偏振测量装置、偏振测量方法及光配向方法与流程

本发明涉及偏振测量技术领域，尤其是涉及一种偏振测量装置、偏振测量方法及光配向方法。

背景技术：

目前，偏振片得到越来越广泛的应用，在一些使用场景下，需要对偏振片在不同入射角度情况下的消光比及偏光角度进行测量研究，由于偏振片的各向异性，光线沿不同角度入射时偏振片的消光比及偏光角度会发生改变，当偏振片的应用场景为非准直光源时，测量不同入射角度下偏振片的消光比及偏光角度对分析偏振片在该光源下的综合消光比及偏光角度有着十分重要的意义。

如图1所示，为线栅偏振片的多角度入射示意图，其中，线栅偏振片由平行等间距设置的不透光材质的阻挡线条a和透光基板b构成，透光基板b中形成平行于a的透光狭缝，可对入射光进行偏振，透光狭缝的透振方向固定，线栅偏振片对如图1中从z方向(偏振片的法线方向)入射与从z’方向入射的光的偏振特性不一样。在一些使用场景下，需要对不同入射角度情况下偏振片的消光比、偏光角度进行测量研究。

如图2所示为现有的测量偏振片消光比及偏光角度的测量装置，主要包括光源11、第一准直透镜411、小孔光阑31、第二准直透镜412、起偏偏振器21、检偏偏振器51及能量探测器6。其中，光的入射角度完全垂直于起偏偏振器21的基板。

如图2所示，经准直的光垂直进入起偏偏振器21及检偏偏振器51，测量过程中检偏偏振器51按照一定的步距进行旋转，在检偏偏振器51旋转的过程中，利用能量探测器6记录光斑能量，测量完成后，对检偏偏振器51每旋转一个角度对应的光斑能量值进行拟合计算，得到起偏偏振器21在光垂直入射情况下的消光比与偏光角度。

进一步的，当需要测量起偏偏振器21的大角度入射(即入射光与起偏偏振器21的法线方向有一定夹角)偏振特性时，如图3所示，先旋转起偏偏振器21以改变其法线与入射光的夹角，进而调整入射光的入射角度，再重复以上步骤进行测量。其中，当研究起偏偏振器21在不同大角度入射情况下的偏振特性时，需要多次频繁地转动检偏偏振器21以调节入射光的入射角度，再重复以上步骤，测量过程极为繁琐，测试效率低下。因此，找到一种简单高效的测量起偏器在不同入射角度情况下的消光比及偏光角度的方法是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种偏振测量装置或方法，以提高偏振器在不同入射角度情况下的消光比及偏光角度的测试效率，简化其测试过程。

为了达到上述目的，本发明提供了一种偏振测量装置，包括光源、起偏偏振器、检偏偏振器、旋转模块、图像传感器及分析模块，所述光源发出具有一定入射角度范围的光经过所述起偏偏振器起偏，经过所述检偏偏振器检偏后被所述图像传感器探测，所述旋转模块驱动所述检偏偏振器以所述检偏偏振器的法线方向为转动轴按照一定的步距进行旋转，所述图像传感器实时获取所述检偏偏振器每旋转一个角度后经过检偏的偏振光的成像信息，所述分析模块根据所述成像信息计算所述起偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性。

可选的，所述光源、起偏偏振器、检偏偏振器及图像传感器的中心轴对准。

可选的，所述光源发出的光为自然光。

可选的，所述偏振测量装置还包括光阑及准直透镜，所述光源发出的光经过所述起偏偏振器起偏，经过所述光阑角度约束，经过所述准直透镜准直后入射所述检偏偏振器。

可选的，所述旋转模块包括旋转电机和检偏器安装盒，所述检偏偏振器安装在所述检偏器安装盒上，所述旋转电机驱动所述检偏器安装盒旋转。

可选的，所述图像传感器为ccd图像传感器。

可选的，所述图像传感器采集的成像信息包括所述图像传感器的像素阵列中各个像素点采集的入射光线的光强信息，以及所述图像传感器的像素阵列中各个像素点相对于所述光源的位置所确定的入射光线的相位信息。

