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专利名称：一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统及高精度定位方法
技术领域：
本发明涉及精密光学测量领域，具体涉及一种基于计算机辅助的高精度偏振光定 位系统及高精度定位方法。
背景技术：
液体偏振元件是光学技术中的一类重要元件，被广泛的应用于光弹力学、现代光 通讯技术、医疗诊断和物理学研究等诸多领域。特别是在偏光器件的应用中，波片(又称光 学相位延迟器)是光学调制系统中的重要器件，其和偏光器件相配合，可以实现各种偏振 态之间的相互转换、偏振面的旋转以及各类偏振光的调制。在偏振光学领域的元件测量中，常常需要先由若干偏振元件建立偏振场，再以之 为基础再进行高精度偏振光学测量。例如，在应用Solei补偿器法进行波片相位延迟精确 测量时，就需要先将检偏器和起偏器正交，再令待测波片光轴与前二者成45°夹角，在如此 的偏振场中才能进行进一步测量。此时，必须精确快速地确定偏振元件相对于原始位置需 要转动的相对角度。在实际的偏振场建立过程中，往往需要使偏振场出射光强达到最大或 最小(即极值)，例如偏振元件光轴正交时光强最�。�平行时光强最大，而双折射晶体会在 与入射偏振光偏振方向呈45°时出射光达到极值。然而，在实际的测量中，为了读取光强， 需要应用光电转换和AD转换器件，此时，AD转换元件的精度将对测量结果起到极为重大的 影响。但是，由于光电流计ADC精度有限，而且测量系统本身又工作在光电流强度极低 的情况下，因此当相邻采样点间的光强差值△ I小于ADC最小分辨率时，就会出现相邻采样 点角度不同但光强相同的阶梯状图案。而在光强导数最小的波谷区域，就会出现一段直线 而非正弦曲线。在这种情况下，显然就无法如同理想曲线寻找极值点那样一来用最值和导数确定 极值点。因此，在偏振元件测量测试中，快速、精确地进行偏振光定位，建立合适的偏振场 就成为一个亟待解决的问题。

发明内容
本发明的目的在于提出一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统及定位方 法，该定位方法克服现有数字光电流计精度不足的缺点，并可以适用多种不同的偏振元件 测量场合的偏振场建立需求。本发明的技术方案如下一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统，该系统 包括模块A上位机、�？锽数据采集卡、�？镃仪器�？橐约澳？镈偏振测量仪，�？锳、模 块B、模块C与�？镈依次顺序相连，模块D偏振测量仪具体包括起偏器、恒温筒、载物台、 检偏器、成像镜以及光电倍增管，其中，在起偏器前端依次放置光源、聚焦镜、可变光栏、准
4直镜，光源产生的自然光依次通过聚焦镜、可变光栏及准直镜进入起偏器后形成线偏振光； 在恒温筒与载物台之间还放置有补偿器，待测元件根据测量要求而放置于恒温筒或载物台 中，线偏振光通过待测元件后，依次通过检偏器，成像镜以及光电倍增管，并在光电倍增管 中转换为电流信号。所述的�？镃仪器�？榫咛灏�括光电流计、角度数显表以及电机驱动器。所述的�？锳上位机负责数据的存储、显示、处理以及对系统进行控制；所述的模 块B负责模块A上位机与�？镃仪器及电机驱动器间的通信，将读取�？镈偏振测量仪产 生的模拟信号转换为数字量输出，并利用�？锳上位机的数据信号指令对电机脉冲进行调 制。所述的起偏器、检偏器以及载物台中安装有直流电机和圆感应同步器。一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法，该方法具体包括步骤一、数据采集；驱动待定位元件，并开始采集数据，直到极值点在实时数据坐标图上出现，且在极 值点两侧都有4°以上合适宽度的曲线，并在成对记录光强I和转动角度识，并记录下每一
