專利名稱：一種高精度自動(dòng)測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，特指一種高精度自動(dòng)測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振 態(tài)影響的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
偏振是光的一種特性，通過對(duì)光偏振現(xiàn)象的長期研究，偏振光技術(shù)已廣泛 應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多種學(xué)科例如利用蔗糖等溶液具有旋光性制 成的測(cè)量溶液糖度以判斷水果等的成熟程度的糖度計(jì)；利用具有相互垂直偏振 方向的圖像光束而形成的立體電影等立體畫像；利用玻璃等均質(zhì)材料上施加外 力會(huì)產(chǎn)生成比例的雙折射現(xiàn)象的光彈性效應(yīng)的工程檢測(cè)方法等。隨著人們對(duì)光 的偏振現(xiàn)象認(rèn)識(shí)與研究的不斷深入，偏振信息已逐漸應(yīng)用于對(duì)目標(biāo)的探測(cè)，在 地物遙感探測(cè)、大氣探測(cè)、水下探測(cè)、天文探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、目標(biāo)檢測(cè)、圖像 處理和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域起到重要的作用。
在偏振應(yīng)用及其研究過程中，為獲取不同目標(biāo)對(duì)偏振光的影響特性，必須 對(duì)經(jīng)過目標(biāo)作用后的光束偏振特性進(jìn)行測(cè)量，而現(xiàn)有的偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際 測(cè)量過程中具有極大的局限性專利申請(qǐng)?zhí)?00720046210.X的"一種橢圓偏 振光分析裝置"，其在使用中采用USB接口控制單片機(jī)從而控制整個(gè)系統(tǒng)，但 是這個(gè)系統(tǒng)仍只是單純對(duì)光束偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量，沒有把目標(biāo)對(duì)偏振態(tài)影響的偏 振應(yīng)用需要考慮到設(shè)計(jì)中，而且在檢測(cè)中只是采用簡單的單光路光電管檢測(cè)， 影響實(shí)際檢測(cè)的精度。專利申請(qǐng)?zhí)?00520040201.0的"一種新型快速橢圓偏振 光測(cè)量儀"，其在使用中采用組合檢偏器和二維CCD探測(cè)器來獲取材料的光學(xué)參數(shù)，已經(jīng)考慮到檢測(cè)目標(biāo)對(duì)光束偏振態(tài)的影響，但是在使用中仍存在一些問 題1、在測(cè)量手段上仍采用單路直流的方式，檢測(cè)的精度不高；2、研究目標(biāo) 對(duì)光束偏振態(tài)的影響時(shí)，只能完成單維的偏振測(cè)量，不能測(cè)量各向同性均勻材 料，不能完全滿足應(yīng)用的需要。
本發(fā)明充分考慮實(shí)際偏振應(yīng)用的需求，基于偏振原理，采用鎖相檢測(cè)、雙 光路補(bǔ)償、自適應(yīng)放大等技術(shù)，設(shè)計(jì)合理可行的光機(jī)結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控 制各旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高精度智能化測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響 的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，在現(xiàn)有偏振光檢測(cè)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)今偏振應(yīng)用 的需求，采用合理技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的缺點(diǎn)，提出一種高精度自動(dòng)化測(cè)量多維目標(biāo) 對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的系統(tǒng)。
整個(gè)偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)方案為
檢測(cè)目標(biāo)對(duì)偏振態(tài)影響的系統(tǒng)原理示意圖如圖l所示，由激光源l、衰減
