专利名称：一种高精度自动测量目标对传输光束偏振态影响的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学检测技术，特指一种高精度自动测量目标对传输光束偏振 态影响的系统。
背景技术：
偏振是光的一种特性，通过对光偏振现象的长期研究，偏振光技术已广泛 应用于物理学、化学、生物学等多种学科例如利用蔗糖等溶液具有旋光性制 成的测量溶液糖度以判断水果等的成熟程度的糖度计；利用具有相互垂直偏振 方向的图像光束而形成的立体电影等立体画像；利用玻璃等均质材料上施加外 力会产生成比例的双折射现象的光弹性效应的工程检测方法等。随着人们对光 的偏振现象认识与研究的不断深入，偏振信息已逐渐应用于对目标的探测，在 地物遥感探测、大气探测、水下探测、天文探测、医学诊断、目标检测、图像 处理和军事应用等领域起到重要的作用。
在偏振应用及其研究过程中，为获取不同目标对偏振光的影响特性，必须 对经过目标作用后的光束偏振特性进行测量，而现有的偏振态检测系统在实际 测量过程中具有极大的局限性专利申请号200720046210.X的"一种椭圆偏 振光分析装置"，其在使用中采用USB接口控制单片机从而控制整个系统，但 是这个系统仍只是单纯对光束偏振态进行测量，没有把目标对偏振态影响的偏 振应用需要考虑到设计中，而且在检测中只是采用简单的单光路光电管检测， 影响实际检测的精度。专利申请号200520040201.0的"一种新型快速椭圆偏振 光测量仪"，其在使用中采用组合检偏器和二维CCD探测器来获取材料的光学参数，已经考虑到检测目标对光束偏振态的影响，但是在使用中仍存在一些问 题1、在测量手段上仍采用单路直流的方式，检测的精度不高；2、研究目标 对光束偏振态的影响时，只能完成单维的偏振测量，不能测量各向同性均匀材 料，不能完全满足应用的需要。
本发明充分考虑实际偏振应用的需求，基于偏振原理，采用锁相检测、双 光路补偿、自适应放大等技术，设计合理可行的光机结构，利用计算机自动控 制各旋转电机和电动平台，实现高精度智能化测量目标对传输光束偏振态影响 的目的。
发明内容
本发明的目的在于，在现有偏振光检测模式的基础上，结合现今偏振应用 的需求，采用合理技术改进现有的缺点，提出一种高精度自动化测量多维目标 对传输光束偏振态影响的系统。
整个偏振态检测系统的技术方案为
检测目标对偏振态影响的系统原理示意图如图l所示，由激光源l、衰减
片2、斩波器3、分光棱镜4、透射式目标模块5、反射式目标模块6、检偏器 及旋转电机组件7、 PIN光电二极管8和11、前置放大器12、自适应前置放大 器10、锁相放大器13、电机控制器14、计算机15组成。计算机、自适应前置 放大器、前置放大器、锁相放大器、电机控制器、旋转电机及电动平台、PIN 光电管以电连接方式传递控制和数据信号。整体系统装置间封装隔光结构。
在精度控制上，本系统在光源能量的稳定度和光电测量的精度这两个内容 进行了相对应的设计
首先，光源采用圆偏振光，出射光由高能量稳定度的激光器产生，在测量 过程中激光源能量的稳定性可以保证在测量消光比过程中基准能量保持相对的稳定。在光电锁相精度允许的条件下，衰减倍数应尽量少，从而保证在测量 消光比时检测微弱的信号能量处于相对较高的水平，这样可以提高微弱信号检 测的精度，从而提高消光比的实际测量精度。
其次，在偏振消光比的检测过程中，采用双光路补偿法。通过分光棱镜将
准脉冲光分成两束， 一路用于实际的偏振消光比测量，另一路用于参考值测量; 在数据处理时，将实际测量的结果除以参考值，得到相对测量的结果，从而降 低光源能量不稳定带来的影响。在检测过程中，软件处理中还可以采用多组测 量、放弃最值、计算平均值的数据处理方式，将光源能量稳定度的影响降到最 低。
考虑到现有系统多采用直流检测方式，而光电探测器在长时间工作中会出 现直流偏置，从而大大影响信号检测的精度。在偏振应用中，消光比测量是偏 振态检测的关键，而主要影响消光比测量精度的就是微弱信号的测量精度，现 有的测量方式的精度显然不能满足要求。本系统中采用锁相放大的技术通过 斩波器将直流光信号变为固定频率的交流光信号，PIN光电管将光信号转换成 交流电信号，经过前置放大器放大后，锁相放大器以斩波器传来的参考信号将 交流电信号锁相放大，最终获得高精度的测量结果。
根据偏振应用的需要，在实际检测中希望能够获得目标对传输光束偏振影 响的多维信息，实际采集的数据比较大。所以对多维的测量系统布局时，同时 对计算机自动化控制进行了合理的设计。
