CN109141643B - 一种宽带信号光偏振成份比测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽带信号光偏振成份比测量装置及方法，其包括控制主机以及依次连接的白光源、前端光学器件、目标物体、光束准直器、声光滤波组件和光谱探测仪，控制主机分别连接声光滤波组件和光谱探测仪，白光源连续输出光束，来自白光源的宽带光经前端光学器件汇聚并准直后形成平行光束，平行光束垂直照射到目标物体表面并透射，经目标物体透射的宽带信号光携带了目标物体的偏振信息，来自目标物体的宽带信号光经光束准直器汇聚并准直成平行光束进入声光滤波组件进行声光滤波，光谱探测仪接收声光滤波光束并获取光谱数据送入控制主机，控制主机基于光谱数据计算宽带信号光中任一波长处的偏振成份比。本发明稳定性好，方法简单易操作。
Description
技术领域
本发明涉及光学滤波技术领域，尤其涉及一种宽带信号光偏振成份比测量装置及方法。
背景技术
在超光谱成像等领域，利用声光可调滤波器可以同时获得目标对象在不同波段的光谱以及图像信息，对分析目标对象的形态以及成份意义重大。为此，发明专利(声光可调滤波器)发明了一种基于二氧化碲声光晶体的声光可调滤波器，该发明推动了声光滤波技术在光学滤波以及超光谱成像等领域的应用。在光学成像中，除了光谱信息之外，目标对象的光学偏振特性也是其关键属性，在不同的光学领域中，光的偏振态也都是重要参数之一。比如，在生物医学光子学中，光的偏振成像可以提供一般成像方法提供不了的病理变化信息；在遥感领域，通过对具有特定偏振态光的测量，能够有效识别指定目标物体。
当光学偏振成像中，成像的信号光为宽带光时，如果能获得宽带光在任意波长处的偏振成份比，也就是水平偏振和竖直偏振成份的强度比，就可以获得超光谱偏振成像结果，在获取目标对象光谱信息的同时，获取其光谱偏振成份比。这对目标物体的偏振特性识别意义重大，但是，迄今为止没有相关的发明被提出。
在声光滤波过程中，由于声光作用机制，宽带信号光被频率为f0的超声波衍射，一般情况下，衍射光包含两部分：+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束，两束光具有互相垂直的偏振方向，并且中心波长不同。其中，+1级声光滤波光束为水平偏振，中心波长为λ+1，-1级声光滤波光束为竖直偏振，中心波长为λ-1。在反常声光作用过程中，声光滤波过程会引起偏振态的变化。也就是说，衍射光中波长为λ+1，且为水平偏振的+1级声光滤波光束，来源于宽带信号光中波长为λ+1的竖直偏振光；滤波光束中波长为λ-1，且竖直偏振的-1级声光滤波光束，来源于宽带信号光中的波长为λ-1的水平偏振光。但是，由于衍射光中，+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束的中心波长不同，因此，无法通过直接测量衍射光强，进一步计算宽带信号光在某一波长处的偏振比。
基于目前存在的问题，如果能发明一种对宽带信号光任意波长处偏振成份测量的装置和方法，将极大促进声光滤波器的应用，使其在超光谱成像，光谱分析等领域发挥更大的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带信号光偏振成份比测量装置及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种宽带信号光偏振成份比测量装置，其包括控制主机以及依次连接的白光源、前端光学器件、目标物体、光束准直器、声光滤波组件和光谱探测仪，控制主机分别连接声光滤波组件和光谱探测仪，白光源在可见光至近红外光谱范围内连续输出光束，来自白光源的宽带光经前端光学器件汇聚并准直后形成平行光束，平行光束垂直照射到目标物体表面并透射，经目标物体透射的宽带信号光携带了目标物体的偏振信息，来自目标物体的宽带信号光经光束准直器汇聚并准直成平行光束进入声光滤波组件进行声光滤波，光谱探测仪接收声光滤波光束并获取光谱数据送入控制主机，控制主机基于光谱数据计算来自目标物体的宽带信号光中任一波长处的偏振成份比。
进一步地，所述的白光源为白光LED。
进一步地，所述的前端光学器件为光学望远镜***。
进一步地，所述的目标物体为人体肺癌组织的非染色切片。
进一步地，所述的光束准直器由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成。
进一步地，所述的声光滤波组件包括声光滤波器、角度精密调节转台、射频源以及挡光板，角度精密调节转台为电动马达驱动，角度精密调节转台通过USB连接线与控制主机连接，声光滤波器固定在角度精密调节转台的上表面，通过调节角度精密调节转台的旋转角度精确控制声光滤波器相对来自光束准直器平行光束的角度；
声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，通过改变射频源输出的射频信号频率连续调节声光滤波器输出的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束波长，挡光板位于声光滤波器的后端，挡光板为表面经阳极氧化处理的黑色铝合金圆盘，挡光板接收经声光滤波器输出的零级非滤波光束，防止零级非滤波光束影响光谱探测仪对衍射光束中水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的探测。
进一步地，角度精密调节转台的角度最小分辨率为5分，角度精密调节转台的下表面连接支架，支架将该角度精密调节转台固定。
