偏振檢測儀及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種偏振檢測儀及檢測方法，該偏振檢測儀包括一具有變雙折射率特性的自聚焦透鏡，作為光學(xué)相位延遲調(diào)制器；一偏振片，作為偏振態(tài)分析器；若干普通透鏡和一CCD，作為成像器件；一數(shù)據(jù)處理和顯示單元。該偏振檢測儀利用自聚焦透鏡等變雙折射率光學(xué)元件廣泛具有的特殊雙折射分布，通過CCD單幀成像即可得到待測光的斯托克斯向量，能夠快速準(zhǔn)確地確定光的偏振態(tài)。它構(gòu)造簡單，成本較低，它不含有任何運動部件和電調(diào)制設(shè)備，是完全靜態(tài)的全斯托克斯向量偏振檢測儀。該偏振檢測儀可廣泛用于橢偏儀，偏振遙感設(shè)備和穆勒矩陣測量裝置中，可極大地降低成本，提高檢測速度。
【專利說明】偏振檢測儀及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光的偏振態(tài)的檢測裝置一偏振檢測儀，尤其涉及一種能夠?qū)崟r高速測量全部斯托克斯向量參數(shù)的偏振檢測儀，以及其檢測方法。
技術(shù)背景
[0002]電磁波是橫波，而光的偏振態(tài)是光最重要的幾個基本屬性之一。在各個光學(xué)領(lǐng)域中，光的偏振態(tài)都是重要的參數(shù)。例如在遙感技術(shù)中，檢測特定偏振態(tài)的光能夠有效識別目標(biāo)物，在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中，偏振成像可以提高影像的分辨率，提供病理變化信息，在材料學(xué)中，利用偏振光可以測量薄膜的厚度和折射率等參數(shù)。
[0003]要想確定一束光的所有偏振信息，我們需要測量這束光的斯托克斯向量。斯托克斯向量是表征光的偏振態(tài)的通用概念，任意偏振態(tài)的光，包括線偏振光，圓偏振光，橢圓偏振光和部分偏振光，都可以用它來表示。
[0004]光的斯托克斯向量的測量需要分別測量光經(jīng)過多種O 4種)不同偏振元件后的光強。在過去的幾十年間，國內(nèi)外發(fā)明了各式偏振檢測儀，目的就是實現(xiàn)準(zhǔn)確而快速的測量?？傮w來說，偏振檢測儀分為含時性測量和同時性測量兩類。最初的偏振檢測儀一般由轉(zhuǎn)動的晶體波片和偏振片組成，它結(jié)構(gòu)簡單，理論成熟。但波片或偏振片的轉(zhuǎn)動需要依靠人力或電機，進行至少四次測量，無法滿足快速測量的要求。另外，波片的轉(zhuǎn)動會造成光束漂移，整個系統(tǒng)是非靜態(tài)的，增加了測量的不確定性。另一種含時的偏振檢測儀使用液晶波片(或電光晶體)代替?zhèn)鹘y(tǒng)晶體波片，它利用調(diào)制電壓快速改變相位延遲，雖然降低了測量時間，但仍然不能滿足某些快速測量的需求。并且，這種偏振檢測儀往往需要兩個或者更多的液晶(或電光晶體)調(diào)制器，成本較高。
[0005]因此，偏振態(tài)的同時性檢測裝置具有重要意義。同時性偏振檢測儀多是利用分波前和分振幅的方法實現(xiàn)的。分波前裝置往往需要設(shè)計至少四個獨立的微型光學(xué)元件置于光路中，然后一一探測每個元件對應(yīng)的信號。而分振幅裝置多使用分光棱鏡將一路光束分成4路以上，每路設(shè)計不同，最后探測每路的信號。分波前裝置對微加工工藝的要求較高。分振幅裝置元件較多，往往體積較大，成本較高。而且每種裝置往往對應(yīng)各式不同測量方法，校準(zhǔn)工作復(fù)雜。
[0006]由上面的陳述可知，現(xiàn)有的偏振檢測儀或多或少存在同時性、成本、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)難度等問題。新的偏振檢測儀亟待推出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種偏振檢測儀及檢測方法，滿足同時性測量的要求。
