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1、(10)申请公布号 CN 104198040 A (43)申请公布日 2014.12.10 CN 104198040 A (21)申请号 201410494927.5 (22)申请日 2014.09.24 G01J 4/00(2006.01) (71)申请人 山东师范大学 地址 250014 山东省济南市历下区文化东路 88 号 (72)发明人 国承山 刘轩 王本义 谢一言 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 张勇 (54) 发明名称 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实 施装置 (57) 摘要 本发明公开了一种二维琼斯矩阵参量的全息 测量方法及实施装置。
2、， 对两束互不相干的激光进 行衍射分光， 将分光后的两束零级衍射光转变成 振动方向正交的线偏振光照射到偏振敏感样品 上， 透过样品后成为包含样品偏振信息的物光波 ； 同时对两光源的一级衍射光进行滤波， 各自保留 两束一级衍射光并将其分别转变成振动方向与 零级衍射光偏振方向成 +45 度和 -45 度的线偏振 光， 这四束线偏振光作为参考光与物光波干涉， 形 成包含物光波的振幅、 相位和偏振信息的四通道 琼斯矩阵全息图， 进行数据处理得到偏振敏感样 品二维琼斯矩阵全部四个矩阵元的复振幅分布。 本发明测量效率高， 只需要一步测量就能提取出 待测样品琼斯矩阵全部四个参数的复振幅空间分 布。 (51)。
3、Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104198040 A CN 104198040 A 1/3 页 2 1. 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法， 其特征是， 包括以下步骤 ： (1) 采用两个互不相干的光源 S1、 S2 作为测量光源 ； (2)从S1和S2发出的光束首先分别通过两个正交光栅CG1和CG2的衍射， 然后再通过 一个偏振分光镜分成两路 ： 一路为物波光路， 另一路为参考光路 ； (3) 在物波光路中， 用一个低通滤波器挡住来。
4、自 CG1 和 CG2 的衍射光束中的高级衍射 光， 只让其中的零级衍射光通过作为照明光照射到被测样品上， 该照明光包含了两个正交 的偏振分量 A1 和 A2， 分别来自光源 S1 和 S2 ； (4)在参考光路中， 用一个四通道偏振空间滤波器先对来自CG1和CG2的衍射光束进行 空间滤波， 保留其中的四束一级衍射光作为参考光， 再通过两组与物波光路中照明光的偏 振分量分别成 +45 度角和 45 度角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振 光 ； (5) 物波光路中照明光透过被测样品产生的物光和参考光路中的四个偏振参考光通过 一个非偏振分光棱镜耦合在记录平面叠加形成包含物波的振幅、 。
5、相位和偏振信息的强度图 样， 称为四通道琼斯矩阵全息图 ； 用图像传感器记录所述全息图， 对所记录的全息图进行数 据处理， 得到被测样品的二维琼斯矩阵所有四个参量的复振幅分布。 2. 如权利要求 1 所述的全息测量方法， 其特征是， 所述步骤 (4) 中， 其具体方法为 ： 在 参考光路中， 用一个四通道偏振空间滤波器挡住来自 CG1 和 CG2 的衍射光束中的零级衍射 光， 且只让四束一级衍射光 R11， R12， R21 和 R22 通过作为记录四通道角分复用全息图的四 束参考光， 其中两束一级衍射光 R11 和 R12 是光源 S1 通过光栅 CG1 的一级衍射光， 另两束 一级衍射光 。
6、R21 和 R22 则是光源 S2 通过光栅 CG2 的一级衍射光 ； 再通过两组与物波光路中 照明光的偏振分量 A1、 A2 分别成 +45 度角和 45 角的正交线偏振器使四束参考光变成两 两正交的线偏振光。 3.如权利要求1所述的全息测量方法， 其特征是， 所述步骤(5)中， 数据处理过程， 包括 以下处理步骤 ： (I) 输入由图像传感器记录的干涉图样， 即四通道琼斯矩阵全息图 ； (II) 计算四通道琼斯矩阵全息图的空间频谱 ； (III) 从全息图的空间频谱中提取物波和参考波的一组互相关项的频谱信息， 再利用 二维傅里叶逆变换将其变换到空域 ； (IV) 确定琼斯矩阵参量。 4. 。