进一步地，所述的光谱探测仪为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪包括光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，光纤探头用来接收来自声光滤波组件的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光；+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的控制主机。
进一步地，光谱探测仪在可见光至近红外范围内的光谱分辨率为0.2nm。
进一步地，所述的控制主机由PC机构成，PC机通过USB连接线分别与射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪连接，控制主机分别对射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测仪的光谱数据，完成光谱数据的分析以及存储。
进一步地，本发明还公开了一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其包括以下步骤：
步骤201：开启***，即初始化白光源、声光滤波组件、光谱探测仪和控制主机；
步骤202：根据白光源的位置以及发光强度参数对前端光学器件的参数进行设置，保证对来自白光源的光束完成汇聚和准直，并将准直后的光束送至目标物体；
步骤203：对目标物体的空间位置进行调整，使来自前端光学器件的准直光束垂直于目标物体表面照射到目标物体上；
步骤204：调整光束准直器的参数和位置，对经目标物体透射的宽带信号光进行收集和准直，将准直光束送入声光滤波组件进行声光滤波；
步骤205：调整声光滤波组件中声光滤波器的空间位置以及角度精密调节转台的角度，确定入射光极角θ0，保证对来自光束准直器的准直光束进行准确接收；确定射频源输出射频信号的频率f0，对来自光束准直器的准直光束进行声光滤波，调整挡光板的位置对经声光滤波器输出的零级非滤波光束进行完全接收，防止其进入光谱探测仪，只保留水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束；利用声光作用关系，计算出入射光极角为θ0，射频信号的频率为f0时，水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束中具有相同衍射效率的波长λ0；
步骤206：调节光谱探测仪中光纤探头的位置，对经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束分别进行准确接收，调整光谱探测仪中CCD的增益以及曝光时间参数，准确测量水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的光谱信息；
步骤207：利用控制主机对光谱探测仪获得的光谱数据进行分析处理，计算经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束在波长λ0处的强度比，即可获得宽带信号光在波长λ0处的偏振成份比；改变声光滤波组件中射频源输出射频信号的频率，重复步骤205-207获得宽带信号光在任意波长的偏振成份比；
步骤208：对获得的宽带信号光偏振成份比测量结果进行存储，***关闭。
本发明采用以上技术方案，解决了宽带信号光偏振成份比的精确测量问题，可以对宽带信号光中任意波长处偏振成份比进行准确的测量，测量的精度高，***的稳定性好，方法简单易操作。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种宽带信号光偏振成份比测量装置的结构示意图；
图2为本发明一种宽带信号光偏振成份比测量方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1或2所示，本发明公开了一种宽带信号光偏振成份比测量装置，其包括控制主机以及依次连接的白光源、前端光学器件、目标物体、光束准直器、声光滤波组件和光谱探测仪，控制主机分别连接声光滤波组件和光谱探测仪，白光源在可见光至近红外光谱范围内连续输出光束，来自白光源的宽带光经前端光学器件汇聚并准直后形成平行光束，平行光束垂直照射到目标物体表面并透射，经目标物体透射的宽带信号光携带了目标物体的偏振信息，来自目标物体的宽带信号光经光束准直器汇聚并准直成平行光束进入声光滤波组件进行声光滤波，光谱探测仪接收声光滤波光束并获取光谱数据送入控制主机，控制主机基于光谱数据计算来自目标物体的宽带信号光中任一波长处的偏振成份比。
进一步地，所述的白光源为白光LED。
进一步地，所述的前端光学器件为光学望远镜***。
进一步地，所述的目标物体为人体肺癌组织的非染色切片。
进一步地，所述的光束准直器由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成。
进一步地，所述的声光滤波组件包括声光滤波器、角度精密调节转台、射频源以及挡光板，角度精密调节转台为电动马达驱动，角度精密调节转台通过USB连接线与控制主机连接，声光滤波器固定在角度精密调节转台的上表面，通过调节角度精密调节转台的旋转角度精确控制声光滤波器相对来自光束准直器平行光束的角度；
声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，通过改变射频源输出的射频信号频率连续调节声光滤波器输出的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束波长，挡光板位于声光滤波器的后端，挡光板为表面经阳极氧化处理的黑色铝合金圆盘，挡光板接收经声光滤波器输出的零级非滤波光束，防止零级非滤波光束影响光谱探测仪对衍射光束中水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的探测。
