CN204789328U - 一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，通过激光器发出准直线偏振激光光束，经由扩束镜扩束后被第一分光镜均匀分成透射光束和反射光束；经由第一分光镜透射的透射光束经由中性密度滤波片后被第一反射镜反射于第二分光镜；由第一分光镜反射的反射光束经由中性密度滤波片后被第二反射镜反射至散射物体，产生具有调制散射函数的散射光束在第二分光镜处共轴叠加；叠加产生的混合光束源被探测传感器所探测，记录到的图片信息经由微型计算机程序处理后，得到散射物体产生的散射函数完整信息，包含散射函数的实部和虚部。

Description

一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置

技术领域

本实用新型属于应用光学技术领域，尤其涉及一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，此测量装置能够精确的恢复出散射物体散射函数的振幅和位相信息，可以应用于光学成像、空间遥感、天文探测等领域。

背景技术

近年来，散射物体的散射函数获得了研究人员的广泛关注，从物体的散射函数中可以提取出散射物体的基本特征参数，从而为物体的成像、探测等等提供重要的技术基础。从统计力学角度来讲，散射函数一般可以用关联函数来表征，关联函数是指空间上的某一点在不同的时刻(时域)或者是同一时刻在空间不同的位置(空域)之间起伏的一致性，如果在不同的时刻或者不同的空间位置二者具有完全一致的起伏特性，那么就说二者是完全相关的，关联值为一；如果二者的起伏完全独立，那么就说二者不相关，关联值为零，一般而言，光场的关联值介于这两个极限值之间。

因此，我们可以通过测量两点在时域或者空域的关联获得光束在时间和空间上的起伏关联，从而还原目标物体的结构和空间等信息，这一测量手段在天文测量、信息加密、生物技术等等方面具有广泛的应用价值，特别是在光学探测、光学通信、光束整形、粒子俘获、光学成像等等领域，获得了广泛的应用。因此，散射函数的测量具有重要的实践意义。但是在以往的实际应用中，传统的测量并不能恢复出散射函数值(包含实部和虚部信息)，而只能够得到散射函数的模平方，显然这并不能够得到散射函数的完整信息，同时这种测量方式具有严重的局限性，限制了对散射函数的进一步应用，到目前为止还没有提出过完整的恢复散射函数的方法和装置。此外，长期以来，对于散射函数的研究一直聚焦于简单的散射函数，近几年来，随着更为复杂的散射函数的理论和实验研究的发展，也催生了关于散射函数的更深层次的实践应用，展现出更为广阔的应用前景。

综上所述，散射函数因其特殊的结构特征被广泛的应用于天文观测、国防科研、医疗卫生等重大领域，具有广泛的应用价值，但是，正是因为其特殊的结构特征，如何精确的测量和还原其实部和虚部信息从而得到完整的关联信息显得尤为重要，同时也具有重要的现实意义。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，该装置能够精确的测量出散射函数的实部和虚部信息，在光学成像、空间遥感、天文探测、信息的加密和传输等等领域具有重要的应用价值。

本实用新型的测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，包括激光器、对所述激光器发出的激光光束进行扩束的扩束器、将扩束后的所述激光光束分成相垂直的透射光束与反射光束的第一分光镜、分别将所述透射光束与所述反射光束反射90°的第一反射镜与第二反射镜、以及将反射后的所述透射光束与所述反射光束共轴叠加的第二分光镜、将叠加后的光束的光强信息转换为图片信息的探测传感器，以及与所述探测传感器通信连接的微型计算机，散射物体置于所述第一反射镜与第二分光镜之间或置于所述第二反射镜与第二分光镜之间。

进一步的，所述第一分光镜与所述第一反射镜和第二反射镜之间均设有中性密度滤波片。

进一步的，所述激光器为线偏振单纵模He-Ne气体激光器。

进一步的，所述第一分光镜与第二分光镜的分光比均为50：50。

借由上述方案，本实用新型的测量散射物体散射函数实部和虚部的装置的优点在于：

1、本实用新型技术方案提供的一种测量散射物体(内部散射或表面散射)散射函数实部和虚部的装置，首次提出了通过叠加完全相干光束来测量散射光束源的散射函数的实部和虚部信息，具有首创性；