7、如权利要求 3 所述的全息测量方法， 其特征是， 所述步骤 (I) 中， 干涉图样的总强度 分布为 ： 其中， Jxx,Jxy,Jyx和 Jyy是四个待测量的琼斯矩阵参量， 用来表征样品的偏振敏感特性。 5. 如权利要求 4 所述的全息测量方法， 其特征是， 所述步骤 (I) 中， 干涉图样的总强度 分布改写为 权 利 要 求 书 CN 104198040 A 2 2/3 页 3 其中 ： I0 |A1Jxx|2+|A1Jyx|2+|A2Jxy|2+|A2Jyy|2 +|R11|2+|R21|2+|R12|2+|R22|2， Y11 A1R11*(Jxx+Jyx) Y12 A1R12*(Jxx。
8、-Jyx) Y21 A2R21*(Jxy+Jyy) Y22 A2R22*(Jxy-Jyy)， 上述公式中的上标 “*” 表示复共轭运算。 6.如权利要求3所述的全息测量方法， 其特征是， 所述步骤(IV)中， 待测量的琼斯矩阵 参量则由下式确定 ： 其中，它们的取值可从未放置样品 时记录的背景琼斯矩阵全息图中提取出来。 7. 基于权利要求 1-6 中任一项所述的实施装置， 其特征是， 包括光源系统、 光栅衍射系 统、 干涉系统、 记录系统和数据处理系统 ； 所述光源系统包括两个互不相干的光源 S1 和 S2， 由 S1 和 S2 发出的两束光先分别经过由两个二维正交光栅 CG1 和 CG2 组。
9、成的衍射系统衍射 后， 再通过一个偏振分光镜分别进入干涉系统的物波光路和参考光路 ； 在物波光路中， 通过 低通滤波只保留从衍射系统出射的零级衍射光作为照明光入射到样品上， 透过样品后形成 包含样品偏振信息的物光波 ； 在参考光路中， 利用一个四通道偏振空间滤波器进行滤波处 理和偏振处理， 只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光作为参考光波 ； 物光波与参考光 波通过一个非偏振分光镜在记录平面叠加， 叠加光场由记录系统记录， 得到包含物光波的 振幅、 相位和偏振信息的四通道琼斯矩阵全息图， 利用数据处理系统对记录的全息图进行 数据处理得到样品的二维琼斯矩阵全部四个矩阵参量的振幅和相位分布。 8.。
10、如权利要求7所述的实施装置， 其特征是， 所述干涉系统， 为马赫-曾德干涉系统， 包 括一个入射偏振分光镜、 一个出射非偏振分光镜、 两个反射镜、 耦合变换透镜、 低通空间滤 波器和四通道偏振空间滤波器 ； 入射偏振分光镜将进入干涉系统的光线分成两组偏振态正 交的线偏振光分别入射到样品光路和参考光路， 出射非偏振分光镜对形成的物光波和参考 光波进行汇聚出射。 9. 如权利要求 7 所述的实施装置， 其特征是， 所述物波光路的照明光， 包括通过两个二 维正交光栅 CG1 和 CG2 形成的两束零级衍射光， 这两束零级衍射光均为线偏振光且偏振方 向互相垂直。 10. 如权利要求 7 所述的实施装置。
11、， 其特征是， 所述四通道偏振空间滤波器的滤波处理 权 利 要 求 书 CN 104198040 A 3 3/3 页 4 和偏振处理， 是指先通过四通道偏振空间滤波器对进入参考光路的光进行滤波， 只让通过 两个正交光栅形成的多束一级衍射光中的四束通过， 其中两束来自正交光栅 CG1， 另两束来 自 CG2 ； 然后再通过四通道偏振空间滤波器所附的两组与样品光路中照明光的偏振分量 A1 或 A2 分别成 +45 度角和 45 角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光。 权 利 要 求 书 CN 104198040 A 4 1/8 页 5 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置 技。
12、术领域 0001 本发明涉及一种二维琼斯 (Jones) 矩阵参量的全息测量方法及实施装置。 背景技术 0002 当一束光通过偏振敏感材料后， 除了振幅和相位会发生变化， 它的偏振态也会发 生改变。 一般情况下， 透过偏振敏感材料的光场Eout和入射光场Ein之间的关系可以表示为 ： 0003 0004 其中， 矩阵T的四个复值矩阵参量表征了物体的矢量透射特性， 矩阵T通常被称作 琼斯矩阵或透射矩阵。透射矩阵 T 的实验测量技术在软物质物理、 细胞生物学、 生物物理 学、 化学和矿物质学等涉及偏振敏感材料的科学和技术研究领域都有重要的学术和应用价 值 ( 参见文献 1- 文献 7)。 0005。
