一种高精度自动测量目标对传输光束偏振态影响的系统

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。

说明书

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1所示，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。

附图说明

图1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：1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(6.1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，10为自适应前置放大器，11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1中粗线为光路，细线为电路。

具体实施方式

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OSD15-5T，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(V_R＝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-1V，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*1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85，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7一个小角度(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5.1或6.5一个小角度(一般精度可设为1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6.3一个小角度(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6.3一个小平移量(一般精度可设为1cm)，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θ；在测量到最小电压值的检偏角度θ_min，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_min，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_min′；在旋转90度的检偏角度θ_min+90°(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_max，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_max′。

最小电压的相对值：${\eta }_{\min }=\frac{V_{\min }}{{V_{\min }}^{\prime }}.$

最大电压的相对值：${\eta }_{\max }=\frac{V_{\max }}{{V_{\max }}^{\prime }}.$

最终测量的偏振消光比：$\mathrm{ER}=\frac{{\eta }_{\max }}{{\eta }_{\min }}.$

偏振方向旋转角：$\mathrm{\Delta \theta }=\theta -({\theta }_{\min }+\frac{\pi }{2}).$

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。