片2、斬波器3、分光棱鏡4、透射式目標(biāo)模塊5、反射式目標(biāo)模塊6、檢偏器 及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件7、 PIN光電二極管8和11、前置放大器12、自適應(yīng)前置放大 器10、鎖相放大器13、電機(jī)控制器14、計(jì)算機(jī)15組成。計(jì)算機(jī)、自適應(yīng)前置 放大器、前置放大器、鎖相放大器、電機(jī)控制器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)及電動(dòng)平臺(tái)、PIN 光電管以電連接方式傳遞控制和數(shù)據(jù)信號(hào)。整體系統(tǒng)裝置間封裝隔光結(jié)構(gòu)。
在精度控制上，本系統(tǒng)在光源能量的穩(wěn)定度和光電測(cè)量的精度這兩個(gè)內(nèi)容 進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)
首先，光源采用圓偏振光，出射光由高能量穩(wěn)定度的激光器產(chǎn)生，在測(cè)量 過程中激光源能量的穩(wěn)定性可以保證在測(cè)量消光比過程中基準(zhǔn)能量保持相對(duì)的穩(wěn)定。在光電鎖相精度允許的條件下，衰減倍數(shù)應(yīng)盡量少，從而保證在測(cè)量 消光比時(shí)檢測(cè)微弱的信號(hào)能量處于相對(duì)較高的水平，這樣可以提高微弱信號(hào)檢 測(cè)的精度，從而提高消光比的實(shí)際測(cè)量精度。
其次，在偏振消光比的檢測(cè)過程中，采用雙光路補(bǔ)償法。通過分光棱鏡將
準(zhǔn)脈沖光分成兩束， 一路用于實(shí)際的偏振消光比測(cè)量，另一路用于參考值測(cè)量; 在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將實(shí)際測(cè)量的結(jié)果除以參考值，得到相對(duì)測(cè)量的結(jié)果，從而降 低光源能量不穩(wěn)定帶來的影響。在檢測(cè)過程中，軟件處理中還可以采用多組測(cè) 量、放棄最值、計(jì)算平均值的數(shù)據(jù)處理方式，將光源能量穩(wěn)定度的影響降到最 低。
考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)多采用直流檢測(cè)方式，而光電探測(cè)器在長時(shí)間工作中會(huì)出 現(xiàn)直流偏置，從而大大影響信號(hào)檢測(cè)的精度。在偏振應(yīng)用中，消光比測(cè)量是偏 振態(tài)檢測(cè)的關(guān)鍵，而主要影響消光比測(cè)量精度的就是微弱信號(hào)的測(cè)量精度，現(xiàn) 有的測(cè)量方式的精度顯然不能滿足要求。本系統(tǒng)中采用鎖相放大的技術(shù)通過 斬波器將直流光信號(hào)變?yōu)楣潭l率的交流光信號(hào)，PIN光電管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成 交流電信號(hào)，經(jīng)過前置放大器放大后，鎖相放大器以斬波器傳來的參考信號(hào)將 交流電信號(hào)鎖相放大，最終獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。
根據(jù)偏振應(yīng)用的需要，在實(shí)際檢測(cè)中希望能夠獲得目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振影 響的多維信息，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)比較大。所以對(duì)多維的測(cè)量系統(tǒng)布局時(shí)，同時(shí) 對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。
根據(jù)檢測(cè)光經(jīng)過目標(biāo)材料后光傳播方向的不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了透射式目標(biāo)模 塊5和反射式目標(biāo)模塊6。在透射式目標(biāo)模塊中，待測(cè)目標(biāo)16放置在三維電動(dòng) 平臺(tái)5.2上，使入射點(diǎn)的變化范圍內(nèi)能照射在目標(biāo)的待測(cè)部分。反射式目標(biāo)模 塊中帶有三塊反射鏡，前兩塊反射鏡6.1和6.2與水平成45度，使入射的光線在水平方向上發(fā)生一段平移；后一塊反射鏡6.4與目標(biāo)16的反射面保持平 行，與起偏器呈45度；后一塊反射鏡、起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件6.5和目標(biāo)安 置在三維電動(dòng)平臺(tái)6.3上，使入射點(diǎn)的變化范圍內(nèi)能覆蓋目標(biāo)的待測(cè)部分。這 樣的設(shè)計(jì)雖然在使用器件上比平常要多，但是能夠保證后光路只需要在水平上 發(fā)生一維平動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)光路的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)際上光機(jī)結(jié)構(gòu)得到了大大的簡化。
