一种矢量光束偏振分布检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种矢量光束偏振分布检测装置，包括四分之一波片、线偏振光检偏器、旋转模块、图像采集模块和计算机。还公开了矢量光束偏振分布检测方法，入射平行光束经四分之一波片和线偏振光检偏器，后被图像采集模块探测；通过旋转模块改变四分之一波片快轴方向，图像采集模块曝光记录受四分之一波片快轴方向调制的一系列光束图像；计算机把图像细分成微区域，针对每个微区域可认为其偏振分布均匀，分析其受四分之一波片快轴方向调制的强度曲线，可以获取该微区域的偏振态，对所有微区域做相同的处理，最终获取整个光束的偏振态分布。本发明专利技术的装置和方法，结构简单、适用性好、稳定可靠，能够实现任意矢量光束偏振分布快速、自动、准确的检测。

Device and method for detecting polarization distribution of vector light beam

The invention discloses a detection device for the polarization distribution of a vector beam, which comprises four parts of a wave plate, a linear polarized light detector, a rotation module, an image acquisition module and a computer. Also disclosed the polarization vector distribution detection method, the incident wave illuminated by four points and linearly polarized light polarizer, after the image acquisition module by rotating the wave of change detection; module four points slice fast axis direction, the image acquisition module and a series of beam exposure images recorded by a wave of four cent piece of fast axis direction modulation; computer image segmentation into micro region for each micro region that its polarization distribution, analysis of the intensity curve by a wave of four points slice fast axis direction modulation, can obtain the polarization state of the micro area, do the same treatment to all the micro area, polarization distribution to obtain the entire beam. The invention has the advantages of simple structure, good applicability, stability and reliability, and can realize the fast, automatic and accurate detection of the polarization distribution of any vector beam.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种矢量光束偏振分布检测装置和方法，属于光学偏振检测