13、 目前， 虽然已有多种方法可用来定量测量物体的诸如双折射和斯托克斯参量等偏 振敏感信息 ( 参见文献 8- 文献 20)， 但是它们都不能用来直接测量物体的琼斯矩阵信息。 最新的技术包括琼斯相位显微技术 ( 参见文献 21) 和改进的偏振全息显微术 ( 参见文献 22)， 但这两种技术存在以下缺点 ： 0006 (1) 琼斯相位显微技术采用离轴全息术实现了样品的二维琼斯矩阵参量的直接测 量。 但是， 这一技术不适合对偏振敏感样品进行动态研究， 因为利用该技术测量琼斯矩阵参 量需要进行四步测量， 测量过程中还需要精确控制输入、 输出偏振器件的转动 ； 0007 (2) 改进的偏振全息显微术仍然需。
14、要进行两步测量， 而且在测量过程中入射光的 偏振态还需要在两个正交的偏振态间重复改变， 这需要用到光学斩波器和同步图像采集系 统。 0008 因此， 到目前为止， 如何实现二维琼斯矩阵参量的实时测量仍然是一个亟待解决 的问题。其中， 所提到的文献是指 ： 0009 文 献 1 ： R.Oldenbourg,“A new view on polarization microscopy,” Nature 381(6585),811812(1996). 0010 文 献 2 ： K.Katoh,K.Hammar,P.J.S.Smith,and R.Oldenbourg,“Birefringence 。
15、imaging directly reveals architectural dynamics of fi lamentous actin in living growth cones,” Mol.Biol.Cell 10(1),197210(1999). 0011 文献 3 ： A . G a s e c k a , T . J . H a n , C . F a v a r d , B . R . C h o , a n d S.Brasselet, “Quantitative imaging of molecular order in lipid membranes using two-。
16、photon fluorescence polarimetry,” Biophys.J.97(10),28542862(2009). 0012 文献 4 ： Y.K.Park,C.A.Best,K.Badizadegan,R.R.Dasari,M.S.Feld,T. Kuriabova,M.L.Henle,A.J.Levine,and G.Popescu,“Measurement of red blood cell mechanics during morphological changes,” Proc.Natl.Acad.Sci. 说 明 书 CN 104198040 A 5 2/8 页 。
17、6 U.S.A.107(15),67316736(2010). 0013 文献 5 ： Y.K.Park,M.Diez-Silva,D.Fu,G.Popescu,W.Choi,I.Barman,S. Suresh,and M.S.Feld,“Static and dynamic light scattering of healthy and malaria-parasite invaded red blood cells,” J.Biomed.Opt.15(2),020506(2010). 0014 文献 6 ： S.Cho,S.Kim,Y.Kim,and Y.K.Park,“Optical 。
18、imaging techniques for the study of malaria,” Trends Biotechnol.30(2),7179(2012). 0015 文献7 ： Y.Kim,J.M.Higgins,R.R.Dasari,S.Suresh,and Y.K.Park, “Anisotropic light scattering of individual sickle red blood cells,”J.Biomed. Opt.17(4),040501(2012). 0016 文献 8 ： T.Colomb,F.Drr,E.Cuche,P.Marquet,H.G.Limb。