[0008]為此，本發(fā)明提出一種偏振檢測儀，包括外殼，依次設(shè)置于光路上的偏振片、成像透鏡、CCD,以及數(shù)據(jù)處理裝置和連接于CCD與數(shù)據(jù)處理裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸線，其中偏振片、成像透鏡和CCD至少部分封裝在外殼內(nèi)，其特征是:還包括具有變雙折射率特性的透鏡，所述具有變雙折射率特性的透鏡可接收被測入射光并使出射的光線產(chǎn)生光場的相位空間分布后進入偏振片，不同相位的光線經(jīng)過偏振片發(fā)生偏振干涉，產(chǎn)生干涉花樣，干涉條紋投射在CCD上記錄下來并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理裝置；所述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)不同的干涉花樣形狀對應(yīng)的不同的入射光偏振態(tài)，計算出入射光的偏振態(tài)；所述具有變雙折射率特性的透鏡是指有一定相位延遲分布的器件所謂具有變雙折射率特性的透鏡是指有一定雙折射參數(shù)有空間相位延遲分布的器件，所述雙折射參數(shù)包括雙折射值和光軸方向。
[0009]本發(fā)明還提出一種偏振檢測方法，其特征是:包括如下步驟:A、使得待測光束進入儀器進光口，入射光線具有一定的偏振態(tài)；B、入射光進入具有變雙折射率特性的透鏡，使其產(chǎn)生光場的空間相位調(diào)節(jié)；C、從具有變雙折射率特性的透鏡出射的光線進入偏振片，不同相位的光線經(jīng)過偏振片發(fā)生偏振干涉，產(chǎn)生干涉花樣；D、光線經(jīng)過透鏡進入(XD，干涉條紋投射在CCD上記錄下來；E、根據(jù)不同的干涉花樣形狀對應(yīng)不同的入射光偏振態(tài)，計算出入射光的偏振態(tài)。
[0010]本發(fā)明人提出上述技術(shù)方案是基于發(fā)明人在實驗中觀測到偏振光經(jīng)過自聚焦透鏡或其他具有變雙折射率的材料后會改變原來的偏振態(tài)，在自聚焦透鏡的情形，這種改變類似于很多環(huán)形微小波片陣列的效果，而這些微小波片的相位延遲分布在O - 180度之間，同時雙折射快軸方向分布在-90 - 90度之間，能夠遍歷所有可能的波片。偏振光經(jīng)過不同的相位延遲和光軸方向的波片，再經(jīng)過偏振片后會發(fā)生偏振干涉現(xiàn)象，進而會在CCD上形成各種不同的光強花樣分布。而這些花樣和入射的偏振態(tài)是 對應(yīng)的。本發(fā)明可以利用不同的花樣確定不同的入射偏振態(tài)，或者從不同的花樣提取參數(shù)表征不同的偏振態(tài)。
[0011]本發(fā)明的上述基于具有變雙折射率材料的偏振檢測儀具有以下優(yōu)勢:第一，能滿足同時性測量的要求；第二，它基本無需機械轉(zhuǎn)動，無需電調(diào)制相位光學(xué)元件，無需多余的分振幅或分波前器件，從而有效降低了成本，結(jié)構(gòu)緊湊便攜，可以很容易應(yīng)用于相關(guān)系統(tǒng)中，兼容性強；第三，采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，使用簡單；第四，可以達到很高的系統(tǒng)級精度，而且系統(tǒng)的初始校準(zhǔn)快捷準(zhǔn)確。
[0012]本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于涉及到光的偏振態(tài)檢測的各種科研場合和工業(yè)應(yīng)用場合，具體可用于制作各種偏振檢測儀器、橢偏儀、穆勒矩陣測量儀和偏振遙感裝置等等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1a是自聚焦透鏡成像示意圖(灰度表示雙折射大小黑色為大，白色為小)。
[0014]圖1b是自聚焦透鏡橫截面示意圖(灰度表示雙折射大小黑色為大，白色為小)。
[0015]圖2本發(fā)明實施例偏振檢測儀示意圖。
[0016]圖3a、3b分別是自聚焦透鏡的相位延遲大小(灰度表示相位延遲大小黑色為大，白色為小(O - 180度))和雙折射快軸方向示意圖(-90 - 90度)。
[0017]圖4是本發(fā)明實施例測量得到的CCD上的光強示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明實施例起偏器的一定情況下的光強圖推出的入射光的斯托克斯向
量示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明實施例流程示意圖。
【具體實施方式】
[0020]本實施例是用于說明利用自聚焦透鏡的偏振檢測儀及其檢測方法。[0021]自聚焦透鏡(GRINLens)又稱為梯度變折射率透鏡，是指其折射率分布是沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能。