可选的，所述偏振测量装置还包括框架，所述起偏偏振器、光阑、准直透镜、检偏偏振器、检偏器安装盒及旋转电机均设置在所述框架上。

可选的，所述起偏偏振器和检偏偏振器均为透射式偏振器。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述任意一项所述偏振测量装置的偏振测量方法，包括：

提供一起偏偏振器对光源发出的具有一定入射角度范围的光进行起偏，得到偏振光；

提供一检偏偏振器对所述偏振光进行检偏；

驱动所述检偏偏振器按照预设的速度及步距以所述检偏偏振器的法线为转动轴旋转，利用图像传感器实时获取所述检偏偏振器每旋转一个角度后经过检偏的偏振光的成像信息；以及

分析模块根据所述成像信息计算所述起偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性。

可选的，在所述起偏偏振器进行起偏之后，在所述检偏偏振器进行检偏之前，所述偏振测量方法还包括：

提供一光阑对所述偏振光进行角度约束；

提供一准直透镜对所述偏振光进行准直。

可选的，所述成像信息包括所述图像传感器上各个像素点采集的灰度值及各个像素点对应的相位信息。

可选的，所述检偏偏振器的旋转范围至少为180度。

可选的，所述分析模块根据所述成像信息计算所述起偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性的步骤包括：

通过所述图像传感器上各个像素点与所述光源的相对位置确定各个像素点对应的入射光的入射角度；

提取所述图像传感器上每个像素点在所述检偏偏振器的不同旋转角度下采集到的图像灰度值，根据马吕斯定律进行三角函数拟合；

根据拟合得到的三角函数计算确定各个像素点对应的偏振光的偏振特性，进而得到所述起偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性。

可选的，根据拟合得到的三角函数计算确定各个像素点对应的偏振光的偏振特性的步骤包括：

根据所述图像灰度值的最大值与所述图像灰度值的最小值的比值确定各个像素点对应的偏振光的消光比，进而得到所述起偏偏振器在各个像素点对应的入射光的不同入射角度下的消光比；

根据所述图像灰度值的最大值对应的所述检偏偏振器旋转角度确定各个像素点对应的偏振光的偏光角度，进而得到所述起偏偏振器在各个像素点对应的入射光的不同入射角度下的偏光角度。

此外，本发明还提供了一种光配向方法，采用上述任意一项所述的偏振测量方法对用于光配向的偏振片的偏振特性进行测量。

与现有技术相比，本发明以图像传感器进行偏振信息的采集，利用图像传感器中像素阵列的不同像素点对不同入射角度的光进行偏振测量，只需要对起偏偏振器在某一个入射角度范围内的偏振进行一个周期内的测量采集，就可以根据不同像素点上的入射光强度信息和入射光相位信息(像素点相对于光源的位置信息)计算得出起偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性，精简了偏振测试过程，有效地提高了测试效率。

附图说明

图1为线栅多角度入射示意图；

图2为现有偏振片偏振特性测试方法的示意图；

图3为现有偏振片大角度入射偏振特性测试方法的示意图；

图4为本发明实施例中偏振测量装置结构示意图；

图5为本发明实施例中测量光路示意图；

图6为本发明实施例中图像传感器拍摄到的光斑示意图；

图7为本发明实施例中图像传感器拍摄光斑的三维示意图；

图8为本发明实施例中测量方法的步骤示意图；

图9为本发明实施例中测量方法中数据处理的流程图；

图10为本发明实施例中光斑灰度值与检偏偏振器旋转角度的三角函数关系示意图；

图中，a-阻挡线条，b-透光基板，11-光源，12-光源，21起偏偏振器，22-起偏偏振器，31-小孔光阑，32-小孔光阑，411-第一准直透镜，412-第二准直透镜，42-准直透镜，51-检偏偏振器，52-检偏偏振器，6-能量探测器，7-图像传感器，71-像素阵列，711-像素点，8-旋转电机，9-检偏器安装盒，10-框架，s-光斑。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

