专利名称：全光场偏振像差检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及偏振像差检测领域，特别是涉及一种全光场偏振像差检测装置及检测方法。
背景技术：
高精密成像系统中大数值孔径投影物镜等光学元器件的使用，导致入射波严重离轴倾斜，使TE和TM两种偏振光的透射率不同，从而导致成像对比度严重下降，客观上必然要求对大数值孔径投影物镜等光学元器件的全光场偏振像差信息进行提取和分析。关于全光场偏振像差信息提取和分析的检测方法主要是基于全光场米勒矩阵检测的原理，通过对待测样品入射前及出射后全光场斯托克斯参量的检测，然后根据相应的算法求出全光场的米勒矩阵分布，即全光场偏振像差信息，其装置及检测方法一般包括两部分，即全偏振态发生器PSG和全偏振态分析器PSA。全偏振态发生器PSG部分，传统的检测方法一般为旋转元件偏振测量法 (rotating element polarimetry),如在先技术 IHauge, P. S. , Azzam, R. M. A. , et al, “Mueller Matrix Polarimetry,，，in Polarized Light, Dennis Goldstein. (Second Edition, Revised and Expanded, Marcel Dekker, Inc. , 2003).，但旋转兀件偏振测量法需要旋转偏振器或者相位延迟器，从而引入较大测量误差；传统检测方法中，也有使用振荡元件偏振测量法(oscillating element polarimetry)的，如在先技术 2 [R. M. A. Azzam, “Simulation of mechanical rotation by optical rotation !Application to the design of a new Fourier photopolarimeter”，J. Opt. Soc. Am. 68, 518-521 (1978) ·中的装置，装置中有法拉第旋转器⑷和(6)、1/4波片(5)以及偏压控制器(15)，但装置中的偏压控制器(15)加载的电压为正弦调制电压，需要用到贝塞尔变换算法，复杂度大，装置中的两个法拉第旋转器⑷和(6)的通光孔径较小且旋光角度必须大小相等方向相反，无法对待测样品(7)进行全光场偏振像差信息进行瞬间快速检测，需要进行逐点扫描。全偏振态分析器PSA部分，传统检测方法一般包括旋转元件偏振测量法 (Rotating-element polarimeters)和相位调制偏振测量法(Phase modulating polarimeters)，但这些检测方法为了测量某一特定场点的偏振信息，需要对该场点连续检测四次以上，如果要检测整个光场，则需要逐点进行扫描，因此这些检测方法无法实现全光场偏振信息的快速实时测量，并且有些装置需要精密旋转机构进行旋转，从而引入较大测量误差，在先技术 John E. Hubbs, Mark E. Gramer, et al, “Measurement of the Radiometric and Polarization Characteristics of a Micro-Grid Polarizer Infrared Focal Plane Array，，，Proc. SPIE 6285，62850C，2006.及在先技术 James K. Boger, et al, “Modeling Precision and Accuracy of a LffIR Microgrid Array Imaging Polarimeter”，Proc. SPIE 5777, 57770U, 2005.中提出的瞬时多路测量成像偏振探测仪主要由微偏振检偏器阵列(9)、CCD探测器阵列(10)以及一些其他的元件所组成，但其中没有补偿器(8)，可以实现全光场全斯托克斯参量的实时检测，且不受环境变化影响，然而却只能检测前三个斯托克斯参量，不能提取右旋或者左旋偏振光的光强度信息，因此提取不出第四个斯托克斯参数，对偏振信息的检测不全。
发明内容
