本發(fā)明涉及一種基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

偏振態(tài)是描述光波波前特征的重要參量之一，可用stokes矩陣參量、jones矩陣參量等表征，對其測量在生物光子學(xué)、非線性光學(xué)、化學(xué)和礦物質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。但傳統(tǒng)的偏振態(tài)測量裝置只能提供待測波前傳播方向上固定位置處的偏振信息，且由于不具備二維采樣特性，需頻繁調(diào)整光路和多次曝光來實現(xiàn)偏振態(tài)參量的測量。為了提高偏振態(tài)參量參量的測量效率，國內(nèi)外學(xué)者作了很多有益嘗試，其中，干涉成像技術(shù)由于采用干涉方法記錄待測波前的振幅和相位信息，并通過數(shù)字方法完成重構(gòu)，為光束的偏振態(tài)參量全場快速測量提供了可能，從而引起廣泛關(guān)注。

美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的gabrielpopescu等(zhuowang,larryj.millet,marthau.gillette,andgabrielpopescu,"jonesphasemicroscopyoftransparentandanisotropicsamples,"opt.lett.33,1270-1272(2008))利用離軸干涉成像技術(shù)實現(xiàn)了瓊斯矩陣測量，但該技術(shù)需要四次曝光采集才能實現(xiàn)瓊斯矩陣參量測量，測量速度受限；同時因為采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

韓國的yongkeunpark等(youngchankim,joonwoojeong,jaeduckjang,mahnwonkim,andyongkeunpark,"polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedjonesmatrix,"opt.express20,9948-9955(2012))等利用共路干涉成像技術(shù)生成載頻正交的全息圖，進(jìn)而通過兩次曝光采集實現(xiàn)了瓊斯矩陣參量測量，在提高抗干擾能力的同時，提高了測量效率。但是該方法需要二維光柵和孔陣列匹配，并輔以偏振正交的兩塊偏振片，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)整困難。

專利cn104198040b“一種二維瓊斯矩陣參量的全息測量方法及實施裝置”利用雙二維光柵分光技術(shù)，結(jié)合頻譜復(fù)用技術(shù)，通過一次曝光可實現(xiàn)瓊斯矩陣參量測量，但該裝置不僅進(jìn)一步增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且光利用率，同時因為采用采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

南京師范大學(xué)的袁操今等(馬駿，袁操今，馮少彤，聶守平，“基于數(shù)字全息及復(fù)用技術(shù)的全場偏振態(tài)測試方法”，物理學(xué)報.22,224204(2013))利用偏振和角分復(fù)用技術(shù)，通過一次曝光可實現(xiàn)stokes矩陣參量和瓊斯矢量測量，但是因為采用采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差；同時受結(jié)構(gòu)限制，偏振態(tài)正交的頻譜在頻譜空間分離有限，進(jìn)而造成串?dāng)_，影響偏振態(tài)參量的測量精度。

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的發(fā)明人曾提出系列雙窗口共光路干涉裝置與方法，如專利cn102954842b“基于同步載頻移相的共光路干涉檢測裝置與方法”，在雙窗口共光路干涉結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入離焦光柵分光技術(shù)和偏振調(diào)制技術(shù)，通過一次曝光采集獲得兩幅相移干涉圖，并通過差動相減方法消除零頻分量，在保證系統(tǒng)實時性基礎(chǔ)上，優(yōu)化了相機(jī)帶寬利用率，但這些技術(shù)主要適用于三維形貌測量領(lǐng)域，而將該技術(shù)直接用于偏振態(tài)參量的報道，迄今為止尚未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定的基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置，本發(fā)明的目的還在于還提供一種基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括波長為λ的光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機(jī)，光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成線偏振光，依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵后入射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束由光闌整形，再經(jīng)偏振片組調(diào)制后由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機(jī)的圖像信號輸入端；所述偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)線偏振片且其按透光軸與水平方向成+45°進(jìn)行放置或按透光軸與水平方向成-45°進(jìn)行放置；以光軸的方向為z軸方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿x軸方向均分為兩個小窗口；一維周期光柵周期為d，位于第一透鏡的后焦f-△f處并且位于第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大于0并且小于f；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿x軸方向的寬度d之間滿足關(guān)系：d＝2λf/d；偏振片組為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2×1陣列。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)由線偏振片與1/4波片組合實現(xiàn)。

2.基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量方法，包括所述的基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置，步驟如下：

(1)打開光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制形成線偏振光束，該光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產(chǎn)生0級和±1級衍射光束，再經(jīng)光闌整形和偏振片組濾波調(diào)制后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉，將計算機(jī)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣；

(2)測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，通過一次曝光采集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得ix和iy，

得到待測物體的復(fù)振幅分布為：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中：i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

則stokes參量矩陣為：

其中：為待測波面水平方向和垂直方向的相位差；

(3)測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，第一次曝光采集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得i1x和i1y；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集再次獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得i2x和i2y，

得到待測物體的復(fù)振幅分布：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作，

則待測物體的jones矩陣參量為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量方法有以下特點和有益效果：

1.利用雙窗口共路干涉干涉成像技術(shù)同步生成兩幅含有x和y方向偏振信息得干涉圖，進(jìn)而利用同一裝置完成stokes矩陣參量和jones矩陣參量測量，在保證抗干擾能力的同時，方法簡單易行，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一；

2.利用光柵離焦分光技術(shù)與線偏振調(diào)制技術(shù)相配合，使系統(tǒng)只需一維光柵和線偏振片，而不需二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學(xué)元件，在降低系統(tǒng)構(gòu)建難度和成本的同時，可提高測量精度，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。