发明人曾经尝试采用如图3所示的偏振片消光比、偏光角度测量方式对偏振片进行测量，当研究检偏偏振器21在不同大角度入射情况下的偏振特性时，需要多次频繁地旋转检偏偏振器21以调节入射光的入射角度，再重复以上步骤，测量过程极为繁琐，测试效率低下。

如图7所示，采用图像传感器来采集经过检偏偏振器检偏的光斑信息时，不仅能采集到光斑的能量信息，还可以利用图像传感器中像素阵列上的不同像素点相对于光源的位置确定光斑的相位信息。

本发明提出一种偏振测量装置及测量方法，使用图像传感器代替能量探测器对检偏后的偏振光进行采集测量，在采集光斑能量信息的同时，利用像素阵列上的不同像素点采集入射到该像素点上的光线的相位信息，只需要对起偏偏振器在具有一定入射角度范围的自然光下的偏振进行测量采集，再结合图像传感器拍摄到的图像光强信息及每个像素点对应的相位信息进行数据处理，就能够有效地计算得到起偏偏振器在该入射角度范围内不同入射角度(如图7中的方位角θ、极化角ψ)下的消光比及偏光角度。

下面将结合图4-图10详细介绍本发明实施例的内容。

如图4所示，本发明实施例提出一种偏振测量装置，该偏振测量装置包括光源12、起偏偏振器22、检偏偏振器52、图像传感器7、旋转模块以及分析模块(图中未画出)，光源12发出的光经过起偏偏振器22起偏，经过检偏偏振器52检偏后入射图像传感器7，所述旋转模块驱动检偏偏振器52以检偏偏振器52的法线方向为转动轴旋转，图像传感器7实时获取检偏后光的成像信息，所述分析模块接收获取的成像信息并计算确定所述起偏偏振器的偏振特性。。

其中，所述偏振测量装置还包括小孔光阑32及准直透镜42，所述旋转模块包括旋转电机8和检偏器安装盒9，检偏偏振器52安装于检偏器安装盒9上，检偏器安装盒9安装在高精度的旋转电机8上，旋转电机8驱动检偏偏振器52以其法线方向为转动轴进行旋转。

可选的，如图4所示，该偏振测量装置还包括框架10，起偏偏振器22、小孔光阑32、准直透镜42、检偏偏振器52、检偏器安装盒9及旋转电机8均设置在框架10上。

如图4和图5所示，光源12、起偏偏振器22、小孔光阑32、准直透镜42、检偏偏振器52及图像传感器7的中心对准，且起偏偏振器22、准直透镜42、检偏偏振器52及图像传感器7四者平行设置，即上述一系列器件的中心轴对准。

可选的，光源12为非准直光源，发出的光为自然光。

可选的，准直透镜42的数值孔径可根据测试需求灵活选择，当准直透镜42的数值孔径(na)大于0.7，其能够接收的入射光的角度(与透镜的主光轴的夹角)大于45°。

可选的，起偏偏振器22及检偏偏振器52可选用如图1所示的线栅偏振片；起偏偏振器22和检偏偏振器52均为透射式偏振器，二者对光进行透射偏振。

可选的，图像传感器6为ccd图像传感器。当然，图像传感器6也能选取cmos图像传感器，可根据测试的精度需求和成本做灵活选择。

如图5所示，光源12发射出的自然光，经起偏偏振器22进行起偏，再通过小孔光阑32进行角度约束，透过小孔光阑32的光经过准直透镜42进行准直后入射到检偏偏振器52；经准直后的偏振光透过检偏偏振器52进行检偏，检偏后的偏振光射入图像传感器7，在图像传感器7上成像，形成光斑。

如图6所示，检偏后的偏振光在图像传感器7的像素阵列71上形成光斑11，图像传感器7上的像素阵列71记录下光斑s的形貌与灰度。其中，像素阵列71由多个像素点711拼接组成。

此外，通过图像传感器7的像素阵列71中各个像素点711不仅能采集记录入射光线的光强信息，还能确定光线的相位信息，即像素点711相对于光源12的位置信息，如图7所示，可通过当前像素点相对于光源12的位置信息确定入射到当前像素点上的光线的入射角度(θ，ψ)，其中，θ表示方位角，取值0-90°，ψ表示极化角，取值0-360°。