19、erger,R. P.Salath,and C.Depeursinge,“Polarization microscopy by use of digital holography:application to optical-fiber birefringence measurements,” Appl. Opt.44(21),44614469(2005). 0017 文献9 ： T.Nomura,B.Javidi,S.Murata,E.Nitanai,and T.Numata, “Polarization imaging of a 3D object by use of onaxis pha。
20、se-shifting digital holography,” Opt. Lett.32(5),481483(2007). 0018 文献 10 ： T.Tahara,Y.Awatsuji,Y.Shimozato,T.Kakue,K.Nishio,S.Ura,T. Kubota,and O.Matoba,“Single-shot polarization-imaging digital holography based on simultaneous phase-shifting interferometry,” Opt.Lett.36(16),3254 3256(2011). 0019 文。
21、献 11 ： R.K.Singh,D.N.Naik,H.Itou,Y.Miyamoto,and M.Takeda,“Stokes holography,” Opt.Lett.37(5),966968(2012). 0020 文献 12 ： J.R.Kuhn,Z.Wu,and M.Poenie,“Modulated polarization microscopy:a promising new approach to visualizing cytoskeletal dynamics in living cells,” Biophys.J.80(2),972985(2001). 0021 文献 。
22、13 ： I.H.Shin,S.M.Shin,and D.Y.Kim,“New,simple theory-based,accurate polarization microscope for birefringence imaging of biological cells,” J.Biomed.Opt.15(1),016028(2010). 0022 文献 14 ： N.M.Dragomir,X.M.Goh,C.L.Curl,L.M.D.Delbridge,and A.Roberts,“Quantitative polarized phase microscopy for birefrin。
23、gence imaging,” Opt.Express 15(26),1769017698(2007). 0023 文献 15 ： T.Colomb,P.Dahlgren,D.Beghuin,E.Cuche,P.Marquet,and C.Depeursinge,“Polarization imaging by use of digital holography,“Appl. Opt.41(1),2737(2002). 0024 文献 16 ： J.F.de Boer,and T.E.Milner,“Review of polarization sensitive optical cohere。
24、nce tomography and Stokes vector determination,“J.Biomed. Opt.7(3),359371(2002). 0025 文献 17 ： Y.Yasuno,S.Makita,Y.Sutoh,M.Itoh,and T.Yatagai,“Birefringence imaging of human skin by polarization-sensitive spectral interferometric 说 明 书 CN 104198040 A 6 3/8 页 7 optical coherence tomography,“Opt.Lett.2。
