CN110411333A - 一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其包括激光器，激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一偏振片和偏振分光镜；偏振分光镜的透射光路上设置有第一反射镜，偏振分光镜的反射光路上设置有第二反射镜；第二反射镜的反射光路上从左到右依次设置有扩束***、待测样品和缩束***；缩束***的出射光路和第一反射镜的反射光路的交汇处设置有分光镜，分光镜的透射光路上从左到右依次设置有四分之一波片、第二偏振片，聚焦透镜、CCD探测器。提供了一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法，其用于测量透明/半透明介质或流场的折射率分布，且相位检测精度高于传统的光学相干层析光路。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法。
背景技术
光学相干层析成像是光学计算机层析技术(Optical Computed Tomography,OCT)的一种，是1991年由Fujimoto研究小组提出并逐步发展而成的一种三维层析成像技术。它基于干涉原理可获得深度方向的层析能力，通过多投影角度成像可以重构出被测样品内部结构的折射率分布，进而得到二维或三维图像。光学相干层析成像技术具有无损伤、非介入、高分辨率的特性，在医学生物检测、流场检测和透明介质检测等方面具有广泛的应用前景。
光学相干层析成像技术的基本原理是采用迈克尔逊干涉光路、马赫-曾德干涉光路等干涉光路，使测量光路从某个角度方向通过被测透明/半透明介质或流场，与相位可调制的参考光路发生干涉，通过还原算法得到被测透明/半透明介质或流场在该入射方向的相位信息，然后旋转光路或被测透明/半透明介质或流场，获得多个入射方向上的相位信息数据，最后根据基于Radon逆变换原理的算法还原出被测透明/半透明介质或流场的二维或三维折射率分布。
为获得被测透明/半透明介质或流场的相位信息，需要对参考光路的相位进行改变以得到多个干涉图样，通常做法有两种，一是角度调制，例如在参考光路中加入光学补偿板，通过旋转光学补偿板使参考光路的光程发生变化，从而调制出不同的参考光路的相位；二是位移调制，例如在参考光路中加入分光镜和反射镜，通过反射镜的线性往复移动来改变光程，从而得到不同的参考光相位。但前者收到补偿板厚度的影响，其相位调制范围不能很大，后者使光路结构更加复杂，调节难度也增大了。
为实现较好的测量效果，本发明提出一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法，其用于测量透明/半透明介质或流场的折射率分布，且相位检测精度高于传统的光学相干层析光路。
为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其包括激光器，激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一偏振片和偏振分光镜；偏振分光镜的透射光路上设置有第一反射镜，偏振分光镜的反射光路上设置有第二反射镜；第二反射镜的反射光路上从左到右依次设置有扩束***、待测样品和缩束***；缩束***的出射光路和第一反射镜的反射光路的交汇处设置有分光镜，分光镜的透射光路上从左到右依次设置有四分之一波片、第二偏振片，聚焦透镜、CCD探测器。
进一步的，所述扩束***由依次设置在第二反射镜的反射光路上的第一光学透镜和第二光学透镜组成。
进一步的，所述缩束***由依次设置在待测样品的透射光路上的第三光学透镜和第四光学透镜组成。
进一步的，所述扩束***的扩束倍数和缩束***的缩束倍数相等。
进一步的，第一偏振片的光轴方向与纸面方向夹角为45°。
进一步的，四分之一波片的光轴方向与纸面方向夹角为45°。
进一步的，第二偏振片的光轴位置可旋转调整。
进一步的，待测样品可旋转调整。
本发明另一目的还在于提供一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法，其包括下述步骤：
步骤一：打开激光器，使激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有平行于纸面的P偏振分量和垂直于纸面的S偏振分量；
步骤二：经过偏振分光镜反射并经待测样品透射的光为测量光，经过偏振分光镜透射且没有经过待测样品的光为参考光，测量光和参考光在CCD探测器的像平面上形成干涉图样；
步骤三：旋转第二偏振片对测量光和参考光的的相位差进行调制，利用多步相移法还原待测样品在当前角度位置的相位信息；
步骤四：旋转待测样品，并重复步骤二和步骤三，获得待测样品在不同角度下的相位信息，最终经基于Radon逆变换原理的算法还原出被测样品的二维或三维折射率分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
①在测量光路和参考光路采用不同的偏振态，由于测量光经过待测样品，其折射率分布不均匀会导致测量光的波前发生畸变，在光路末端添加一个四分之一波片和一个可旋转的第二偏振片，可对测量光和参考光的相位差进行调制，从而还原出待测样品的相位信息。采用该方法的相位检测精度很高，同时可以消除偏振片泄露因子的影响，光路具有良好的抗干扰能力；
②使用了扩束***，使得光束的直径扩大，以使待测样品能全部被光束覆盖照射，同时使用了缩束***，且缩束***的缩束倍数和扩束***的扩束倍数相等，缩束***将经过待测样品的光束直径缩小至扩束之前的大小，方便与参考光路对照；
③设置了光轴方向与纸面夹角为45°的第一偏振片，第一偏振片的设置使得激光器的出射激光转变为偏振方向与纸面夹角为45°的线偏振光，以便偏振分光镜能将其分成两束光强大致相等的偏振态垂直于纸面的反射S光和偏振态平行于纸面的透射P光；