在使用该测量装置测试的时候，利用高精度的旋转电机8控制检偏偏振器52按照预设的速度及步距进行旋转；同时，检偏偏振器5每旋转一个角度，利用图像传感器7采集记录下此时光斑s的形貌与灰度，并记录下对应的检偏偏振器52的旋转角度值。

所述分析模块接收获取图像传感器7的像素阵列71中各个像素点711采集到的入射光线的光强信息及相位信息，并据此计算确定起偏偏振器22的偏振特性。

同时，本发明实施例还提供一种利用上述测量装置测量检偏偏振器的偏振特性的方法，如图8所示，该测量方法包括步骤：

s1、提供一起偏偏振器22，采用起偏偏振器22对光源12发出的自然光进行起偏，得到偏振光；

s2、提供一检偏偏振器52，通过检偏偏振器52对所述偏振光进行检偏；

s3、驱动检偏偏振器52按照预设的速度及步距以检偏偏振器52的法线方向为转动轴旋转，利用图像传感器7实时获取检偏偏振器52每旋转一个角度后经过检偏的偏振光的成像信息；以及

s4、利用分析模块根据所述成像信息计算起偏偏振器22在不同入射角度下的偏振特性。

可选的，在起偏偏振器22进行起偏之后，在检偏偏振器52进行检偏之前，即在步骤s1与s2之间，该测量方法还包括步骤：

(1)、提供一小孔光阑32对所述偏振光进行角度约束；

(2)、提供一准直透镜42对所述偏振光进行准直。

其中，检偏偏振器52的旋转速度与步距参数由测试所需的数据采样率与图像传感器7的采集速率等参数决定，可根据不同的参数与需求做灵活调整。

在步骤s3中，采集得到的成像信息包括采集到的图像灰度值h、对应的检偏偏振器52的旋转角度α′以及各个像素点对应的相位信息。

对检偏后的成像信息而言，由透振光强度公式马吕斯定律：i＝i0(cosα)²可知，图像传感器7采集到的图像灰度值h与检偏偏振器52的旋转角度α′同样呈三角函数关系h＝h0(cos(α′+c))²。其中，i表示透射光的强度，i0表示透射光的最大强度，(α′+c)是起偏偏振器22的偏振方向与检偏偏振器52的偏振方向间的夹角；h表示采集的图像灰度值，h0表示图像灰度值的最大值，α′是检偏偏振器的旋转角度，常数c为检偏偏振器52的初始偏振方向与起偏偏振器22的偏振方向之间的夹角。

如图10所示，由于图像传感器7采集到的图像灰度值h与检偏偏振器52的旋转角度α′呈三角函数关系h＝h0(cos(α′+c))²，所以，在测试过程中，检偏偏振器52需要至少旋转半周(180°)以保证数据采样完整性，即至少采集得到一个周期内的数据。可选的，检偏偏振器52每次旋转10度，每次旋转后停顿5秒钟，以便图像传感器7进行成像信息的采集，再继续旋转，总共旋转18-36次。

在步骤s4中，通过所述分析模块接收获取一系列的成像信息(图像灰度值h，检偏偏振器52的旋转角度α′)，并据此计算起偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的偏振特性，包括消光比与偏光角度。

具体的，结合图9，利用分析模块根据所述成像信息计算起偏偏振器22在不同入射角度下的偏振特性的步骤s4包括：

s41、通过图像传感器7上各个像素点711与光源12的相对位置确定当前像素点上自然光的入射角度(θ，ψ)，得到图像传感器7的入射角度云图；

s42、提取图像传感器7上每个像素点711在检偏偏振器52的不同旋转角度α下采集到的图像灰度值h，根据马吕斯定律进行三角函数拟合；

s43、根据拟合得到的三角函数计算确定各个像素点对应的偏振光的偏振特性，得到图像传感器7对应的偏振特性云图，再结合入射角度云图与偏振特性云图得到起偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的偏振特性。