25、7(20),18031805(2002). 0026 文献 18 ： J.Zhang,W.Jung,J.Nelson,and Z.Chen,“Full range polarization-sensitive Fourier domain optical coherence tomography,” Opt. Express 12(24),60336039(2004). 0027 文献 19 ： W.Y.Oh,S.H.Yun,B.J.Vakoc,M.Shishkov,A.E.Desjardins,B. H.Park,J.F.de Boer,G.J.Tearney,and B.E.Bouma,“。
26、High-speed polarization sensitive optical frequency domain imaging with frequency multiplexing,” Opt. Express 16(2),10961103(2008). 0028 文 献 20 ： D.G.Winters,D.R.Smith,P.Schlup,and R.A.Bartels,“Measurement of orientation and susceptibility ratios using a polarization-resolved second-harmonic generat。
27、ion holographic microscope,”Biomed.Opt.Express 3(9),20042011(2012). 0029 文献 21 ： Z.Wang,L.J.Millet,M.U.Gillette,and G.Popescu,“Jones phase microscopy of transparent and anisotropic samples,” Opt.Lett.33(11),1270 1272(2008). 0030 文献 22 ： Y.Kim,J.Jeong,J.Jang,M.W.Kim,and Y.K.Park,“Polarization hologra。
28、phic microscopy for extracting spatio-temporally resolved Jones matrix,” Opt.Express 20(9),99489955(2012). 发明内容 0031 本发明为了解决上述问题， 提出了一种二维琼斯 (Jones) 矩阵参量的全息测量方 法及实施装置， 本方法和装置能实时、 定量地测量样品琼斯矩阵参量的空间分布， 测量结果 包含琼斯矩阵所有四个参量的振幅和相位分布。 0032 一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法， 具体包括以下步骤 ： 0033 (1) 采用两个互不相干的光源 S1、 S2 作为测量光源 ； 003。
29、4 (2)从S1和S2发出的光束首先分别通过两个正交光栅CG1和CG2的衍射， 然后再 通过一个偏振分光镜分成两路 ： 一路为物波光路， 另一路为参考光路 ； 0035 (3)在物波光路中， 用一个低通滤波器挡住来自CG1和CG2的衍射光束中的高级衍 射光， 只让其中的零级衍射光通过作为照明光照射到被测样品上， 该照明光包含了两个正 交的偏振分量 A1 和 A2， 分别来自光源 S1 和 S2 ； 0036 (4)在参考光路中， 用一个四通道偏振空间滤波器先对来自CG1和CG2的衍射光束 进行空间滤波， 保留其中的四束一级衍射光作为参考光， 再通过两组与物波光路中照明光 的偏振分量分别成 +4。
30、5 度角和 45 度角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线 偏振光 ； 0037 (5) 物波光路中照明光透过被测样品产生的物光和参考光路中的四个偏振参考光 通过一个非偏振分光棱镜耦合在记录平面叠加形成包含物波的振幅、 相位和偏振信息的强 度图样， 称为四通道琼斯矩阵全息图 ； 用图像传感器记录该全息图， 对所记录的全息图进行 数据处理， 得到被测样品的二维琼斯矩阵所有四个参量的复振幅分布。 0038 所述步骤 (4) 中， 其具体方法为 ： 在参考光路中， 用一个四通道偏振空间滤波器挡 说 明 书 CN 104198040 A 7 4/8 页 8 住来自CG1和CG2的衍射光束中的零级。