进一步地，角度精密调节转台的角度最小分辨率为5分，角度精密调节转台的下表面连接支架，支架将该角度精密调节转台固定。
进一步地，所述的光谱探测仪为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪包括光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，光纤探头用来接收来自声光滤波组件的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光；+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的控制主机。
进一步地，光谱探测仪在可见光至近红外范围内的光谱分辨率为0.2nm。
进一步地，所述的控制主机由PC机构成，PC机通过USB连接线分别与射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪连接，控制主机分别对射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测仪的光谱数据，完成光谱数据的分析以及存储。
进一步地，本发明还公开了一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其包括以下步骤：
步骤201：开启***，即初始化白光源、声光滤波组件、光谱探测仪和控制主机；
步骤202：根据白光源的位置以及发光强度参数对前端光学器件的参数进行设置，保证对来自白光源的光束完成汇聚和准直，并将准直后的光束送至目标物体；
步骤203：对目标物体的空间位置进行调整，使来自前端光学器件的准直光束垂直于目标物体表面照射到目标物体上；
步骤204：调整光束准直器的参数和位置，对经目标物体透射的宽带信号光进行收集和准直，将准直光束送入声光滤波组件进行声光滤波；
步骤205：调整声光滤波组件中声光滤波器的空间位置以及角度精密调节转台的角度，确定入射光极角θ0，保证对来自光束准直器的准直光束进行准确接收；确定射频源输出射频信号的频率f0，对来自光束准直器的准直光束进行声光滤波，调整挡光板的位置对经声光滤波器输出的零级非滤波光束进行完全接收，防止其进入光谱探测仪，只保留水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束；利用声光作用关系，计算出入射光极角为θ0，射频信号的频率为f0时，水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束中具有相同衍射效率的波长λ0；
步骤206：调节光谱探测仪中光纤探头的位置，对经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束分别进行准确接收，调整光谱探测仪中CCD的增益以及曝光时间参数，准确测量水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的光谱信息；
步骤207：利用控制主机对光谱探测仪获得的光谱数据进行分析处理，计算经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束在波长λ0处的强度比，即可获得宽带信号光在波长λ0处的偏振成份比；改变声光滤波组件中射频源输出射频信号的频率，重复步骤205-207获得宽带信号光在任意波长的偏振成份比；
步骤208：对获得的宽带信号光偏振成份比测量结果进行存储，***关闭。
具体的宽带信号光偏振成份比测量方法上，基于上述的硬件设备以及控制软件，通过以下方式实现：白光源发出的宽带光经前端光学器件汇聚和准直后，垂直照射到目标物体表面，经目标物体透射的宽带信号光由光束准直器接收，并对其进行缩束和准直；光束准直器输出的准直光束进入声光滤波组件，经声光滤波器进行声光滤波后，成为空间分离的三束，包括：零级非滤波光束，水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束，利用挡光板阻挡零级非滤波光束，保留水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束；角度精密调节转台可精确控制声光滤波器相对于来自光束准直器准直光束的角度，即入射光极角；利用声光作用关系，计算出当入射光极角为θ0，超声频率为f0时，水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束中具有相同衍射效率的波长λ0；水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束由光谱探测仪分别接收，并分别测量二者的光谱信息；控制主机接收来自光谱探测仪的光谱信息并对其进行分析，分别计算出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束中波长λ0处光的强度，进一步求出宽带信号光中波长λ0处的偏振成份比；改变射频源输出的射频信号频率，重复上述步骤，可以实现对宽带信号光中任意波长处偏振成份比的准确测量；最后，对测得的宽带信号光偏振成份比结果进行存储，完成宽带信号光偏振成份比的测量过程。
本发明采用以上技术方案，解决了宽带信号光偏振成份比的精确测量问题，可以对宽带信号光中任意波长处偏振成份比进行准确的测量，测量的精度高，***的稳定性好，方法简单易操作。
Claims (7)