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组采样数据相对于前一组的；，将其作为近似导数；步骤二、测定数据曲线的极值点精确位置步骤三、利用Dixon检验法排除异常值，并获得最终测试结果；步骤四、根据检测结果，利用计算机驱动电机将待定位的偏振元件转动至所测定 的角度，完成一次偏振光定位。所述的步骤二的具体步骤为步骤2. 1、数据采集结束后，确定光强最值点在角度轴上的分布区域[仏w^nax.]；步骤2. 2、在区间[^^^J的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记
作Pal和Pal,，其中Pal和Pal,的光强相等，且在^^，^^俩侧成对出现的光强等值点中，^ AI
的导数绝对值一最大；步骤2. 3、利用曲线对称性，得到极值点的口方向坐标队并将之作为第 一级的极值点&(%，/。)步骤2. 4、在区间的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记 作Pbl和Pbl,，其中Pbl和Pbl,的光强相等，且在[仏…化ax.俩侧成对出现的光强等值点中，Pbl 的在^方向上与Pa的距离之绝对值d = 最接近；步骤2. 5、利用曲线的对称性，得到极值点的口方向坐标％ =彻;外‘‘；步骤2. 6、为减少随机误差，重复步骤2. 1 2. 5，其重复n次的结果分别为 {(Pv<Pi……<Pn)；所述的步骤三的具体步骤为步骤3. 1、将测试结果按大小排列，使得钓 <朽……，计算临界值D和D'，其中，
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步骤3. 2、确定检出水平&在“Dixon检验法临界值表”中查出对应n和3的临界 值、-3(岣。并使用“Dixon检验法”判定&是否异常；步骤3.3、当D>D'，且D >尨-3㈨时，判定队为异常值；当D' > D，且￡), >及-3( )
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的0方向坐标为=仍+…礼 9m本发明的显著效果在于本发明所述的一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位 系统及定位方法克服了现有数字光电流计精度不足的缺点，利用偏振光强曲线的对称性， 有效地确定偏振场中出射偏振光曲线的极值点，从而精确测定待测元件需要转动的相对角 度；该方法实用、高效，重复精度可达1'，可以适用多种不同的偏振元件测量场合的偏振 场建立需求。


图1为基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统中偏振测量仪结构示意图；图2为基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统结构示意图；图中1、光源；2、聚焦镜；3、可变光栏；4、准直镜；5、起偏器；6、恒温筒；7、补偿 器；8、载物台；9、检偏器；10、成像镜；11、光电倍增管。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明所述的计算机辅助的高精度偏振光定位系统中的偏振测量仪 包括起偏器5、恒温筒6、载物台8、检偏器9、成像镜10以及光电倍增管11，其中，在起偏器 5前端依次放置光源1、聚焦镜2、可变光栏3、准直镜4，光源1产生的自然光依次通过聚焦 镜2、可变光栏3及准直镜4进入起偏器5后形成线偏振光；在恒温筒6与载物台8之间还 放置有补偿器7，待测元件根据测量要求而放置于恒温筒6或载物台8中，线偏振光通过待 测元件后，依次通过检偏器9，成像镜10以及光电倍增管11，并在光电倍增管11中转换为 电流信号。在起偏器5、检偏器9以及载物台8中安装有直流电机和圆感应同步器，直流电 机可以驱动起偏器5、检偏器9以及载物台8在垂直于光路的平面上绕光路旋转，从而建立 偏振�。�而圆感应同步器则可以将嵌套在起偏器5、检偏器9及载物台8上的感应线圈的相 对原位置的转动角度转化为电压信号输出。如图2所示，计算机辅助的高精度偏振光定位系统可以分为四个�？椋��？锳为上 位机，它负责数据的存储、显示、处理以及对系统进行控制，模块B为数据采集卡，�？镃为 由光电流计、角度数显表和电机驱动器组成的仪器�？