在實(shí)際檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中的前置放大器采用自適應(yīng)技術(shù)通過檢測(cè)實(shí)際由 PIN光電管傳輸過來的電信號(hào)，自動(dòng)控制放大電路的放大倍數(shù)，輸出符合鎖相 放大器輸入要求的脈沖電信號(hào)，從而保證電測(cè)量過程的自動(dòng)化。在系統(tǒng)的光機(jī) 部分，所有調(diào)整結(jié)構(gòu)都采用電機(jī)控制器控制的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和點(diǎn)評(píng)平臺(tái)，從而保證 機(jī)械調(diào)整過程的自動(dòng)化。
系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)編程控制整個(gè)測(cè)量過程，從電機(jī)控制器獲得電機(jī)的角度和位 移信息，從鎖相放大器獲得光電檢測(cè)的實(shí)際測(cè)量值，并把控制信號(hào)傳輸給電機(jī) 控制器對(duì)電機(jī)調(diào)整過程進(jìn)行自動(dòng)化控制。利用獲得的信號(hào)，經(jīng)過編程完成的數(shù) 據(jù)處理，就可以獲得消光比和偏振旋轉(zhuǎn)角等應(yīng)用中關(guān)心的偏振信息。本發(fā)明具 有精度高，自動(dòng)化多維測(cè)量的特點(diǎn)，可以給出目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的多 維信息。


圖l為系統(tǒng)原理示意圖。
圖2為系統(tǒng)控制與測(cè)量算法流程圖。
圖中標(biāo)號(hào)l為激光源，2為衰減片，3為斬波器，4為分光棱鏡，5為透 射式目標(biāo)模塊(5. 1為起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件、16為目標(biāo)、5.2為三維電動(dòng)平 臺(tái))，6為反射式目標(biāo)模塊(6. l為45度反射鏡、6.2為45度反射鏡、6. 3為 三維電動(dòng)平臺(tái)、6.4為反射鏡、6.5為起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件、16為目標(biāo))，7為檢偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件，8為PIN光電管，9為一維電動(dòng)平臺(tái)，IO為自適應(yīng) 前置放大器，ll為PIN光電管，12為前置放大器，13為雙通道鎖相放大器， 14為電機(jī)控制器，15為計(jì)算機(jī)。圖l中粗線為光路，細(xì)線為電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明系統(tǒng)示意圖如圖1所示，由激光源1出射的激光經(jīng)衰減片2后衰減 到一定光強(qiáng)，通過斬波器3形成準(zhǔn)交流光信號(hào)，再經(jīng)過分光棱鏡4分成確定能 量比的兩路光束 一路直接被PIN光電管11接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)前置放大 器12放大后由鎖相放大器鎖相13測(cè)量出參考值(鎖相放大器的參考信號(hào)由斬 波器的調(diào)制信號(hào)給出)；另一路為實(shí)際檢測(cè)光信號(hào)，由檢測(cè)光經(jīng)過目標(biāo)材料后 光傳播方向的特性決定采用透射式目標(biāo)模塊5(先經(jīng)過起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組5. 1 再經(jīng)過透射目標(biāo)16)或者反射式目標(biāo)模塊6 (先被兩塊45度反射鏡6. 1和6. 2 反射，再在一塊與目標(biāo)表面平行的反射鏡6.4表面發(fā)生反射，經(jīng)過起偏器及旋 轉(zhuǎn)電機(jī)組件6.5起偏，最后在目標(biāo)16表面發(fā)生反射)，然后經(jīng)過檢偏器7檢偏 后，被PIN光電管8接收后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)自適應(yīng)前置放大器10放大后由 鎖相放大器鎖相13測(cè)量實(shí)際檢測(cè)值。
本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)一步描述如下
1)主要器件
a) 激光器Thorlabs公司生產(chǎn)的功率可調(diào)光纖激光器，型號(hào)為S1FC780， 波長780nm;
b) 起偏器/檢偏器:偏振片已購買Thorlabs公司的產(chǎn)品，型號(hào)為LPVIS100， 其主要性能參數(shù)工作波段為600-1200nm;偏振消光比為10000: 1; 口徑大 小為25mm，有效口徑為口徑的90%;起偏檢偏角度為±20° ;
c) 分光棱鏡Thorlabs公司型號(hào)為BS011的寬波段分束棱鏡，可用波段為700-1100nm;