31、衍射光， 且只让四束一级衍射光R11， R12， R21和R22 通过， 作为记录四通道角分复用全息图的四束参考光， 其中两束一级衍射光R11和R12是光 源 S1 通过光栅 CG1 的一级衍射光， 另两个一级衍射光 R21 和 R22 则是光源 S2 通过光栅 CG2 的一级衍射光 ； 再通过两组与物波光路中照明光的偏振分量 A1、 A2 分别成 +45 度角和 45 角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光。 0039 所述步骤 (5) 中， 数据处理过程， 包括以下处理步骤 ： 0040 (I) 输入由图像传感器记录的干涉图样 ( 四通道琼斯矩阵全息图 ) ； 0041 (II。
32、) 计算四通道琼斯矩阵全息图的空间频谱 ； 0042 (III) 从全息图的空间频谱中提取物波和参考波的一组互相关项的频谱信息， 再 利用二维傅里叶逆变换将其变换到空域 ； 0043 (IV) 确定琼斯矩阵参量。 0044 所述步骤 (I) 中， 干涉图样的总强度分布为 ： 0045 0046 其中， Jxx,Jxy,Jyx和Jyy是四个待测量的琼斯矩阵参量， 用来表征样品的偏振敏感特 性。 0047 所述步骤 (I) 中， 干涉图样的总强度分布可改写为 ： 0048 0049 其中 ： 0050 I0 |A1Jxx|2+|A1Jyx|2+|A2Jxy|2+|A2Jyy|2 0051 +|R1。
33、1|2+|R21|2+|R12|2+|R22|2， 0052 Y11 A1R11*(Jxx+Jyx) 0053 Y12 A1R12*(Jxx-Jyx) 0054 Y21 A2R21*(Jxy+Jyy) 0055 Y22 A2R22*(Jxy-Jyy)， 0056 上述公式中的上标 “*” 表示复共轭运算。 0057 所述步骤 (IV) 中， 待测量的琼斯矩阵参量由下式确定 ： 0058 0059 其中，它们的取值可从未放置 说 明 书 CN 104198040 A 8 5/8 页 9 样品时记录的背景琼斯矩阵全息图中提取出来。 0060 基于上述测量方法的实施装置包括光源系统、 光栅衍射系统、。
34、 干涉系统、 记录系统 和数据处理系统 ； 所述光源系统包括两个互不相干的光源 S1 和 S2， 由 S1 和 S2 发出的两束 光先分别经过由两个二维正交光栅 CG1 和 CG2 组成的衍射系统衍射后， 再通过一个偏振分 光镜分别进入干涉系统的物波光路和参考光路 ； 在物波光路中， 通过低通滤波只保留从衍 射系统出射的零级衍射光作为照明光入射到样品上， 透过样品后形成包含样品偏振信息的 物光波 ； 在参考光路中， 利用一个四通道偏振空间滤波器进行滤波处理和偏振处理， 只保留 从衍射系统出射的四束一级衍射光作为参考光波 ； 物光波与参考光波通过一个非偏振分光 镜在记录平面叠加， 叠加光场由记录。
35、系统记录， 得到包含物光波的振幅、 相位和偏振信息的 四通道琼斯矩阵全息图， 利用数据处理系统对记录的全息图进行数据处理可得到样品的二 维琼斯矩阵全部四个矩阵参量的振幅和相位分布。 0061 所述干涉系统， 为马赫 - 曾德干涉系统， 包括一个入射偏振分光镜、 一个出射非偏 振分光镜、 两个反射镜、 耦合变换透镜、 低通空间滤波器和四通道偏振空间滤波器 ； 入射偏 振分光镜将进入干涉系统的光线分成两组偏振态正交的线偏振光分别入射到样品光路和 参考光路， 出射非偏振分光镜对形成的物光波和参考光波进行汇聚出射。 0062 所述物波光路的照明光， 包括通过两个二维光栅 CG1 和 CG2 形成的两个。
36、零级衍射 光， 这两个零级衍射光均为线偏振光且偏振方向互相垂直。 0063 所述四通道偏振空间滤波器的滤波处理和偏振处理， 是指先通过四通道偏振空间 滤波器对进入参考光路的光进行滤波， 只让通过两个正交光栅形成的多束一级衍射光中的 四束通过， 其中两束来自正交光栅 CG1， 另两束来自 CG2 ； 然后再通过四通道偏振空间滤波 器所附的两组与样品光路中照明光的偏振分量 A1 或 A2 分别成 +45 度角和 45 角的正交 线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光。 0064 所述记录系统， 包括数字图像传感器和图像采集接口光路， 用于记录由物光波和 参考光波的偏振干涉形成的四通道琼斯矩阵全。
37、息图。 0065 本发明的有益效果为 ： 0066 (1) 测量效率高， 只需要一步测量就能提取出待测样品琼斯矩阵全部四个参量的 振幅和相位的空间分布， 能够实现二维琼斯矩阵的实时测量 ； 0067 (2) 系统结构简单， 避免了使用光学斩波器等旋转光学元件 ； 0068 (3) 数据的处理方法主要包括三个常用的数字全息处理步骤， 易于实现 ； 0069 (4) 提供了一种建立适用于实时测量琼斯矩阵或透射矩阵以及动态偏振全息成像 系统的新途径。 附图说明 0070 图 1(a) 为本发明的结构示意图 ； 0071 图 1(b) 为本发明的附有两个正交线偏振器的四通道偏振空间滤波器示意图 ； 0。