椋��？镈为图1所示的偏振测量仪， �？锳、模块B、�？镃与�？镈依次顺序相连，其中，�？锽负责�？锳上位机与模块C仪 器及电机驱动器间的通信，该�？橐环矫娑寥∧？镈偏振测量仪产生的模拟信号并将其转 换为数字量输出，另一方面利用�？锳上位机的数据信号指令对电机脉冲进行调制。测量 中，�？锳上位机通过�？锽数据采集卡发出脉冲，驱动偏振测量仪电机转动，偏振测量仪通过光电倍增管11与圆感应同步器分别输出代表光强和角度量的模拟信号，光电流计和 测角仪将其转化为数字信号并通过�？锽数据采集卡输入�？锳上位机，�？锳上位机通 过同步读取光强和角度量判断和控制测试进程。一次测量结束后，上位机通过采集的数据 分析出精确的光强-角度的极值点位置，从而得出元件应该转动的角度。本发明所述的一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法具体步骤为步骤一数据采集驱动待定位元件，并开始采集数据，直到极值点在实时数据坐标图上出现，且在极 值点两侧都有4°以上合适宽度的曲线，并在成对记录光强I和转动角度炉(以I为Y轴，识 为X轴，这样采样点就落于(<p , I )坐标空间内)，并记录下每一组采样数据相对于前一组
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的;^，将其作为近似导数。步骤二 测定数据曲线的极值点精确位置步骤2. 1、数据采集结束后，确定光强最值点在角度轴上的分布区域[仏in_,仏。步骤2. 2、在区间的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记 作Pal和Pal,，其中Pal和Pal,的光强相等，且在[ n.，化ax.俩侧成对出现的光强等值点中，Pal
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的导数绝对值i最大。步骤2. 3、利用曲线对称性，得到极值点的-方向坐标队91^、.,并将之作为第 一级的极值点尺(％,/。)。步骤2. 4、在区间K^haJ的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记 作Pbl和Pbl,，其中Pbl和Pbl,的光强相等，且在俩侧成对出现的光强等值点中，Pbl 的在炉方向上与Pa的距离之绝对值C/ = \<P~<Pa |最接近。步骤2. 5、利用曲线的对称性，得到极值点的-方向坐标灼=。步骤2. 6、为减少随机误差，重复步骤2. 1 2. 5，其重复n次的结果分别为 (釣,灼……<P ) °步骤三、利用Dixon检验法排除异常值，并获得最终测试结果步骤3. 1、将测试结果按大小排列，使得钓 <朽……<队’计算临界值D和D'，其中，
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<Pn-(Pl<Pn~<Px步骤3. 2、确定检出水平&在“Dixon检验法临界值表”中查出对应n和3的临界 值A-“力。并使用“Dixon检验法”判定&是否异常。步骤3.3、当D>D'，且Z^DwO)时，判定队为异常值；当D'、口，且！^众—⑷
时。判定夠为异常值；否则，没有异常值。步骤3. 4、可以余下测试值继续使用Dixon检验法，直到不再有异常值出现，剔除 可能存在的异常值后，对剩下的m个测试结果值求均值，抑制随机误差，最终得到的极值点
的砠方向坐标为炉=-^。 Vm
步骤四、根据检测结果，利用计算机驱动电机将待定位的偏振元件转动至所测定 的角度，完成一次偏振光定位。本发明所述的一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法中所利用的Dixon 检测临界表值如下表所示
权利要求