根据检测光经过目标材料后光传播方向的不同，系统设计了透射式目标模 块5和反射式目标模块6。在透射式目标模块中，待测目标16放置在三维电动 平台5.2上，使入射点的变化范围内能照射在目标的待测部分。反射式目标模 块中带有三块反射镜，前两块反射镜6.1和6.2与水平成45度，使入射的光线在水平方向上发生一段平移；后一块反射镜6.4与目标16的反射面保持平 行，与起偏器呈45度；后一块反射镜、起偏器及旋转电机组件6.5和目标安 置在三维电动平台6.3上，使入射点的变化范围内能覆盖目标的待测部分。这 样的设计虽然在使用器件上比平常要多，但是能够保证后光路只需要在水平上 发生一维平动，就可以实现光路的对准，实际上光机结构得到了大大的简化。
在实际检测电路设计中的前置放大器采用自适应技术通过检测实际由 PIN光电管传输过来的电信号，自动控制放大电路的放大倍数，输出符合锁相 放大器输入要求的脉冲电信号，从而保证电测量过程的自动化。在系统的光机 部分，所有调整结构都采用电机控制器控制的旋转电机和点评平台，从而保证 机械调整过程的自动化。
系统由计算机编程控制整个测量过程，从电机控制器获得电机的角度和位 移信息，从锁相放大器获得光电检测的实际测量值，并把控制信号传输给电机 控制器对电机调整过程进行自动化控制。利用获得的信号，经过编程完成的数 据处理，就可以获得消光比和偏振旋转角等应用中关心的偏振信息。本发明具 有精度高，自动化多维测量的特点，可以给出目标对传输光束偏振态影响的多 维信息。
图l为系统原理示意图。
图2为系统控制与测量算法流程图。
图中标号l为激光源，2为衰减片，3为斩波器，4为分光棱镜，5为透 射式目标模块(5. 1为起偏器及旋转电机组件、16为目标、5.2为三维电动平 台)，6为反射式目标模块(6. l为45度反射镜、6.2为45度反射镜、6. 3为 三维电动平台、6.4为反射镜、6.5为起偏器及旋转电机组件、16为目标)，7为检偏器及旋转电机组件，8为PIN光电管，9为一维电动平台，IO为自适应 前置放大器，ll为PIN光电管，12为前置放大器，13为双通道锁相放大器， 14为电机控制器，15为计算机。图l中粗线为光路，细线为电路。
具体实施例方式
本发明系统示意图如图1所示，由激光源1出射的激光经衰减片2后衰减 到一定光强，通过斩波器3形成准交流光信号，再经过分光棱镜4分成确定能 量比的两路光束 一路直接被PIN光电管11接收转化为电信号，经前置放大 器12放大后由锁相放大器锁相13测量出参考值(锁相放大器的参考信号由斩 波器的调制信号给出)；另一路为实际检测光信号，由检测光经过目标材料后 光传播方向的特性决定采用透射式目标模块5(先经过起偏器及旋转电机组5. 1 再经过透射目标16)或者反射式目标模块6 (先被两块45度反射镜6. 1和6. 2 反射，再在一块与目标表面平行的反射镜6.4表面发生反射，经过起偏器及旋 转电机组件6.5起偏，最后在目标16表面发生反射)，然后经过检偏器7检偏 后，被PIN光电管8接收后转化为电信号，经自适应前置放大器10放大后由 锁相放大器锁相13测量实际检测值。
本发明系统进一步描述如下
1)主要器件
a) 激光器Thorlabs公司生产的功率可调光纤激光器，型号为S1FC780， 波长780nm;
b) 起偏器/检偏器:偏振片已购买Thorlabs公司的产品，型号为LPVIS100， 其主要性能参数工作波段为600-1200nm;偏振消光比为10000: 1; 口径大 小为25mm，有效口径为口径的90%;起偏检偏角度为±20° ;
c) 分光棱镜Thorlabs公司型号为BS011的宽波段分束棱镜，可用波段为700-1100nm;
d) PIN光电管Centronic公司型号为0SD15-5T，暗电流3nA，波长范围 400-1050nm，峰值光谱响应850nm，峰值响应率0. 45A/W (Vr二12V);
e) 前置放大器应用AD795芯片自行设计电路；
f) 锁相放大器南京大学微弱信号检测中心HB-212型双通道双相锁相反 放大器，工作频率5Hz-50kHz，满刻度灵敏度100nV-lV，参考信号输入电压范 围100mV-10V，信号输入模式电压单端；
g) 旋转电机上海联谊光纤激光器械厂M52*l中孔一维电动旋转台(360
度刻度可任旋)，电机规格42电机，台面尺寸085，标尺最小读数0.2度，电
机整步运行分辨率0. 0133度，重复定位精度小于0. 05度。 2)软件部分
电机控制器14控制偏振元件5.2、 6.5、 7处的一维转动电机和电动平台 5.2、 6.3、 9，并获取转动电机和电动平台的角度和位置信息。计算机根据自 动化程序设置发给电机控制器控制信号，并从电机控制器和锁相放大器读取信 息，根据设定的程序，进行计算，从而获得最终结果。
计算机控制测量算法流程图如图2所示
1、 程序开始运行后，初始化电动平台5.2或6.3;
2、 移动平台9，直到光路被对准(起偏检偏同方向情况下，测量光强达 到最大)；