④四分之一波片的光轴方向与纸面夹角为45°，四分之一波片的设置使得测量光路S偏振光和参考光路P偏振光分别转化为左右圆偏振光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施方案所述一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置的结构示意图。
101、激光器；102、第一偏振片；103；偏振分光镜；104、第一反射镜；105、第二反射镜；106、第一光学透镜；107、第二光学透镜；108、待测样品；109、第三光学透镜；110、第四光学透镜；111、分光镜；112、四分之一波片；113、第二偏振片；114、聚焦透镜；115、CCD探测器；116、扩束***；117、缩束***
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要进一步说明的是，本发明中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如相应附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
实施例1
参照图1，本发明优选实施例1提供一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其包括以下部件：
激光器101：普通商用He-Ne激光器，出射波长为633nm，光束直径约Ф4mm；
第一偏振片102，第二偏振片113：选用通用的高精度商用偏振片，偏振消光比大于100:1；
第一光学透镜106、第二光学透镜107、第三光学透镜109、第四光学透镜110：市场通用的高精度器件，组装好后扩束和缩束倍数为10倍。
待测样品108：采用一个形状不规则的水晶，大小小于30×30×30mm，为减小光束通过水晶带来的光线偏折，将水晶浸泡在甘油中。
偏振分光镜103、第一反射镜104、第二反射镜105、分光镜111、四分之一波片112、聚焦透镜114、CCD探测器115：采用市场通用的高精度器件
上述部件的结构关联如下：
其包括激光器101，激光器101的输出光路上从左到右依次设有第一偏振片102和偏振分光镜103；第一偏振片102的光轴方向与纸面方向夹角为45°；偏振分光镜103的透射光路上设置有第一反射镜104，偏振分光镜103的反射光路上设置有第二反射镜105；第二反射镜105的反射光路上从左到右依次设置有扩束***116、角度可旋转调整的待测样品108和缩束***117；所述扩束***116由依次设置在第二反射镜105的反射光路上的第一光学透镜106和第二光学透镜107组成；所述缩束***117由依次设置在待测样品108的透射光路上的第三光学透镜109和第四光学透镜110组成；扩束***116的扩束倍数和缩束***117的缩束倍数均为10倍；缩束***117的出射光路和第一反射镜104的反射光路的交汇处设置有分光镜111，分光镜111的透射光路上从左到右依次设置有四分之一波片112、第二偏振片113，聚焦透镜114、CCD探测器115；四分之一波片112的光轴方向与纸面方向夹角为45°；第二偏振片113的光轴位置可旋转调整。
实施例2
参照图1，本发明优选实施例2提供一种基于实施例1所述装置的一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法，其包括下述步骤：
步骤一：打开激光器101，使激光器101发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有平行于纸面的P偏振分量和垂直于纸面的S偏振分量；
步骤二：经过偏振分光镜103反射并经待测样品透射的光为测量光，经过偏振分光镜103透射且没有经过待测样品的光为参考光，测量光和参考光在CCD探测器115的像平面上形成干涉图样；
步骤三：旋转第二偏振片113对测量光和参考光的的相位差进行调制，利用多步相移法还原待测样品108在当前角度位置的相位信息；
步骤四：旋转待测样品108，并重复步骤二和步骤三，获得待测样品108在不同角度下的相位信息，最终经基于Radon逆变换原理的算法还原出被测样品的二维或三维折射率分布。
具体的，本实施例所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法如下：激光器101发出的波长为633nm、直径约Ф4mm的光束，经过光轴与纸面夹角为45°的第一偏振片102后转变为偏振方向与纸面夹角为45°的线偏振光，然后入射到偏振分光镜103上，被分成光强大致相等的偏振态垂直于纸面的S光和平行于纸面的P光两部分。其中，P光透射后被第一反射镜104反射，再入射到分光镜111并被其反射。S偏振光反射后被第二反射镜105反射后通过由第一光学透镜106和第二光学透镜107组成的扩束倍数为10倍的扩束***，其中第一光学透镜106的像方焦点和第二光学透镜107的物方焦点重合，第二光学透镜107的焦距大于第一光学透镜106的焦距，经过扩束***后光束直径变为Ф40mm，然后照射通过浸没在甘油的待测样品108，再经过由第三光学透镜109和第四光学透镜110组成的缩束倍数为10倍的缩束***，光束直径再恢复成Ф4mm，然后入射到分光镜111并被透射。P偏振参考光和S偏振测量光在分光镜111处合并成一束光，通过光轴与纸面夹角为45°的四分之一波片112后转变为左、右旋圆偏振光，再经过光轴位置可旋转调整的第二偏振片113，被聚焦透镜114聚焦后在CCD探测器115的像平面上形成干涉图样。旋转第二偏振片113，使其光轴分别处于-90°、-45°、0、+45°、+90°五个位置，对测量光和参考光的相位差进行调制，从而得到五幅干涉图样，进而利用五步相移法还原待测水晶样品108在某一照射角度位置的相位信息。进一步旋转待测样品108，在0～180°范围内每隔10°重复上述步骤测量一次，得到其在18个照射角度下的相位信息，最终根据基于Radon逆变换原理的算法还原可获得待测样品108的折射率分布，同时获得其三维图像。