本發(fā)明的裝置有如下顯著特點：

1.本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過簡單的計算使得矩形窗口和光柵周期相匹配，在光學(xué)測量過程中系統(tǒng)定位復(fù)雜度要求低，且調(diào)整方便；

2.本發(fā)明裝置采用雙窗口共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；

3.本發(fā)明裝置中避免使用二維光柵，不僅降低了成本，更使得光路更簡單。

附圖說明

圖1為基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的偏振片組示意圖。

圖中：1光源，2偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，3準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，4待測物體，5矩形窗口，6第一透鏡，7一維周期光柵，8第二透鏡，9光闌，10偏振片組，11圖像傳感器，12計算機(jī)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1所示為一種基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括波長為λ的光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機(jī)。按照光的路徑描述，光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成線偏振光，依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵后入射至第二透鏡，經(jīng)第二透鏡透射后的衍射光束由光闌整形，再經(jīng)偏振片組調(diào)制后由圖像傳感器的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號輸出端連接計算機(jī)的圖像信號輸入端；所述的偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)線偏振片，其按透光軸與水平方向成+45°進(jìn)行放置，或按透光軸與水平方向成-45°進(jìn)行放置；以光軸的方向為z軸方向建立xyz坐標(biāo)軸，所述矩形窗口沿垂直于光軸的方向設(shè)置，并且沿x軸方向均分為兩個小窗口；一維周期光柵周期為d，位于第一透鏡的后焦f-△f處并且位于第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大于0并且小于f；一維周期光柵的周期d與矩形窗口沿x軸方向的寬度d之間滿足關(guān)系：d＝2λf/d；偏振片組為偏振方向分別成0°角和90°角的兩片偏振片組成的2×1陣列。

偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)也可由線偏振片與1/4波片組合實現(xiàn)。

基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量方法，包括如下步驟：

(1)調(diào)整整個光學(xué)系統(tǒng)，打開光源，使光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制形成線偏振光束，該光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡產(chǎn)生0級和±1級衍射光束，再經(jīng)光闌整形和偏振片組濾波調(diào)制后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉，將計算機(jī)采集獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣；

(2)測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，通過一次曝光采集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得ix和iy。

計算待測物體的復(fù)振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

(3)測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光采集獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得i1x和i1y；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集再次獲得含有偏振正交的兩幅子全息圖的圖樣，通過分割后獲得i2x和i2y；

計算待測物體的復(fù)振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為

下面結(jié)合圖1和圖2對本發(fā)明的實施實例作詳細(xì)說明。

本發(fā)明的裝置包括：光源1、偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、待測物體4、矩形窗口5、第一透鏡6、一維周期光柵7、第二透鏡8、光闌9、偏振片組10、圖像傳感器11，計算機(jī)12，其中光源1為波長632.8nm激光器；待測物體4放置于矩形窗口5內(nèi)，位于第一透鏡5的前焦面上；第一透鏡6和第二透鏡8的焦距均為f＝200mm；一維周期光柵周期為d，位于第一透鏡的后焦f-△f處并且位于第二透鏡的前焦f+△f處，其中△f為離焦量，△f大于0并且小于f；圖像傳感器11位于第二透鏡8的后焦面上。該裝置光的運行路徑為：

光源1發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2調(diào)制成線偏振光，依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、待測物體4、矩形窗口5、第一透鏡6、一維周期光柵7后入射至第二透鏡8產(chǎn)生0級和±1級衍射光束，經(jīng)第二透鏡透8透射后的衍射光束由光闌9整形，再經(jīng)偏振片組10調(diào)制后在圖像傳感器11的光接收面產(chǎn)生干涉，并被圖像傳感器11采集到計算12中，計算機(jī)12將獲得的干涉圖樣根據(jù)矩形窗口的小窗口的尺寸分割獲得兩幅干涉圖樣。

測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，通過一次曝光采集獲得一副干涉圖，通過分割后獲得兩幅含有正交偏振態(tài)的全息圖ix和iy，其中，ax和ay是偏振態(tài)正交的兩束物光的復(fù)振幅分布；k是光柵離焦引入的載波的頻率；r為參考光的復(fù)振幅分布。

計算待測物體的復(fù)振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c{}表示頻譜置中操作。從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅全息圖i1含有兩幅干涉圖樣i1x和i1y；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅全息圖i2含有兩幅干涉圖樣i2x和i2y；

計算待測物體的復(fù)振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為

此實施實例具有非常好的穩(wěn)定性，需要兩次測量采集四幅全息圖便可計算瓊斯矩陣，在保證抗干擾能力的同時，方法簡單易行，不需要二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學(xué)元件，系統(tǒng)的復(fù)雜度進(jìn)一步降低了。

綜上，本發(fā)明提供了基于雙窗口共路干涉成像的偏振態(tài)參量測量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測量領(lǐng)域。本發(fā)明包括光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵、第二透鏡、光闌、偏振片組、圖像傳感器和計算機(jī)。入射光被線偏振調(diào)制后依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測物體、矩形窗口、第一透鏡、一維周期光柵和第二透鏡后產(chǎn)生0級和±1級衍射光束，再經(jīng)光闌和偏振片后，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉；分別曝光采集+45°和-45°線偏振光入射時的全息圖，通過計算機(jī)獲得stokes矩陣參量和jones矩陣參量。本發(fā)明裝置無需二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，且抗干擾能力強(qiáng)。