2、本实用新型技术方案提供的测量关联函数实部和虚部的装置，结构紧凑、测量精确，具有良好的操作性和实用性，具有广泛地应用前景。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种散射物体散射函数模平方的等高分布图；

图3是本实用新型实施例提供的一种散射物体散射函数实部的等高分布图；

图4是本实用新型实施例提供的一种散射物体散射函数虚部的等高分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图1，本实用新型一较佳实施例所述的一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，包括激光器1，扩束镜2，第一分光镜3，第二分光镜9，中性密度滤波片4、6，第一反射镜5，第二反射镜7，散射物体8，探测传感器10，微型计算机11。

由激光器1发出光强分布呈高斯分布的线偏振激光光束，激光器1为单纵模氦氖激光器，功率100mw，波长为632.8nm；激光器1发射出的线偏振激光光束经过连续可调式扩束镜2扩束，扩束镜2用来调节光束的束腰大小，扩束镜2为连续可调式镀膜扩束镜；经扩束的线偏振激光光束被第一分光镜3均匀分成相垂直的透射光束和反射光束，第一分光镜3为分光比50:50的非偏振分光镜；透射光束经由中性密度滤波片4后，被第一反射镜5反射后照射到第二分光镜9，第二分光镜9同样为分光比50:50的非偏振分光镜，中性密度滤波片4为连续可调式的中性密度滤波片，第一反射镜5为镀银表面镀铝保护膜型反射镜；经由第一分光镜3反射的反射光束经由中性密度滤波片6后，被第二反射镜7反射后照射在散射物体8，中性密度滤波片6同样为连续可调式的中性密度滤波片；经由第一反射镜5反射的完全相干光束与经由散射物体产生的散射光束在第二分光镜9处同轴叠加；产生的叠加光束源照射到探测传感器10上，探测传感器10将光强信息转化为0-255级灰度图片信息，经由探测传感器10记录的灰度图片信息保存至微型计算机11上。

记录在微型计算机11内的图片信息可以通过以下的方式处理：由探测传感器10连续记录下来总数为N(N为正整数)张的灰度图片信息，每一张图片信息可以表示成A×B的光强矩阵I(r)，A和B为所记录的图片在横向和纵向的像素元个数，r＝(x,y),[(x,y)∈(A,B)]为图片上任意一个像素元的坐标值，I为每一个像素元的灰度值即光强值，对矩阵做如(1)式所示的运算处理后就可以得到四阶关联函数(即散射函数的模平方)的空间分布，其计算机处理过程如下：

$g^{\left(2\right)}(r_1,r_2)=\frac{\⟨I\left(r_1\right)I\left(r_2\right)\⟩}{\⟨I\left(r_1\right)\⟩\⟨I\left(r_2\right)\⟩}=\frac{N\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\[I_n\left(r_1\right)I_n\left(r_2\right)\]}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_n\left(r_1\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_n\left(r_2\right)}---\left(1\right)$

其中g⁽²⁾(r₁,r₂)为两像元点r₁和r₂的空间四阶关联，〈〉为函数的系综平均；n和N分别为探测器拍摄的某一帧图片以及所拍摄到的总的图片数；I_n(r₁)及I_n(r₂)分别第n张图片在r₁和r₂点的光强值；Σ为求和符号。实际处理中可以固定r₁的坐标值，计算此坐标处的光强值与不同r₂处的光强值的关联值，来求得散射函数的模平方，此处理方法能够得到散射函数模平方的二维平面分布，此测量处理方法的测量精度取决于测量的图片张数N，处理中当N>4000时可以确保测量的精度。

探测传感器10为电荷耦合传感器，其上接收到叠加光束源的光场和光强信息可以分别表示为两叠加的光源电场的矢量和以及光强信息的叠加：

E_α(r)＝E_lα(r)+E_pα(r),(α＝xory)(2)

I_α(r)＝I_lα(r)+I_pα(r),(α＝xory)(3)