可选的，在步骤s41中，参见图7，在所述分析模块中，根据测量装置的结构计算光的入射角度，针对像素阵列71中的各个像素点711，根据当前像素点与光源12的相对位置确定入射到该像素点上的入射光线的入射角度(θ，ψ)，从而可以得到不同像素点上入射光线的入射角度云图。

在步骤s42中，参见图9，针对像素阵列71中的各个像素点711，旋转检偏偏振器52至少半周并采集每次旋转过一个角度后的图像灰度值h，提取采集到的所有图像灰度值h与对应的检偏偏振器52的旋转角度α′，根据马吕斯定律进行三角函数拟合，得到如图10所示的拟合三角函数曲线。

在步骤s43中，由当前像素点的成像信息的数据拟合得到的三角函数曲线后，再由所述拟合三角函数曲线求出当前像素点的消光比与偏光角度，进而求出像素阵列71的消光比云图与偏光角度云图，得到图像传感器7对应的偏振特性云图，进而得到起偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的偏振特性。可选的，根据拟合得到的三角函数计算确定各个像素点对应的偏振光的偏振特性的步骤s43包括：

s431、根据图像灰度值h的最大值h0与图像灰度值h的最小值h1的比值确定各个像素点对应的偏振光的消光比，进而得到起偏偏振器22在各个像素点对应的入射光的不同入射角度下的消光比；

s432、根据图像灰度值h的最大值h0对应的检偏偏振器52的旋转角度α′确定各个像素点对应的偏振光的偏光角度，进而得到起偏偏振器22在各个像素点对应的入射光的不同入射角度下的偏光角度。

其中，如图10所示，针对每个像素点，根据拟合三角函数曲线能求出当前像素点的图像灰度值的最大值h0与图像灰度值的最小值h1。根据图像灰度值的最大值h0与图像灰度值的最小值h1计算消光比，图像灰度值的最大值h0与图像灰度值的最小值h1的比值即为起偏偏振器22在入射角度(θ，ψ)下的消光比；根据图像灰度值的最大值h0确定偏光角度，图像灰度值的最大值h0对应的旋转角度值α″为起偏偏振器22在入射角度(θ，ψ)下的偏光角度。

最终，通过像素阵列71上各个像素711的一一对应，将步骤s41中得到的入射角度云图与步骤s43中的消光比云图或偏光角度云图结合在一起，得到到起偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的消光比与偏光角度。

如图10所示，在拟合的三角函数曲线上，在某一个周期(180°)内，图像灰度值的最大值h0在a点，图像灰度值的最小值h1在b点，采集拟合曲线上a、b点对应的图像灰度值h0与h1，二者的比值即为当前像素点的消光比；采集拟合曲线上a点对应的旋转角度值α″，旋转角度值α″即为当前像素点上起偏偏振器22的偏光角度；再结合当前像素点与光源12的相对位置计算得出光线的入射角度(θ，ψ)，最终可以通过像素阵列71上不同的像素711得出起偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的消光比与偏光角度，进而得到检偏偏振器22在不同入射角度(θ，ψ)下的偏振特性。

此外，本发明实施例还提供了一种光配向方法，采用上述任意一项所述的偏振测量方法对用于光配向的偏振片的偏振特性进行测量。通过图像传感器只需要对某一个入射角度范围内的偏振成像信息进行一次的周期采集，不需要多次旋转起偏偏振器以调节入射角度并对偏振成像信息进行多次重复的周期采集，就能计算得出检偏偏振器在不同入射角度下的偏振特性。

综上所述，相比于传统的测量方法中需要多次旋转起偏偏振器调节入射角度并重复采集测量以计算得到不同入射角度下的消光比与偏光角度，在本发明实施例的偏振测量装置与测量方法中，以图像传感器代替能量探测器进行偏振测量，利用图像传感器上像素阵列中不同位置处的像素点对不同入射角度的光进行偏振测量，只需要对起偏偏振器在一定入射角度范围内的自然光下的偏振成像信息进行一个周期的采集测量，就可以结合图像传感器像素阵列中不同位置处的像素点上的入射光的相位信息计算得出起偏偏振器在该入射角度范围内的不同入射角度下的偏振特性，精简了测试过程，提高了测试效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。