技术介绍
光的偏振和强度、相位一样是光的一个重要性质。而偏振光又根据偏振分布分为均匀偏振光和非均匀偏振光。均匀偏振光指在光束横截面上，光的偏振态不随空间变化分布均匀，如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光等，这种光束称作标量光束；非均匀偏振光的偏振状态在光束横截面上分布不均匀，随空间分布发生变化，如径向偏振、角向偏振、涡旋光场和椭圆矢量光束等，这种光束称作矢量光束。两种光束的偏振特性，在很多领域都有重要应用。标量光束的偏振应用比如液晶显示，就是基于光学偏振的调制；在工业显微领域，偏振能够提供更加清晰的探测对比度；在生物显微领域，能够提供强度参量不能提供的方向和结构对比度；而矢量光束由于其偏振的不均匀性，在很多方面如超分辨显微镜、频率位移、光学捕捉和控制、电子加速、高分辨测量以及光镊技术中都发挥着重要作用。对于标量光束的偏振检测，国内外研究人员提出了多种方法和装置，实现了标量光束偏振态的自动、快速、准确测量。而矢量光束的偏振分布的检测，目前为止国内外研究很少，并没有快速，准确的自动检测方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种矢量光束偏振分布检测装置和方法，能够实现任意矢量光束偏振分布快速、自动、准确的检测。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种矢量光束偏振分布检测装置，包括四分之一波片、旋转模块、线偏振光检偏器、图像采集模块和计算机；所述图像采集模块用于曝光平行入射的矢量光束依次经四分之一波片、线偏振光检偏器后的图像；所述旋转模块用于旋转四分之一波片快轴方向；所述计算机分别连接旋转模块、图像采集模块，计算机用于控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴方向，还用于接收并处理图像采集模块传输过来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述图像采集模块包括光束整形光学模块和图像传感器；所述光束整形光学模块为望远光学系统，用于将平行入射并通过线偏振光检偏器的矢量光束进行扩束或缩束来匹配图像传感器的成像尺寸，然后平行出射至图像传感器；图像传感器为CCD图像传感器，用于曝光经光束整形光学模块后的图像，并传输给计算机。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述旋转模块为带控制器的旋转式步进电机。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述线偏振光检偏器为透射轴方向固定的线偏振片或者线偏振棱镜。一种矢量光束偏振分布检测方法，包括如下步骤：步骤1，平行入射矢量光束经四分之一波片、线偏振光检偏器、光束整形光学模块后入射到图像传感器感光面上，被图像传感器曝光；步骤2，计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，同时图像传感器曝光在每个快轴方向下的光束图像，最终获取一系列受四分之一波片快轴方向调制的光束图像，并把这些光束图像传输给计算机；步骤3，计算机对获取的光束图像进行细分，然后处理每个细分微区域内受四分之一快轴方向调制的强度曲线，得到每个微区域的偏振态，最终获得并显示整个矢量光束的偏振态分布。作为本专利技术方法的一种优选方案，步骤2所述计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，图像传感器同时曝光快轴在不同方向时的光束图像，不同的方向共N个，且N大于等于3。作为本专利技术方法的一种优选方案，所述步骤3的具体过程为：31)根据空间分辨率和精度要求，把系列中每幅光束图像按相同的规则细分成若干个微区域，将每幅光束图像第i行j列的微区域内的所有像素对应的光强进行叠加得到该微区域的总光强Iij；32)沿四分之一波片快轴旋转方向αk提取每副光束图像第i行j列微区域的总光强，得到该微区域总光强受四分之一波片快轴方向调制的强度曲线Iij(αk)，k＝1,2,…,N，N表示四分之一波片快轴方向的总个数；33)对上述强度曲线Iij(αk)进行处理，从而得到第i行j列微区域内光束的偏振态，具体体现在得到方位角θij和椭偏度两个参数：其中，34)对所有微区域进行上述计算，获取其偏振参数方位角和椭偏度，并根据偏振参数绘制每个微区域的偏振形态，最终显示整个矢量光束的偏振分布。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术矢量光束偏振分布检测装置和方法，首次实现了任意矢量光束偏振分布的快速检测。2、本专利技术矢量光束偏振分布检测装置，结构简单、适用性强、易于实现。3、本专利技术矢量光束偏振分布检测方法，能够快速、自动、直观、准确地检测任意矢量光束的偏振分布，为矢量光的相关研究和技术提供支持方法和工具，具有重要的应用价值。附图说明图1是本专利技术矢量光束偏振分布检测装置的示意图。图2是本专利技术矢量光束偏振分布检测方法数据处理中图像传感器获取的受四分之一波片快轴方向调制的光束图像。图3是本专利技术矢量光束偏振分布检测方法数据处理中其中一个细分微区域提取的沿四分之一波片快轴方向光强变化值和根据该数据处理后获取的偏振参数计算的理论光强曲线图。图4是偏振态参数描述示意图。图5是本专利技术实施例最终显示的矢量光束偏振分布示意图。其中，1为四分之一波片，2为旋转模块，3为线偏振光检偏器，4为光束整形光学模块，5为图像传感器，6为计算机，1的虚线代表四分之一波片快轴方向，3的虚线代表线偏振光检偏器透射轴方向。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术提出矢量光束偏振分布检测装置和方法，最基本的思想是把矢量光束的横截面细分成很多微区域，在单独一个微区域里偏振态的变化很小，可认为是不变的，因此可以利用标量光束偏振检测的方法检测该微区域的偏振态。对每个微区域进行检测，最后实现整个矢量光束横截面偏振分布的检测。本专利技术中利用望远光学系统配合图像传感器实现偏振分布的并行检测，在数据处理中同样采用数据并行处理的方法，最终实现矢量光束偏振分布的快速检测。本专利技术提供的矢量光束偏振分布检测装置如图1所示，平行入射的矢量光束首先经过四分之一波片1，之后通过透射轴固定的线偏振光检偏器3，然后通过光束整形光学模块4来匹配图像传感器5感光面积和入射光束的光斑尺寸，最后被图像传感器5曝光。计算机6连接并控制旋转模块2和图像传感器5，包括驱动旋转模块2带动四分之一波片旋转其快轴方向，接收并处理图像传感器5传输回来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。其中，四分之一波片1选择普通的光学四分之一圆形波片；旋转装置2选择带控制器的旋转式步进电机，其机械结构需要保证四分之一波片1的安装。线偏振光检偏器3，选择普通的线偏振片，也可以是线偏振棱镜，保持其透射轴固定方向不变。光束整形光学模块4采用望远光学系统，起到扩束或者缩束的作用，保证平行入射光束的光束尺寸能够匹配图像传感器5感光面的尺寸，同时保证平行入射光束能够平行出射，具体光学系统的放大倍率由入射光束的尺寸和图像传感器5感光面的尺寸决定。图像传感器5由于并不涉及彩色图像的获取，选择单色CCD图像传感器。在检测过程中，入射平行矢量光束进入检测装置后，计算机控制整个装置的工作。驱动旋转装置带动四分之一波片在0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，包括四分之一波片、旋转模块、线偏振光检偏器、图像采集模块和计算机；所述图像采集模块用于曝光平行入射的矢量光束依次经四分之一波片、线偏振光检偏器后的图像；所述旋转模块用于旋转四分之一波片快轴方向；所述计算机分别连接旋转模块、图像采集模块，计算机用于控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴方向，还用于接收并处理图像采集模块传输过来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。

【技术特征摘要】
1.一种矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，包括四分之一波片、旋转模块、线偏振光检偏器、图像采集模块和计算机；所述图像采集模块用于曝光平行入射的矢量光束依次经四分之一波片、线偏振光检偏器后的图像；所述旋转模块用于旋转四分之一波片快轴方向；所述计算机分别连接旋转模块、图像采集模块，计算机用于控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴方向，还用于接收并处理图像采集模块传输过来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。2.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述图像采集模块包括光束整形光学模块和图像传感器；所述光束整形光学模块为望远光学系统，用于将平行入射并通过线偏振光检偏器的矢量光束进行扩束或缩束来匹配图像传感器的成像尺寸，然后平行出射至图像传感器；图像传感器为CCD图像传感器，用于曝光经光束整形光学模块后的图像，并传输给计算机。3.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述旋转模块为带控制器的旋转式步进电机。4.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述线偏振光检偏器为透射轴方向固定的线偏振片或者线偏振棱镜。5.一种矢量光束偏振分布检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，平行入射矢量光束经四分之一波片、线偏振光检偏器、光束整形光学模块后入射到图像传感器感光面上，被图像传感器曝光；步骤2，计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：王潇，司晓云，杨凤，吴曰超，尹建华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32