其中E_α(r)，I_α(r)分别为电场和光强，r≡(x,y)为垂直于光束传输平面上任意的坐标，下标“α”为光场的偏振方向，下标“l，p”分别代表相干激光和部分相干光束。

对记录在微型计算机11中的光强信息做四阶关联，其表达式可以表示为：

$\begin{array}{c}{G}^{\left(2\right)}(r_1,r_2)=\⟨I\left(r_1\right)I\left(r_2\right)\⟩=\⟨E_{\mathrm{\α}}^{*}\left(r_1\right)E_{\mathrm{\α}}\left(r_1\right)E_{\mathrm{\α}}^{*}\left(r_2\right)E_{\mathrm{\α}}\left(r_2\right)\⟩\\ =\⟨\[E_{\mathrm{l\α}}^{*}\left(r_1\right)+E_{\mathrm{p\α}}^{*}\left(r_1\right)\]\[E_{\mathrm{l\α}}\left(r_1\right)+E_{\mathrm{p\α}}\left(r_1\right)\]\[E_{\mathrm{l\α}}^{*}\left(r_2\right)+E_{\mathrm{p\α}}^{*}\left(r_2\right)\]\[E_{\mathrm{l\α}}\left(r_2\right)+E_{\mathrm{p\α}}\left(r_2\right)\]\⟩\\ =(\⟨I_l\left(r_1\right)\⟩+\⟨I_p\left(r_1\right)\⟩)(\⟨I_l\left(r_2\right)\⟩+\⟨I_p\left(r_2\right)\⟩)+2\mathrm{Re}\[{\mathrm{\Γ}}_l(r_1,r_2){\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2)\]+|{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2){|}^2\end{array}---\left(4\right)$

其中G⁽²⁾(r₁,r₂)为四阶关联函数，〈〉为函数的平均值。r₁≡(x₁,y₁)和r₂≡(x₂,y₂)分别为探测传感器10平面上任意两点坐标；I(r₁)和I(r₂)为这两点的光强值，Γ_l(r₁,r₂)和Γ_p(r₁,r₂)分别为相干光束和散射光束在这两点的散射函数，“Re”表示复数的实部。可以将(4)式写成如下形式：

$\mathrm{Re}\[{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2)\]=\frac{G^{\left(2\right)}(r_1,r_2)-(\⟨I_l(r_1)\⟩+\⟨I_p\left(r_1\right)\⟩)(\⟨I_l(r_2)\⟩+\⟨I_p\left(r_2\right)\⟩)-|{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2){|}^2}{2\mathrm{Re}\[{\mathrm{\Γ}}_l(r_1,r_2)\]}---\left(5\right)$

依据以往的测量手段仅可以测量出散射函数的模平方|Γ_p(r₁,r₂)|²一维的测量结果，而不能测量出散射函数完整信息即实部和虚部信息的确切具体数值。本实用新型提出的测量散射函数的实部和虚部的方法和装置，首先利用探测传感器10测量散射函数模平方的方法，测量出了散射函数的模平方的二维分布，其次再根据公式(3)所变形的公式(5)可以测量出散射函数实部的二维分布；依据散射函数的模平方|Γ_p(r₁,r₂)|²以及散射函数实部Re[Γ_p(r₁,r₂)]的二维分布图形，可计算出散射函数虚部值的模的二维分布图：

$|\mathrm{Im}\[{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2)\]|=\sqrt{|{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2){|}^2-\mathrm{Re}{\[{\mathrm{\Γ}}_p(r_1,r_2)\]}^2}---\left(6\right)$

“||”为模符号，“Im”为复数虚部符号。

如果散射物体8的散射函数为解析的复变函数，那么依据柯西-黎曼条件：如果函数f(z)＝u(x,y)+iv(x,y)在区域D内确定，那么f(z)在点z＝x+iy∈D可导的充分必要条件是：