d) PIN光電管Centronic公司型號(hào)為0SD15-5T，暗電流3nA，波長范圍 400-1050nm，峰值光譜響應(yīng)850nm，峰值響應(yīng)率0. 45A/W (Vr二12V);
e) 前置放大器應(yīng)用AD795芯片自行設(shè)計(jì)電路；
f) 鎖相放大器南京大學(xué)微弱信號(hào)檢測(cè)中心HB-212型雙通道雙相鎖相反 放大器，工作頻率5Hz-50kHz，滿刻度靈敏度100nV-lV，參考信號(hào)輸入電壓范 圍100mV-10V，信號(hào)輸入模式電壓單端；
g) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)上海聯(lián)誼光纖激光器械廠M52*l中孔一維電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(360
度刻度可任旋)，電機(jī)規(guī)格42電機(jī)，臺(tái)面尺寸085，標(biāo)尺最小讀數(shù)0.2度，電
機(jī)整步運(yùn)行分辨率0. 0133度，重復(fù)定位精度小于0. 05度。 2)軟件部分
電機(jī)控制器14控制偏振元件5.2、 6.5、 7處的一維轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和電動(dòng)平臺(tái) 5.2、 6.3、 9，并獲取轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和電動(dòng)平臺(tái)的角度和位置信息。計(jì)算機(jī)根據(jù)自 動(dòng)化程序設(shè)置發(fā)給電機(jī)控制器控制信號(hào)，并從電機(jī)控制器和鎖相放大器讀取信 息，根據(jù)設(shè)定的程序，進(jìn)行計(jì)算，從而獲得最終結(jié)果。
計(jì)算機(jī)控制測(cè)量算法流程圖如圖2所示
1、 程序開始運(yùn)行后，初始化電動(dòng)平臺(tái)5.2或6.3;
2、 移動(dòng)平臺(tái)9，直到光路被對(duì)準(zhǔn)(起偏檢偏同方向情況下，測(cè)量光強(qiáng)達(dá) 到最大)；
3、 轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器5.1或6.5到一個(gè)初始角度，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器7到一個(gè)初始角 度，完成10組測(cè)量，然后轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器7 —個(gè)小角度(一般精度可設(shè)為0. 2度)，每次重復(fù)10組的測(cè)量工作，直到檢偏器7完成半周的旋轉(zhuǎn)；
4、 旋轉(zhuǎn)檢偏器7到測(cè)量得最小值的角度，測(cè)量50組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)90度(默 認(rèn)為最大值角度)，完成50組測(cè)量，計(jì)算機(jī)計(jì)算并儲(chǔ)存結(jié)果；
5、 旋轉(zhuǎn)起偏器5. l或6.5—個(gè)小角度(一般精度可設(shè)為l度)，重復(fù)3、 4步驟，直到起偏器5.1或6.5完成半周的旋轉(zhuǎn)；
6、 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)平臺(tái)5. 2或6. 3 —個(gè)小角度(一般精度可設(shè)為1度)，重復(fù)2、 5步驟，直到完成需要測(cè)量的入射角范圍；
7、 平動(dòng)電動(dòng)平臺(tái)5.2或6.3—個(gè)小平移量(一般精度可設(shè)為lcm),重復(fù) 6步驟，直到完成目標(biāo)16待測(cè)表面范圍的二維平動(dòng)掃描；
8、 完整的測(cè)量過程結(jié)束。
在目標(biāo)表面確定入射點(diǎn)、入射角度及入射光偏振方向的情況下，獲得起偏 片的起偏角度^在測(cè)量到最小電壓值的檢偏角度&n，獲得50組測(cè)量電壓值， 去掉5個(gè)最大值5個(gè)最小值，計(jì)算得到平均值V自，獲得50組參考光路檢測(cè)的 電壓值，去掉5個(gè)最大值5個(gè)最小值，計(jì)算得到參考平均值為V皿'；在旋轉(zhuǎn)90 度的檢偏角度^自+9()° (默認(rèn)為檢測(cè)到最大電壓值的角度)，獲得50組測(cè)量電 壓值，去掉5個(gè)最大值5個(gè)最小值，計(jì)算得到平均值V,，獲得50組參考光路 檢測(cè)的電壓值，去掉5個(gè)最大值5個(gè)最小值，計(jì)算得到參考平均值為「"^'。
最小電壓的相對(duì)值皿C。
"=鵬
最大電壓的相對(duì)值皿C。 最終測(cè)量的偏振消光比一^n 。
偏振方向旋轉(zhuǎn)角 2 。經(jīng)過完整測(cè)量過程，最終可以獲得目標(biāo)表面各點(diǎn)對(duì)不同入射角度不同偏振 光方向的偏振光的影響情況。
權(quán)利要求
