计算待探测物体的光场参数，并显示于交互界面，所述光场参数包括待探测物体光场的振幅、光场的相位及光场的偏振信息。

数字全息光路，如图2所示，包括：氦氖激光器、偏振片、由针孔滤波器（由20倍显微物镜与10微米针孔组成）、光阑（用于提高物光与参考光的相干性）、凸透镜组成的扩束准直系统、偏振分光棱镜（保证物光与参考光的偏振态正交）、反射镜（使得两束光的水平传播，保证光程差相同）、衰减片、分光棱镜（将物光与参考光合束）、1/4波片（将两束光变为正交的圆偏振光）、偏振CCD相机（记录干涉图像和强度图像）；

其中，反射镜、分光棱镜、偏振CCD相机分别有两个，表示为第一反射镜、第二反射镜，第一分光棱镜、第二分光棱镜，第一偏振CCD相机和第二偏振CCD相机。

光束由氦氖激光器射出，经过偏振片将椭圆偏振光变为线偏振光，再经过扩束准直系统消除杂散光，到达偏振分光棱镜；

光束由偏振分光棱镜分为水平偏振光参考光（R光）与竖直偏振光物光（O光）。

物光照射待探测物体，经过第一分光棱镜分为两束性质相同的第一物光光波和第二物光光波。

第一物光光波通过第一偏振CCD相机以记录图像。

第二物光光波与所述参考光在第二分光棱镜合束，后经过1/4波片形成圆偏振光并进行干涉，干涉条纹图像由第二偏振CCD记录。

强度图像和干涉条纹图像由电子终端设备包含的程序分析，得到所述待探测物体的光场振幅、相位与偏振信息。

基于上述紧凑型系统进行光场多参数动态检测，如图3所示，包括步骤如下：

步骤S1、光路准备：搭建基于圆偏振光的数字全息光路，并将数字全息光路中的第一偏振CCD相机和第一偏振CCD相机连接至电子终端设备；

步骤S2、采集光场振幅与相位信息：在数字全息光路中，由氦氖激光器射出光束，将待测物体放进数字全息光路的物光光路中，调整参考光与物光使其在干板上形成清晰的干涉条纹，让形成的干涉图样垂直入射到第二偏振CCD相机靶面，第二偏振CCD相机采集干涉条纹图像，并传输至电子终端设备；

步骤S3、采集光场偏振信息：从物光光路中加一个分光棱镜，使用第一偏振CCD相机进行数据采集以获取待探测物体的光场偏振信息，传输至电子终端设备；

步骤S4、系统校准：在电子终端设备的交互界面显示，选择自动对焦，计算最佳重建距离；

步骤S5、光场多参数计算：电子终端设备基于获取到的第二偏振CCD相机记录的干涉条纹图像计算待探测物体的光场振幅与光场相位信息，并基于获取到第一偏振CCD相机记录强度图像，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体的光场偏振信息。

具体的，电子终端设备获取到的第二偏振CCD记录的干涉条纹图像为四幅，分别表示为0°相位差干涉图、45°相位差干涉图、90°相位差干涉图、135°相位差干涉图，四幅图像间关系如下：

;

计算待探测物体的光场振幅与相位信息，公式如下：

;

其中，（x，y）表示光场坐标点，I ₁ 、I ₂ 、I ₃ 、I ₄ 分别表示偏振CCD获得在0°的干涉图、45°的干涉图、90°的干涉图、135°的干涉图；I _R 表示干涉条纹平均强度，i为虚数单位，表示物光与参考光之间的相位差，/>表示物光的振幅强度，/>表示表示干涉条纹图的调制项。

具体的，电子终端设备获取到第一偏振CCD记录强度图像后，光场偏振信息采用斯托克斯参数测量方法获得，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体的光场偏振信息，公式如下：

其中，S ₀ 表示总光强信息，S ₁ 表示水平偏振分量与竖直偏振分量差值，S ₂ 表示45°线偏振分量与135°线偏振分量的差值，S ₃ 表示左旋圆偏振分量与右旋圆偏振分量的差值;

分别表示物光0°偏振分量强度图、90°偏振分量强度图、45°偏振分量强度图，135°偏振分量强度图。

步骤S6、图像分析：在电子终端设备的交互界面显示，选择采集图像，即可在系统中看到拍摄的图像，包括第一和第二偏振CCD相机拍摄的全息图像、物体的光场振幅信息、包裹相位信息、解包裹后的相位信息以及光场偏振信息，如图4所示，图4中的（a）表示偏振CCD记录的全息图，（b）表示重建物体的振幅信息图，（c）表示物体的包裹相位信息图，（d）表示解包裹后三维角度观测物体的相位信息图，（e）表示物体解包裹后的二维相位信息图，（f）表示物体的偏振信息图。