本发明的目的是为了解决在先技术I中存在的需要精密旋转机构进行旋转的问题、在先技术2中存在的加载电压为正弦调制电压时算法复杂的问题、在先技术I和2中存在的需要逐点测量多次并对全光场进行扫描的问题以及在先技术3和4中存在的对偏振信息的检测不全等问题，提供一种全光场偏振像差检测装置及检测方法，应具有装置结构简单、共光轴且稳定、测量无需机械转动、算法简单、高空间分辨率且测量速度较快的特点。本发明的技术解决方案如下一种全光场偏振像差检测装置，该装置包括全偏振态发生器、全偏振态分析器及信号处理和控制系统，其特点在于；所述全偏振态发生器包括激光器、激光扩束器、起偏器、第一法拉第旋转器、1/4波片和第二法拉第旋转器，所述全偏振态分析器包括补偿器、微偏振检偏器阵列及CCD探测器阵列，其位置关系是沿该激光器的激光输出方向，依次是所述的激光扩束器、起偏器、第一法拉第旋转器、1/4波片、第二法拉第旋转器、补偿器(8)、微偏振检偏器阵列和CCD探测器阵列；所述微偏振检偏器阵列是由微偏振检偏器超像素的阵列组成，所述的微偏振检偏器超像素由O度线偏振微检偏器、45度线偏振微检偏器、90度线偏振微检偏器和135度线偏振微检偏器组成，所述的CCD探测器阵列是由CCD探测器超像素的阵列组成的，所述CCD 探测器阵列超像素是由四个相同的CCD探测器子像素组成；所述的微偏振检偏器阵列和所述的CCD探测器阵列集成在一起，使所述的微偏振检偏器超像素阵列和CCD探测器超像素阵列一一对准，形成对准超像素阵列；所述信号处理和控制系统包括放大器、同步数据采集卡、计算机、第一偏压控制器和第二偏压控制器；所述的CCD探测器阵列经所述的放大器、同步数据采集卡与所述的计算机的输入端相连，所述计算机的输出端接所述的第一偏压控制器和第二偏压控制器的输入端，所述的第一偏压控制器的输出端接所述的补偿器的控制端，所述的第二偏压控制器的输出端接所述的第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器的控制端。所述起偏器为偏振片、偏振棱镜或偏振相位掩模。所述第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器完全相同，且在所述第二偏压控制器的相同加载电压条件下，产生两个大小相同、方向相同或者方向相反且连续可调的旋光角度。所述1/4波片为晶体材料型1/4波片、多元复合型1/4波片、反射棱体型1/4波片或者双折射薄膜型1/4波片，其相位延迟量的范围为89° 91°。所述补偿器为光弹调制器、液晶相位延迟器、铌酸锂晶体，在所述第一偏压控制器的加载电压条件下产生连续可调相位延迟的光学元件或者器件。所述的同步数据采集卡是具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡。所述计算机安装有数据处理、分析软件、第一偏压控制器和第二偏压控制器的偏压控制软件。所述第一偏压控制器和第二偏压控制器是连续可调的直流稳压电源。利用上述的全光场偏振像差检测装置对待测样品的全光场偏振像差检测方法，该方法包括下列步骤①对所述的法拉第旋转器加载偏控电压，进行第一次测量；计算机通过所述的第二偏压控制器同时改变所述第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器上偏控电压的大小，使所述第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器产生的旋光角度分别为Y i和-Y i，所述激光器产生的激光束通过所述激光扩束器进行扩束后，照射到所述起偏器上，变成线偏振平行光束，而后通过所述第一法拉第旋转器、1/4波片和第二法拉第旋转器的调制，得到平行光束的斯托克斯矢量为
权利要求
1.一种全光场偏振像差检测装置，该装置包括全偏振态发生器、全偏振态分析器及信号处理和控制系统，其特征在于；所述全偏振态发生器包括激光器(I)、激光扩束器(2)、起偏器(3)、第一法拉第旋转器(4)、1/4波片(5)和第二法拉第旋转器￠)，所述全偏振态分析器包括补偿器(8)、微偏振检偏器阵列(9)及CCD探测器阵列(10)，其位置关系是沿该激光器(I)的激光输出方向，依次是所述的激光扩束器(2)、起偏器(3)、第一法拉第旋转器(4)、1/4波片(5)、第二法拉第旋转器(6)所述的补偿器(8)、微偏振检偏器阵列(9)和CCD探测器阵列(10)；所述微偏振检偏器阵列(9)是由微偏振检偏器超像素(901)的阵列组成，所述的微偏振检偏器超像素(901)由O度线偏振微检偏器(902)、45度线偏振微检偏器(903)、90度线偏振微检偏器(904)和135度线偏振微检偏器(905)组成，所述的CCD探测器阵列(10) 