[0022]當(dāng)光線在空氣中傳播當(dāng)遇到不同介質(zhì)時，由于介質(zhì)的折射率不同會改變其傳播方向。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過控制透鏡表面的曲率，利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點。
[0023]自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于，自聚焦透鏡材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射，并使折射率的分布沿徑向逐漸減小，從而實現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)的匯聚到一點。如圖1a所示為某一自聚焦透鏡側(cè)截面成像示意圖，其中AB為物，A’ B’為像。本例中使用的自聚焦透鏡的雙折射分布與折射率分布不同，雙折射大小沿徑向逐漸增加(圖中從中心到外圍灰度逐漸增加)，快軸方向10沿自聚焦透鏡的環(huán)形方向(如圖lb)，圖中灰度表示其雙折射率的變化，顏色越深的區(qū)域其雙折射率越大。
[0024]本實施例是基于自聚焦透鏡構(gòu)建一種同時性的偏振光斯托克斯參量檢測儀(即本發(fā)明的偏振檢測儀的一種)，如圖2所示，包括外殼、自聚焦透鏡1、偏振片P(其為一固定偏振角度的偏振片)、成像透鏡L、面陣電荷耦合器件CCD、數(shù)據(jù)傳輸線、電子計算機，和數(shù)據(jù)處理、分析、結(jié)果顯示軟件。其中自聚焦透鏡1、偏振片P、成像透鏡L和面陣電荷耦合器件CCD封裝在外殼內(nèi)。我們使用的自聚焦透鏡的長度在厘米量級，整套偏振檢測儀的可以做到6厘米左右或者更短的長度，直徑為1.5毫米或者更細，便攜性和兼容性強。亦可將存儲器或單片機封裝在偏振檢測儀中，可脫離電子計算機獨立工作。圖2為本實施例使用的光路圖，我們調(diào)節(jié)光路，使得CCD位于自聚焦透鏡前端面對應(yīng)的像平面上，其中AB為物，對應(yīng)自聚焦透鏡前端面，A’ B’為自聚焦透鏡中的成像，A”B”為在C⑶中的成像。
[0025]本實施例利用上述檢測儀進行偏振檢測的測量步驟如下(如圖6所示):
[0026]A、使得待測光束進入儀器進光口。入射光線具有一定的偏振態(tài)，即X方向和y方向的強度和相位；
[0027]B、入射光進入自聚焦透鏡，產(chǎn)生了光場的相位空間分布；
[0028]C、從自聚焦透鏡出射的光線進入偏振片，不同相位的光線經(jīng)過偏振片發(fā)生偏振干涉，產(chǎn)生干涉花樣；
[0029]D、光線經(jīng)過透鏡進入(XD，干涉條紋投射在CXD上記錄下來；
[0030]E、不同的干涉花樣形狀對應(yīng)不同的入射光偏振態(tài)，即入射光的偏振態(tài)和CCD的花樣一一對應(yīng)。通過計算程序可以將這種一一對應(yīng)的關(guān)系建立起來，并可以通過某個特定的花樣計算出入射光的偏振態(tài)，并保存；
[0031]F、還可選擇在用戶界面將表征偏振態(tài)的邦加球和對應(yīng)的橢圓參數(shù)顯示出來，從而形象地顯示出偏振測量的結(jié)果。
[0032]上述偏振檢測儀方法原理分析說明如下:
[0033]使待測不同偏振態(tài)的入射光經(jīng)過自聚焦透鏡和偏振片后投射在CCD上。在此過程中，偏振態(tài)的變化為:
[0034]Sout — Mp.Mgein.Sin
[0035]Sin為入射光的偏振態(tài),Sout為出射光在(XD表面時的偏振態(tài),Mp為偏振片的穆勒矩陣，Mgein是自聚焦透鏡的穆勒矩陣。
[0036]CCD探測得到的最終信號是光的強度信號，它只與偏振片的穆勒矩陣的第一行有關(guān)。[0037]其中，偏振片穆勒矩陣的第一行為:
[0038]Afp(1,:) = ( i?J+i>i,(p；-p；)cos2^p,(i>；-1,i!)sin20is,O )
[0039]px和py分別為偏振片消光極小方向和極大方向的出射光與入射光消光比，tp為偏振片極小消光方向的方位角。
[0040]固定偏振片的通光方向為水平時，上式可簡化為:
[0041]Mp(l,:) = (k p; O O),
[0042]我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，自聚焦透鏡產(chǎn)生的相位延遲大小和雙折射快軸方向如圖3a、3b所示:
[0043]圖3a是自聚焦透鏡的相位延遲大小，圖3b是雙折射快軸方向。相位延遲的范圍是0-180度，快軸角度的范圍是-90度到90度，這是穆勒矩陣測量得到的結(jié)果。
[0044]由此圖可見，自聚焦透鏡的雙折射分布是環(huán)形對稱的。自聚焦透鏡口徑內(nèi)不同位置的偏振性質(zhì)不同，即穆勒矩陣不同。為此，我們將自聚焦透鏡劃分為η個微小區(qū)域，如果每個微小區(qū)域足夠小，它內(nèi)部的偏振性質(zhì)可以認(rèn)為是相同的。我們稱每個微小區(qū)域為子透鏡，而相應(yīng)地，入射光束可以劃分為η束子光束，每束子光束對應(yīng)各自的子透鏡。第η個子透鏡的穆勒矩陣為:
【權(quán)利要求】
1.一種偏振檢測儀，包括外殼，依次設(shè)置于光路上的偏振片、成像透鏡、(XD，以及數(shù)據(jù)處理裝置和連接于CCD與數(shù)據(jù)處理裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸線，其中偏振片、成像透鏡和CCD至少部分封裝在外殼內(nèi)，其特征是:還包括具有變雙折射率特性的透鏡，所述具有變雙折射率特性的透鏡可接收被測入射光并使出射的光線產(chǎn)生光場的偏振態(tài)的空間相位調(diào)制后分布后進入偏振片，不同相位的光線經(jīng)過偏振片發(fā)生偏振干涉，產(chǎn)生干涉花樣，干涉條紋投射在CCD上記錄下來并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理裝置；所述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)不同的干涉花樣形狀對應(yīng)的不同的入射光偏振態(tài)，計算出入射光的偏振態(tài)；所述具有變雙折射率特性的透鏡是指有一定雙折射參數(shù)有空間相位延遲分布的器件，所述雙折射參數(shù)包括雙折射值和光軸方向。
2.如權(quán)利要求1所述的偏振檢測儀，其特征是:所述數(shù)據(jù)處理裝置是外接計算機，或者是封裝在偏振檢測儀中的存儲器、單片機和顯示屏封組合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的偏振檢測儀，其特征是:所述具有變雙折射率特性的透鏡是自聚焦透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的偏振檢測儀，其特征是:所述自聚焦透鏡可以只有一個，實現(xiàn)偏振態(tài)單點探測，也可以有多個，組成mXn的透鏡陣列，實現(xiàn)偏振態(tài)平面內(nèi)測量，每個自聚焦透鏡對應(yīng)一個點測量，以便最終得到mXn大小的空間偏振態(tài)分布，其中m和η是自然數(shù)。
5.如權(quán)利要求3所述的偏振檢測儀，其特征是:所述自聚焦透鏡的相位延遲分布覆蓋了 O - 180度的相位延遲，-90 - 90度的快軸角度。
6.如權(quán)利要求3所述的偏振檢測儀，其特征是:所述偏振檢測儀是橢偏儀、穆勒矩陣測量裝置和偏振遙感裝置。
7.一種偏振檢測方法，其特征是:包括如下步驟: Α、使得待測光束進入儀器進光口，入射光線具有一定的偏振態(tài)； B、入射光進入具有變雙折射率特性的透鏡，使其產(chǎn)生光場的空間相位調(diào)節(jié)； C、從具有變雙折射率特性的透鏡出射的光線進入偏振片，不同相位的光線經(jīng)過偏振片發(fā)生偏振干涉，產(chǎn)生干涉花樣； D、光線經(jīng)過透鏡進入(XD，干涉條紋投射在CXD上記錄下來； Ε、根據(jù)不同的干涉花樣形狀對應(yīng)不同的入射光偏振態(tài)，計算出入射光的偏振態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的偏振檢測方法，其特征是:還包括步驟F、在用戶界面將表征偏振態(tài)的邦加球和對應(yīng)的橢圓偏振參數(shù)和偏振度顯示出來，從而形象地顯示出偏振測量的結(jié)果O
9.如權(quán)利要求7所述的偏振檢測方法，其特征是:所述具有變雙折射率特性的透鏡是自聚焦透鏡。
【文檔編號】G01J4/00GK103698015SQ201410005298
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】馬輝, 常金濤, 曾楠, 何永紅, 廖然, 孫樹清 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院