1.一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：采用的一种宽带信号光偏振成份比测量装置包括控制主机以及依次连接的白光源、前端光学器件、目标物体、光束准直器、声光滤波组件和光谱探测仪，控制主机分别连接声光滤波组件和光谱探测仪，白光源在可见光至近红外光谱范围内连续输出光束，白光源的宽带光经前端光学器件汇聚并准直后形成平行光束，平行光束垂直照射到目标物体表面并透射，经目标物体透射的宽带信号光携带了目标物体的偏振信息，来自目标物体的宽带信号光经光束准直器汇聚并准直成平行光束进入声光滤波组件进行声光滤波，光谱探测仪接收声光滤波光束并获取光谱数据送入控制主机，控制主机基于光谱数据计算来自目标物体的宽带信号光中任一波长处的偏振成份比；
所述的声光滤波组件包括声光滤波器、角度精密调节转台、射频源以及挡光板，角度精密调节转台为电动马达驱动，角度精密调节转台通过USB连接线与控制主机连接，声光滤波器固定在角度精密调节转台的上表面，通过调节角度精密调节转台的旋转角度精确控制声光滤波器相对来自光束准直器平行光束的角度；
声光滤波器和射频源之间通过射频线连接，通过改变射频源输出的射频信号频率连续调节声光滤波器输出的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束波长，挡光板位于声光滤波器的后端，挡光板为表面经阳极氧化处理的黑色铝合金圆盘，挡光板接收经声光滤波器输出的零级非滤波光束，防止零级非滤波光束影响光谱探测仪对衍射光束中水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的探测；
所述的光谱探测仪为光纤光栅光谱仪，光谱探测仪包括光纤探头、分光光栅以及高灵敏度CCD阵列，光纤探头用来接收来自声光滤波组件的+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束，并送入分光光栅进行分光；+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束经分光后由CCD阵列接收，CCD阵列测量+1级声光滤波光束和-1级声光滤波光束中不同波长信号光的强度，并将数据送入后续的控制主机；方法包括以下步骤：
步骤201：开启***，即初始化白光源、声光滤波组件、光谱探测仪和控制主机；
步骤202：根据白光源的位置以及发光强度参数对前端光学器件的参数进行设置，对来自白光源的光束进行汇聚和准直，并将准直后的光束送至目标物体；
步骤203：对目标物体的空间位置进行调整，使来自前端光学器件的准直光束垂直于目标物体表面照射到目标物体上；
步骤204：调整光束准直器的参数和位置，对经目标物体透射的宽带信号光进行收集和准直，将准直光束送入声光滤波组件进行声光滤波；
步骤205：调整声光滤波组件中声光滤波器的空间位置以及角度精密调节转台的角度，确定入射光极角θ0，保证对来自光束准直器的准直光束进行准确接收；确定射频源输出射频信号的频率f0，对来自光束准直器的准直光束进行声光滤波，调整挡光板的位置对经声光滤波器输出的零级非滤波光束进行完全接收，防止其进入光谱探测仪，只保留水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束；利用声光作用关系，计算出入射光极角为θ0，射频信号的频率为f0时，水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束中具有相同衍射效率的波长λ0；
步骤206：调节光谱探测仪中光纤探头的位置，对经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束分别进行准确接收，调整光谱探测仪中CCD的增益以及曝光时间参数，准确测量水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束的光谱信息；
步骤207：利用控制主机对光谱探测仪获得的光谱数据进行分析处理，计算经声光滤波器输出水平偏振的+1级声光滤波光束和竖直偏振的-1级声光滤波光束在波长λ0处的强度比，即可获得宽带信号光在波长λ0处的偏振成份比；改变声光滤波组件中射频源输出射频信号的频率，重复步骤205-207获得宽带信号光在任意波长的偏振成份比；
步骤208：对获得的宽带信号光偏振成份比测量结果进行存储，***关闭。
2.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：所述的白光源为白光LED。
3.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：所述的前端光学器件为光学望远镜***。
4.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：所述的目标物体为人体肺癌组织的非染色切片。
5.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：所述的光束准直器由消色差的双胶合凸透镜组和双胶合凹透镜透镜组成。
6.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：角度精密调节转台的角度最小分辨率为5分，角度精密调节转台的下表面连接支架，支架将该角度精密调节转台固定。
7.根据权利要求1所述的一种宽带信号光偏振成份比测量方法，其特征在于：所述的控制主机由PC机构成，PC机通过USB连接线分别与射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪连接，控制主机分别对射频源、角度精密调节转台以及光谱探测仪进行参数调整与控制；PC机接收来自光谱探测仪的光谱数据，完成光谱数据的分析以及存储。
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