1.一種高精度自動(dòng)測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的系統(tǒng)，由激光源(1)、衰減片(2)、斬波器(3)、分光棱鏡(4)、透射式目標(biāo)模塊(5)、反射式目標(biāo)模塊(6)、檢偏器(7)、PIN光電管(8)(11)、自適應(yīng)前置放大器(10)、前置放大器(12)、雙通道鎖相放大器(13)、電機(jī)控制器(14)和計(jì)算機(jī)(15)組成，其特征在于所述的檢測(cè)系統(tǒng)具有透射式目標(biāo)模塊(5)和反射式目標(biāo)模塊(6)，可以對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行透射或反射偏振特性進(jìn)行測(cè)量；所述的檢測(cè)系統(tǒng)還有能夠根據(jù)輸入信號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，使輸入到鎖相放大器(13)的電信號(hào)處于鎖相放大器的工作量程的自適應(yīng)前置放大器(10)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的自動(dòng)化 檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的透射式目標(biāo)模塊(5)由起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組 件(5.1)、目標(biāo)(16)、三維電動(dòng)平臺(tái)(5.2)組成，三維電動(dòng)平臺(tái)(5.2)能 夠帶動(dòng)目標(biāo)(16)實(shí)現(xiàn)在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，在水平和豎直面內(nèi)平動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的自動(dòng)化 檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的反射式目標(biāo)模塊(6)由45度反射鏡(6.1) 與(6. 2)、三維電動(dòng)平臺(tái)(6. 3)、反射鏡(6. 4)、起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(6. 5)、 目標(biāo)(16)組成，反射鏡(6.4)和目標(biāo)之間保持平行且固定的位置關(guān)系，起 偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(6.5)位于兩者之間；三維電動(dòng)平臺(tái)(6.3)能夠同時(shí)帶 動(dòng)發(fā)射鏡(6.4)、起偏器及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(6.5)和目標(biāo)(16)實(shí)現(xiàn)在水平面 上轉(zhuǎn)動(dòng)，在水平和豎直面內(nèi)平動(dòng)的功能。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的自動(dòng)化 檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的偏振元件及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組件(6.5)、 (5.1)、和(7)都帶有步進(jìn)電機(jī)，可以以光軸為中心進(jìn)行一維旋轉(zhuǎn)；且檢偏器及旋轉(zhuǎn)電 機(jī)組件(7)和PIN光電管(8)位于水平平動(dòng)電動(dòng)平臺(tái)(9)上，以適應(yīng)光束 在經(jīng)過檢測(cè)目標(biāo)后發(fā)生的光束平動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的系統(tǒng)，特別適用于需要高精度自動(dòng)化測(cè)量的場(chǎng)合。該發(fā)明基于偏振原理，采用鎖相檢測(cè)、雙光路補(bǔ)償、自適應(yīng)放大等技術(shù)，設(shè)計(jì)合理可行的光機(jī)結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制各旋轉(zhuǎn)電機(jī)和電動(dòng)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化測(cè)量目標(biāo)對(duì)傳輸光束偏振態(tài)影響的目的。
文檔編號(hào)G01J4/00GK101561317SQ20091004910
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者何志平, 吳金才, 佳 強(qiáng), 楊世驥, 王建宇, 嶸 舒, 賈建軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所