38、072 图 1(c) 为本发明的四通道琼斯矩阵全息图的空间频率谱分布示意图 ； 0073 图 2(a) 为实验记录的四通道琼斯矩阵全息图 ； 0074 图 2(b) 为图 2(a) 的局部放大细节图 ； 0075 图 3(a) 为琼斯矩阵参量 Jxx的振幅分布示意图 ； 说 明 书 CN 104198040 A 9 6/8 页 10 0076 图 3(b) 为琼斯矩阵参量 Jxy的振幅分布示意图 ； 0077 图 3(c) 为琼斯矩阵参量 Jyx的振幅分布示意图 ； 0078 图 3(d) 为琼斯矩阵参量 Jyy的振幅分布示意图 ； 0079 图 3(e) 为琼斯矩阵参量 Jxx的相位分布示意。
39、图 ； 0080 图 3(f) 为琼斯矩阵参量 Jxy的相位分布示意图 ； 0081 图 3(g) 为琼斯矩阵参量 Jyx的相位分布示意图 ； 0082 图 3(h) 为琼斯矩阵参量 Jyy的相位分布示意图 ； 0083 图 4(a) 为将一个线偏振检偏器放置在图像传感器前， 且检偏方向为 30 度时出射 光场强度分布的实验测量结果图 ； 0084 图 4(b) 为将一个线偏振检偏器放置在图像传感器前， 且检偏方向为 60 度时出射 光场强度分布的实验测量结果图 ； 0085 图 4(c) 为图 4(a) 对应的利用测量得到的琼斯矩阵模拟计算的结果图 ； 0086 图 4(d) 为图 4(b)。
40、 对应的利用测量得到的琼斯矩阵模拟计算的结果图。 0087 其中， 1.光源S1 ； 2.二维正交光栅CG1 ； 3.二维正交光栅CG2 ； 4.光源S2 ； 5.偏振 分光镜 ； 6. 透镜 ； 7. 四通道偏振空间滤波器 ； 8. 四通道偏振空间滤波器偏振器 ； 9. 四通道 偏振空间滤波器偏振器 ； 10. 透镜 ； 11 反射镜 ； 12. 滤波板 ； 13. 反射镜 ； 14. 透镜 ； 15. 低通 滤波器 ； 16.透镜 ； 17.水平偏振分量 ； 18.竖直偏振分量 ； 19.待测样品 ； 20.物镜 ； 21.非偏 振分光镜 ； 22. 图像传感器 ； 23. 参考光 R11。
41、； 24. 参考光 R21； 25. 参考光 R12； 26. 参考光 R22； 27.Y11项 ； 28.Y12项， 29.Y21项 ； 30.Y22项。 具体实施方式 ： 0088 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 0089 图 1(a) 给出了本发明的二维 Jones 矩阵参量的全息测量方法及装置的实验装置 示意图。该系统结构上与传统的马赫 - 曾德干涉仪类似， 所不同的是该系统具有两个互不 相干的光源 1 和 4。从光源 1 和 4 出射的光线首先分别通过二维正交光栅 2 和 3， 然后经偏 振分光镜5分成两路 ： 一路是物波光路， 另一路是参考光路。 在物波光路中设置了一个。
42、低通 空间滤波器 15， 该低通空间滤波器只允许从光栅 2 和光栅 3 出射的零级衍射光通过 ； 透过 低通空间滤波器 15 的光作为照明光入射到样品上， 该入射光由两个正交的独立线偏振光 组成 ： 来自光源 4 的水平偏振光 17 和来自光源 1 的竖直偏振光 18。在参考光路中设置了 一个四通道偏振空间滤波器 7， 该滤波器将来自光栅 2 和光栅 3 的零级衍射光遮挡住， 只允 许两光栅一级衍射光中的四束光通过， 作为记录四通道琼斯矩阵全息图的参考光， 其中的 两束参考光 23 和 25 来自于正交光栅 3 的一级衍射光， 另两束光 24 和 26 来自于正交光栅 2 的一级衍射光。假设光。
43、栅 2 的空间取向相对于光栅 3 旋转 45 度， 四通道滤波器 7 上的四 个滤波孔的空间分布可按如图 1(b) 中所示设置。同时， 四通道偏振空间滤波器 7 的四个滤 波孔位置上还设置了两个正交的线偏振器 8 和 9， 它们的偏振方向与物波光路中照明光的 两个正交偏振分量分别成45度角 ； 通过偏振器8和9后四束参考光变成偏振方向正交的两 组线偏振光， 例如参考光 23 和 24 变成与竖直方向成 +45 度角的线偏振光时， 参考光 25 和 26 则成为与竖直方向成 -45 度的线偏振光。 0090 物波光路中的光经反射镜 13、 透镜 14、 低通滤波器 15、 透镜 16、 待测样品。