实施例一：光场多参数动态检测紧凑型系统具体包括：

氦氖激光器发出波长为632.8nm的激光，经过一个由20倍的显微物镜、直径10微米针孔、光阑和一个焦距为100毫米的凸透镜组成的扩束准直系统，从而消除了杂散光。

后经过一个偏振分光棱镜，将光分成两束正交偏振态的光，即物光（O光）和参考光（R光），参考光路中加入一个衰减片以控制光的强弱，物光经过物体之后，由第一分光棱镜分成两束光O1和O2。

物光O2由第一偏振CCD相机记录强度图像，另一束物光（O1）与参考光(R光)经过分光棱镜后合束，并在其后方加入一个1/4波片，转动波片，使参考光（R光)与物光（O1）恰好为处于正交状态的圆偏振光，通过第二偏振CCD相机记录全息图像，利用软件进行分析处理，得到物体的振幅相位以及其偏振信息。

本实施例中，所述光场多参数动态检测紧凑型系统，激光器长约34cm，整个系统底座板长约45cm，宽为30cm，而被支撑的横板高约45cm，宽为30cm，该实验装置在光学平面上只占普通实验光路1/3的空间。

为了获取涡旋片、分辨率版上数字“6”的振幅、相位和偏振信息，首先将其放置在如图2所示的第一分光棱镜前，调整物光（O1光）与参考光（R光）以得到的清晰的干涉条纹并使其垂直照射在偏振CCD靶面。同时，使另一束物光（O2）垂直入射第一偏振CCD，之后运行程序，采集方式选择单帧采集，探测对象选择完全偏振，获得光场的振幅、相位与偏振信息如图5所示。图5探测水平偏振光，一个一阶涡旋片以及数字图案为‘6’分辨率板作为物体信息。

实施案例二：

为了获取分辨率版、涡旋片与1/4波片组合而成的条纹的振幅、相位和偏振信息，首先将其放置在如图2所示的第一分光棱镜前，调整物光（O1光）与参考光（R光）以得到的清晰的干涉条纹并使其垂直照射在偏振CCD靶面。

同时，使另一束物光（O2）垂直入射第一偏振CCD，之后运行程序，采集方式选择单帧采集，探测对象选择完全偏振，获得光场的振幅、相位与偏振信息如图6所示。图6采用了圆偏振光，螺旋相位板以及分辨率版上一组线对数为物体信息。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种光场多参数动态检测紧凑型系统，其特征在于，包括基于圆偏振光的数字全息光路和电子终端设备；

所述数字全息光路，用于发出光束，照射待探测物体，并对光束进行分光处理，通过两个偏振CCD相机，分别采集通过待探测物体后的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备；

数字全息光路，包括：氦氖激光器、偏振片、扩束准直系统、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、衰减片、第一分光棱镜、第二分光棱镜、1/4波片和第一偏振CCD相机和第二偏振CCD相机；

光束由氦氖激光器射出，经过偏振片将椭圆偏振光变为线偏振光，再经过扩束准直系统消除杂散光，到达偏振分光棱镜；光束由偏振分光棱镜分为两束正交偏振态的光，分别为：参考光与物光；

所述参考光为水平偏振光，参考光经过衰减片和第一反射镜后到达第二分光棱镜；

所述物光为竖直偏振光，待探测物体放置于偏振分光棱镜至第一分光棱镜之间的物光光路中，物光照射待探测物体，通过第一分光棱镜后，分为性质相同的第一物光光波和第二物光光波；

数字全息光路中还包括斯托克斯参数偏振测量光路，第一物光光波经过斯托克斯参数偏振测量光路，到达第一偏振CCD相机以记录光束的强度图像；

第二物光光波经过第二反射镜后，与参考光经过第二分光棱镜合束，在第二分光棱镜后方加入1/4波片，转动1/4波片，使参考光与第一物光光波为处于正交状态的圆偏振光，经过偏振CCD的偏振阵列后进行干涉形成4幅相位差为π/2全息图像，并由第二偏振CCD记录；

第一偏振CCD相机和第二偏振CCD相机分别用于采集通过待探测物体的光束的强度图像和干涉条纹图像，传输至电子终端设备；

所述电子终端设备，对采集的光束图像进行分析处理，计算待探测物体的光场参数，并显示于交互界面，所述光场参数包括待探测物体光场的振幅、光场的相位及光场的偏振信息；

电子终端设备基于获取到的第二偏振CCD相机记录的干涉条纹图像计算待探测物体的光场的振幅与光场的相位信息，并基于获取到的第一偏振CCD相机记录的强度图像，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体光场的偏振信息。