3、 转动起偏器5.1或6.5到一个初始角度，转动检偏器7到一个初始角 度，完成10组测量，然后转动检偏器7 —个小角度(一般精度可设为0. 2度)，每次重复10组的测量工作，直到检偏器7完成半周的旋转；
4、 旋转检偏器7到测量得最小值的角度，测量50组数据，旋转90度(默 认为最大值角度)，完成50组测量，计算机计算并储存结果；
5、 旋转起偏器5. l或6.5—个小角度(一般精度可设为l度)，重复3、 4步骤，直到起偏器5.1或6.5完成半周的旋转；
6、 旋转电动平台5. 2或6. 3 —个小角度(一般精度可设为1度)，重复2、 5步骤，直到完成需要测量的入射角范围；
7、 平动电动平台5.2或6.3—个小平移量(一般精度可设为lcm),重复 6步骤，直到完成目标16待测表面范围的二维平动扫描；
8、 完整的测量过程结束。
在目标表面确定入射点、入射角度及入射光偏振方向的情况下，获得起偏 片的起偏角度^在测量到最小电压值的检偏角度&n，获得50组测量电压值， 去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值V自，获得50组参考光路检测的 电压值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为V皿'；在旋转90 度的检偏角度^自+9()° (默认为检测到最大电压值的角度)，获得50组测量电 压值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到平均值V,，获得50组参考光路 检测的电压值，去掉5个最大值5个最小值，计算得到参考平均值为「"^'。
最小电压的相对值皿C。
"=鹏
最大电压的相对值皿C。 最终测量的偏振消光比一^n 。
偏振方向旋转角 2 。经过完整测量过程，最终可以获得目标表面各点对不同入射角度不同偏振 光方向的偏振光的影响情况。
权利要求
1.一种高精度自动测量目标对传输光束偏振态影响的系统，由激光源(1)、衰减片(2)、斩波器(3)、分光棱镜(4)、透射式目标模块(5)、反射式目标模块(6)、检偏器(7)、PIN光电管(8)(11)、自适应前置放大器(10)、前置放大器(12)、双通道锁相放大器(13)、电机控制器(14)和计算机(15)组成，其特征在于所述的检测系统具有透射式目标模块(5)和反射式目标模块(6)，可以对测量目标进行透射或反射偏振特性进行测量；所述的检测系统还有能够根据输入信号的大小自动调整放大倍数，使输入到锁相放大器(13)的电信号处于锁相放大器的工作量程的自适应前置放大器(10)来实现系统的自动化检测。
2. 根据权利要求1所述的一种测量目标对传输光束偏振态影响的自动化 检测系统，其特征在于所述的透射式目标模块(5)由起偏器及旋转电机组 件(5.1)、目标(16)、三维电动平台(5.2)组成，三维电动平台(5.2)能 够带动目标(16)实现在水平面上转动，在水平和竖直面内平动。
3、 根据权利要求1所述的一种测量目标对传输光束偏振态影响的自动化 检测系统，其特征在于所述的反射式目标模块(6)由45度反射镜(6.1) 与(6. 2)、三维电动平台(6. 3)、反射镜(6. 4)、起偏器及旋转电机组件(6. 5)、 目标(16)组成，反射镜(6.4)和目标之间保持平行且固定的位置关系，起 偏器及旋转电机组件(6.5)位于两者之间；三维电动平台(6.3)能够同时带 动发射镜(6.4)、起偏器及旋转电机组件(6.5)和目标(16)实现在水平面 上转动，在水平和竖直面内平动的功能。
4、 根据权利要求1所述的一种测量目标对传输光束偏振态影响的自动化 检测系统，其特征在于所述的偏振元件及旋转电机组件(6.5)、 (5.1)、和(7)都带有步进电机，可以以光轴为中心进行一维旋转；且检偏器及旋转电 机组件(7)和PIN光电管(8)位于水平平动电动平台(9)上，以适应光束 在经过检测目标后发生的光束平动。
全文摘要
本发明公开一种测量目标对传输光束偏振态影响的系统，特别适用于需要高精度自动化测量的场合。该发明基于偏振原理，采用锁相检测、双光路补偿、自适应放大等技术，设计合理可行的光机结构，利用计算机自动控制各旋转电机和电动平台，最终实现高精度自动化测量目标对传输光束偏振态影响的目的。
文档编号G01J4/00GK101561317SQ20091004910
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者何志平, 吴金才, 佳 强, 杨世骥, 王建宇, 嵘 舒, 贾建军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所