1、实部u(x,y)和虚部v(x,y)在点(x,y)处可微；

2、u(x,y)和v(x,y)在点(x,y)满足柯西-黎曼方程：

$\frac{\∂u}{\∂x}=\frac{\∂v}{\∂y},\frac{\∂u}{\∂y}=-\frac{\∂v}{\∂x}.$

其中，“”为偏微分符号。将测量得到的散射函数的实部Re[Γ_p(r₁,r₂)]表示成一个二维矩阵形式，对该矩阵的行向量(x方向)和列向量(y方向)分别求偏导，借助柯西-黎曼判定条件，散射函数实部的偏导数值应与散射函数虚部值对列向量和对行向量的偏导数值符号相对应，通过此种一一对应的方式，就可以确认散射函数虚部值的正负号，此时就可以完整的恢复出散射物体散射函数的虚部信息的二维分布，进而确定散射物体散射函数的表达形式：

Γ_p(r₁,r₂)＝Re[Γ_p(r₁,r₂)]+iIm[Γ_p(r₁,r₂)](7)

利用本实施例提供的上述测量散射函数的实部和虚部的装置，其具体的操作步骤如下：

1、由线偏振单纵模He-Ne激光器1发出位相、光强稳定的且光强分布呈高斯分布的激光光束；

2、所发射的激光光束经过连续可调式扩束镜2均匀扩束，并经由分光比为50:50第一分光镜3均匀分成相垂直的透射光束和反射光束；

3、透射光束经由衰减强度连续可调式的中性密度滤波片4调节完全相干光束的强弱后经由第一反射镜5反射后照射到第二分光镜9；

4、经由第一分光镜3反射的反射光束经由衰减强度连续可调式中性密度滤波片6调节光束的强弱后，被第二反射镜7反射后照射在散射物体8上，产生具有一定散射函数结构的散射光束；

5、经由第一反射镜5反射的完全相干光束与经由散射物体8产生的散射光束在分光比为50:50的第二分光镜9处共轴叠加；

6、所产生的叠加光束源照射到探测传感器10上将光强信息转化为0-255级灰度图片信息，经由探测传感器10记录的灰度图片信息保存至微型计算机11上。

以下举例说明：

如果某一散射物体的散射函数满足如下散射函数式：

$\mathrm{\Γ}(r_1,r_2)=\exp (-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2})g_x(x_1-x_2)g_y(y_1-y_2)---\left(8\right)$

其中Γ(r₁,r₂)为散射物体的散射函数；r₁≡(x₁,y₁)，r₂≡(x₂,y₂)为垂直于光束传输平面上任意坐标点；“exp”为指数函数；σ₀为散射光束束腰半径；g_x(Δx)和g_y(Δy)分别为x方向和y方向的散射函数分量；Δx＝x₁-x₂，Δy＝y₁-y₂分别为x方向和y方向相对距离；δ₀为散射光束的相干长度；a为散射函数的调制参数；i为虚数符号；和分别为x方向和y方向的幅角。

本实施例以测量散射函数的实部和虚部的方法和装置为例，附图2所示给出了例子中散射物体的散射函数模平方的等高分布图；附图3给出了例子中散射物体散射函数实部的等高分布图；附图4给出了例子中散射物体散射函数虚部的等高分布图。这些数据在实验测量中得到了一致的结果，显示出良好的可操作性和广阔的应用前景。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，其特征在于：包括激光器、对所述激光器发出的激光光束进行扩束的扩束器、将扩束后的所述激光光束分成相垂直的透射光束与反射光束的第一分光镜、分别将所述透射光束与所述反射光束反射90°的第一反射镜与第二反射镜、以及将反射后的所述透射光束与所述反射光束共轴叠加的第二分光镜、将叠加后的光束的光强信息转换为图片信息的探测传感器，以及与所述探测传感器通信连接的微型计算机，散射物体置于所述第一反射镜与第二分光镜之间或置于所述第二反射镜与第二分光镜之间。

2.根据权利要求1所述的测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，其特征在于：所述第一分光镜与所述第一反射镜和第二反射镜之间均设有中性密度滤波片。

3.根据权利要求2所述的测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，其特征在于：所述激光器为线偏振单纵模He-Ne气体激光器。

4.根据权利要求3所述的测量散射物体散射函数实部和虚部的装置，其特征在于：所述第一分光镜与第二分光镜的分光比均为50：50。