2.根据权利要求1所述的光场多参数动态检测紧凑型系统，其特征在于，所述扩束准直系统包括针孔滤波器、光阑、凸透镜。

3.根据权利要求1所述的光场多参数动态检测紧凑型系统，其特征在于，所述电子终端设备利用C++及OpenCV开发平台，通过交互界面，显示与实际光场同步的光场振幅相位及偏振信息，所述偏振信息通过待探测物体的偏振椭圆和庞加莱球展示。

4.根据权利要求1所述的光场多参数动态检测紧凑型系统，其特征在于，所述数字全息光路的底面和侧面分别由一块光学平板构成，底面光学平板搭建氦氖激光器以及激光滤波装置，所述激光滤波装置包括：反射镜、针孔滤波器、凸透镜以及偏振分光棱镜；侧面光学平板为全息光路及偏振测量光路，所述全息光路包括第二分光棱镜、第二偏振片、半波片、第二1/4波片以及第二偏振CCD；偏振测量光路包括第一分光棱镜以及第一偏振CCD。

5.一种光场多参数动态检测方法，基于权利要求1-4任意一项所述的紧凑型系统进行光场多参数动态检测，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、光路准备：搭建基于圆偏振光的数字全息光路，并将数字全息光路中的第二偏振CCD相机和偏振测量光路中的第一偏振CCD相机连接至电子终端设备；

步骤S2、采集光场振幅与相位信息：在数字全息光路中，由氦氖激光器射出光束，将待测物体放进数字全息光路的物光光路中，调整参考光与物光使其在偏振CCD上形成清晰的干涉条纹，让形成的干涉图样垂直入射到第二偏振CCD相机靶面，第二偏振CCD相机采集干涉条纹图像，并传输至电子终端设备；

步骤S3、采集光场偏振信息：从物光光路中加一个分光棱镜，使用第一偏振CCD相机进行数据采集以获取待探测物体的光场偏振信息，传输至电子终端设备；

步骤S4、系统校准：在电子终端设备的交互界面显示，选择自动对焦，计算最佳全息图重建距离，获得清晰再现像；

步骤S5、光场多参数计算：电子终端设备基于获取到的第二偏振CCD相机记录的干涉条纹图像计算待探测物体的光场振幅与光场相位信息，并基于获取到第一偏振CCD相机记录强度图像，光场偏振信息采用斯托克斯参数测量方法获得；

步骤S6、图像分析：在电子终端设备的交互界面显示，选择采集图像，显示信息包括第一和第二偏振CCD相机拍摄的全息图像、物体的光场振幅信息、相位信息、解包裹后的相位信息以及光场偏振信息；其中，在求解光场相位时使用反正切函数，求得的相位范围在[-π/2,π/2]，采用可靠性排序引导非连续路径的相位解包裹算法获得解包裹后的相位信息。

6.根据权利要求5所述的光场多参数动态检测方法，其特征在于，步骤S5中，电子终端设备获取到的第二偏振CCD记录的干涉条纹图像为四幅，分别表示为0°相位差干涉图、45°相位差干涉图、90°相位差干涉图、135°相位差干涉图，四幅图像间关系如下：

;

计算待探测物体的光场振幅与相位信息，公式如下：

;

其中，（x，y）表示光场坐标点，I ₁ 、I ₂ 、I ₃ 、I ₄ 分别表示偏振CCD获得在0°的干涉图、45°的干涉图、90°的干涉图、135°的干涉图；I _R 表示干涉条纹平均强度，i为虚数单位，表示物光与参考光之间的相位差，/>表示物光的振幅强度，/>表示表示干涉条纹图的调制项。

7.根据权利要求5所述的光场多参数动态检测方法，其特征在于：步骤S5中，电子终端设备获取到第一偏振CCD记录强度图像后，光场偏振信息采用斯托克斯参数测量方法获得，利用强度与功率之间的关系还原出待测物体的光场偏振信息，公式如下：

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其中，S ₀ 表示总光强信息，S ₁ 表示水平偏振分量与竖直偏振分量差值，S ₂ 表示45°线偏振分量与135°线偏振分量的差值，S ₃ 表示左旋圆偏振分量与右旋圆偏振分量的差值;

分别表示物光0°偏振分量强度图、90°偏振分量强度图、45°偏振分量强度图，135°偏振分量强度图。