是由CCD探测器超像素(1001)的阵列组成的，所述CCD探测器阵列超像素(1001)是由四个相同的CCD探测器子像素组成；所述的微偏振检偏器阵列(9)和所述的CCD探测器阵列(10)集成在一起，使所述的微偏振检偏器超像素(901)阵列和CCD探测器超像素(1001)阵列一一对准，形成对准超像素阵列(901-1001)；所述信号处理和控制系统包括放大器(11)、同步数据采集卡(12)、计算机(13)、第一偏压控制器(14)和第二偏压控制器(15)；所述的CCD探测器阵列(10)经所述的放大器(11)、同步数据采集卡(12)与所述的计算机(13)的输入端相连，所述计算机(13)的输出端接所述的第一偏压控制器(14)和第二偏压控制器(15)的输入端，所述的第一偏压控制器(14)的输出端接所述的补偿器(8)的控制端，所述的第二偏压控制器(15)的输出端接所述的第一法拉第旋转器(4)和第二法拉第旋转器出)的控制端。
2.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述起偏器(3)为偏振片、偏振棱镜或偏振相位掩模。
3.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述第一法拉第旋转器(4)和第二法拉第旋转器(6)完全相同，且在所述第二偏压控制器(15)的相同加载电压条件下，产生两个大小相同、方向相同或者方向相反且连续可调的旋光角度。
4.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述1/4波片(5)为晶体材料型1/4波片、多元复合型1/4波片、反射棱体型1/4波片或者双折射薄膜型1/4波片，其相位延迟量的范围为89° 91°。
5.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述补偿器(8)为光弹调制器、液晶相位延迟器、铌酸锂晶体，在所述第一偏压控制器(14)的加载电压条件下产生连续可调相位延迟的光学元件或者器件。
6.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述的同步数据采集卡(12)是具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡。
7.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述计算机(13)安装有数据处理、分析软件、第一偏压控制器(14)和第二偏压控制器(15)的偏压控制软件。
8.根据权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置，其特征在于所述第一偏压控制器(14)和第二偏压控制器(15)是连续可调的直流稳压电源。
9.利用权利要求I所述的全光场偏振像差检测装置对待测样品(7)的全光场偏振像差检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤①对所述的法拉第旋转器加载偏控电压，进行第一次测量；计算机(13)通过所述的第二偏压控制器(15)同时改变所述第一法拉第旋转器(4)和第二法拉第旋转器(6)上偏控电压的大小，使所述第一法拉第旋转器(4)和第二法拉第旋转器(6)产生的旋光角度分别为Y1和-Y1，所述激光器(I)产生的激光束通过所述激光扩束器(2)进行扩束后，照射到所述起偏器(3)上，变成线偏振平行光束，而后通过所述第一法拉第旋转器⑷、1/4波片(5)和第二法拉第旋转器(6)的调制，得到平行光束的斯托克斯矢量为
全文摘要
一种全光场偏振像差检测装置及检测方法。该装置包括全偏振态发生器PSG、全偏振态分析器PSA及信号处理和控制系统。该检测方法包括改变法拉第旋转器上加载偏控电压的大小，进行第一次测量；改变法拉第旋转器上加载偏控电压的大小，进行第二、三、四次测量；根据算法对四次测量结果进行处理。本发明具有装置结构简单、共光轴且稳定、测量无需机械转动、算法简单、高空间分辨率且测量速度较快的特点。
文档编号G01M11/02GK102607819SQ201210091180
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者张敏, 曹绍谦, 李中梁, 步扬, 步鹏, 汤飞龙, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所