本发明所公开的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置及方法，工作原理如下：
激光器101发出的光经过第一偏振片102，第一偏振片102的光轴与纸面夹角为45°，其作用是将出射激光转变为偏振方向与纸面夹角为45°的线偏振光。然后光束入射到偏振分光镜103上，偏振分光镜103将光束分成两束光强大致相等的偏振态垂直于纸面的反射S偏振光和偏振态平行于纸面的透射P偏振光。其中，P偏振光透射后被第一反射镜104反射，再入射到分光镜111并被其反射，此为参考光路；S偏振光反射后被第二反射镜105反射后依次通过由第一光学透镜106和第二光学透镜107组成的扩束***116、待测样品108、由第三光学透镜109和第四光学透镜110组成的缩束***117，然后入射到分光镜111并被透射，由于光通过待测样108，其折射率分布不均匀会导致测量光的波前发生畸变，从而导致该光束的相位发生变化，此为测量光路。扩束***116的作用是将光束直径扩大以使待测样品108能全部被光束覆盖照射，缩束***117的缩束倍数和扩束***116的扩束倍数相等，其作用是将经过待测样品108的光束直径缩小至扩束之前的大小。待测样品108可旋转，使测量光束以不同的照射角度通过待测样品108，为待测样品108的折射率分布测量提供不同照射角度下的相位信息。P偏振参考光和S偏振测量光在分光镜111处合并成一束光，然后依次通过四分之一波片112和第二偏振片113，再经聚焦透镜114聚焦后被CCD探测器115接收，在其像平面上形成测量光和参考光的干涉图样。四分之一波片112的光轴与纸面夹角为45°，其作用是使P偏振参考光和S偏振测量光分别转变为左、右旋圆偏振光。第二偏振片113可绕光路轴线旋转，其作用是通过旋转改变光轴转角位置，对测量光和参考光的相位差进行调制，从而在CCD探测器115的像平面上得到不同相位差的干涉图样，进而利用多步相移原理还原待测样品在某一照射角度位置的相位信息。进一步旋转待测样品108可得到其在不同照射角度下的相位信息，最终经算法还原可获得待测样品的折射率分布。
Claims (10)
1.一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其包括激光器，其特征在于，激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一偏振片和偏振分光镜；偏振分光镜的透射光路上设置有第一反射镜，偏振分光镜的反射光路上设置有第二反射镜；第二反射镜的反射光路上从左到右依次设置有扩束***、待测样品和缩束***；缩束***的出射光路和第一反射镜的反射光路的交汇处设置有分光镜，分光镜的透射光路上从左到右依次设置有四分之一波片、第二偏振片，聚焦透镜、CCD探测器。
2.如权利要求1所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，所述扩束***由依次设置在第二反射镜的反射光路上的第一光学透镜和第二光学透镜组成；所述缩束***由依次设置在待测样品的透射光路上的第三光学透镜和第四光学透镜组成。
3.如权利要求2所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，所述扩束***的扩束倍数和缩束***的缩束倍数相等。
4.如权利要求1所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，第一偏振片的光轴方向与纸面方向夹角为45°。
5.如权利要求1所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，四分之一波片的光轴方向与纸面方向夹角为45°。
6.如权利要求1所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，第二偏振片的光轴位置可旋转调整。
7.如权利要求1所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量装置，其特征在于，待测样品可旋转调整。
8.本发明另一目的还在于提供一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法，其包括下述步骤：
步骤一：打开激光器，使激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有平行于纸面的P偏振分量和垂直于纸面的S偏振分量；
步骤二：经过偏振分光镜反射并经待测样品透射的光为测量光，经过偏振分光镜透射且没有经过待测样品的光为参考光，测量光和参考光在CCD探测器的像平面上形成干涉图样；
步骤三：旋转第二偏振片对测量光和参考光的的相位差进行调制，利用多步相移法还原待测样品在当前角度位置的相位信息；
步骤四：旋转待测样品，并重复步骤二和步骤三，获得待测样品在不同角度下的相位信息，最终经基于Radon逆变换原理的算法还原出被测样品的二维或三维折射率分布。
9.如权利要求8所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法，其特征在于：步骤二中旋转第二偏振片，使其光轴分别处于-90°、-45°、0°、+45°、+90°五个位置。
10.如权利要求8所述的一种新型激光偏振相移干涉层析测量方法，其特征在于：步骤四中旋转待测样品，在0～180°范围内每隔10°重复步骤二和步骤三测量一次，得到待测样品在18个照射角度下的相位信息。
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