44、 19、 物镜 说 明 书 CN 104198040 A 10 7/8 页 11 20 和非偏振分光镜 21 到达记录平面 ； 参考光路中的光经透镜 6、 四通道偏振空间滤波器 7、 透镜 10、 反射镜 11 和非偏振分光镜 21 到达记录平面 ； 参考光和物光在记录平面叠加形成 偏振干涉图样， 该干涉图样的总强度分布可以表示为 ： 0091 0092 这里 Jxx,Jxy,Jyx和 Jyy是四个待测量的琼斯矩阵参量， 能够用来表征样品的偏振敏 感特性。公式 (2) 可以改写成以下形式 ： 0093 0094 其中 ： 0095 I0 |A1Jxx|2+|A1Jyx|2+|A2Jxy|2+|。
45、A2Jyy|2 0096 +|R11|2+|R21|2+|R12|2+|R22|2, (4) 0097 Y11 A1R11*(Jxx+Jyx) 0098 Y12 A1R12*(Jxx-Jyx) 0099 Y21 A2R21*(Jxy+Jyy) 0100 Y22 A2R22*(Jxy-Jyy). (5) 0101 公式 (3) 和 (5) 中的上标 “*” 表示复共轭运算。利用图像传感器 22 记录干涉光场 强度得到公式 (2) 或公式 (3) 所示的四通道琼斯矩阵全息图。图 1(c) 是该琼斯矩阵全息 图的空间频谱分布示意图， 从图中可以看出对应 Y11、 Y12、 Y21和 Y22项的空间频。
46、谱与公式 (3) 中其它项的空间频谱是空间分离的， 可以利用常规的空间滤波方法分别提取出来。待测量 的琼斯矩阵参量则可以由下式确定 ： 0102 0103 在公式(6)中，它们与琼斯矩阵 为单位矩阵时公式 (5) 的取值相对应， 可以从未放置样品时记录的背景琼斯矩阵全息图中 提取出来。 0104 下面通过实验来验证本发明的二维 Jones 矩阵参量的全息测量方法及实施装置 的可行性。 实验中使用两个独立的、 中心波长为635nm的半导体激光器作为光源 ； 所用两个 二维正交光栅是大约 150 线 / 毫米的相位型光栅 ； 被测样品是一个复合波片， 由十二个光 轴取向各不相同的扇形石英双折射波片。
47、组成。 记录样品琼斯矩阵全息图的图像传感器像素 说 明 书 CN 104198040 A 11 8/8 页 12 大小为 1.4um1.4um、 有效像素数为 20482048。图 2(a) 是实验记录的四通道琼斯矩阵 全息图实例， 该全息图的干涉条纹细节可以从图 2(b) 所示的局部放大图中观察到。从四通 道琼斯矩阵全息图计算琼斯矩阵参量的算法主要包括以下三个步骤 ： (A) 利用二维快速傅 里叶变换将全息图变换到空间频域， 实现所需的有用信息和零级衍射噪声以及共轭项的分 离 ； (B) 从全息图的空间频率谱中分别提取 Y11、 Y12、 Y21和 Y22项的空间频谱， 如图 1(c) 所示。
48、 的 27、 28、 29 和 30， 然后利用二维傅里叶逆变换将其变换到空域 ； (C) 利用公式 (6) 计算琼 斯矩阵参量。为了消除由入射光和光路中的光学元件带来的各种噪声和相位畸变， 在放置 样品之前先记录一幅没有样品的背景琼斯矩阵全息图， 利用类似于 (A) 和 (B) 的步骤进行 处理， 就会得到对应的和项。 0105 图 3 是利用上述算法从图 2(a) 所示的琼斯矩阵全息图中得到的样品琼斯矩阵参 量的振幅和相位分布。其中， 图 3(a)-3(d) 分别是琼斯矩阵参量 Jxx、 Jxy、 Jyx和 Jyy的振幅 分布， 图 3(e)-3(h) 是对应的相位分布。从实验结果可以看出。
49、， 样品的琼斯矩阵参量具有 Jxx -Jyy和 Jxy Jyx的关系， 这表明样品的每个扇形区域都近似是一个半波片， 只是光轴 方向各不相同。需要指出的是， 本发明的二维琼斯矩阵参量的全息测量方法不受所测量琼 斯矩阵参量的对称性限制， 适用于由公式 (1) 所描述的所有透射矩阵参数的测量。此外， 基 于实验测量所得到的琼斯矩阵参量， 运用公式 (1) 可以计算任何矢量光束透过此样品后的 出射光场。 0106 为了进一步验证测量得到的琼斯矩阵的准确性， 基于公式 (1) 对入射光为竖直线 偏振光时的出射光场进行了模拟计算。同时， 也通过实验测量了相同入射条件下的出射光 场强度。图 4 给出了其中的一些结果。图 4(a) 和 4(b) 是将一个线偏振的检偏器放置在图 像传感器。