一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统，该系统包括�？锳上位机、�？锽数据采集卡、�？镃仪器�？橐约澳？镈偏振测量仪，�？锳、�？锽、�？镃与�？镈依次顺序相连，其特征在于�？镈偏振测量仪具体包括起偏器(5)、恒温筒(6)、载物台(8)、检偏器(9)、成像镜(10)以及光电倍增管(11)，其中，在起偏器(5)前端依次放置光源(1)、聚焦镜(2)、可变光栏(3)、准直镜(4)，光源(1)产生的自然光依次通过聚焦镜(2)、可变光栏(3)及准直镜(4)进入起偏器(5)后形成线偏振光；在恒温筒(6)与载物台(8)之间还放置有补偿器(7)，待测元件根据测量要求而放置于恒温筒(6)或载物台(8)中，线偏振光通过待测元件后，依次通过检偏器(9)，成像镜(10)以及光电倍增管(11)，并在光电倍增管(11)中转换为电流信号。
2.根据权利要求1所述的一种计算机辅助的高精度偏振光定位系统，其特征在于所 述的�？镃仪器�？榫咛灏�括光电流计、角度数显表以及电机驱动器。
3.根据权利要求1所述的一种计算机辅助的高精度偏振光定位系统，其特征在于所 述的�？锳上位机负责数据的存储、显示、处理以及对系统进行控制；所述的�？锽负责模 块A上位机与�？镃仪器及电机驱动器间的通信，将读取�？镈偏振测量仪产生的模拟信 号转换为数字量输出，并利用�？锳上位机的数据信号指令对电机脉冲进行调制。
4.根据权利要求1所述的一种计算机辅助的高精度偏振光定位系统，其特征在于所 述的起偏器(5)、检偏器(9)以及载物台(8)中安装有直流电机和圆感应同步器。
5.一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法，其特征在于该方法具体包括 步骤一、数据采集；驱动待定位元件，并开始采集数据，直到极值点在实时数据坐标图上出现，且在极值点 两侧都有4°以上合适宽度的曲线，并在成对记录光强I和转动角度识，并记录下每一组采ΔΙ样数据相对于前一组的‘，将其作为近似导数；步骤二、测定数据曲线的极值点精确位置 步骤三、利用Dixon检验法排除异常值，并获得最终测试结果； 步骤四、根据检测结果，利用计算机驱动电机将待定位的偏振元件转动至所测定的角 度，完成一次偏振光定位。
6.根据权利要求5所述的一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法，其特征在 于所述的步骤二的具体步骤为步骤2. 1、数据采集结束后，确定光强最值点在角度轴上的分布区域[^lin.,仏ax.]； 步骤2. 2、在区间[炉min ，^niJ的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记作 Pal和Pal,，其中Pal和Pal,的光强相等，且在Klin.,化ax.俩侧成对出现的光强等值点中，Pal ΔΙ的导数绝对值一最大； Αφ步骤2. 3、利用曲线对称性，得到极值点的ρ方向坐标队并将之作为第一级的极值点PAfPcM·’步骤2. 4、在区间Klin ，仏aJ的两侧遍历各点，直到找到一对合适的对称点，将之记作 Pbl和Pbl'，其中Pbl和Pbl'的光强相等，且在[Kin.，化ax.俩侧成对出现的光强等值点中，Pbl的在ρ方向上与Pa的距离之绝对值最接近；步骤2. 5、利用曲线的对称性，得到极值点的ρ方向坐标φ = φ"χ +2φ"ν ；步骤2.6、为减少随机误差，重复步骤2. 1 2.5，其重复η次的结果分别为
7.根据权利要求5所述的一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位方法，其特征在 于所述的步骤三的具体步骤为步骤3.1、将测试结果按大小排列，使得……< 队，计算临界值D和D'，其中，当步骤3. 2、确定检出水平3，在“Dixon检验法临界值表”中查出对应η和3的临界值 ν5( )。并使用“Dixon检验法”判定&是否异常；步骤3.3、iD>D'，且I)〉。—㈨时，判定队为异常值；当D' >D，且zr〉^^^时。判定夠为异常值；否则，没有异常值；步骤3. 4、可以余下测试值继续使用Dixon检验法，直到不再有异常值出现，剔除可能 存在的异常值后，对剩下的m个测试结果值求均值，抑制随机误差，最终得到的极值点的φ方向坐标为φ_ = φλ+….队。mη 彡 7， D = rw =Ψη-Ψη-Χ Ψη-Ψχφη-ψ\ ，全文摘要
本发明涉及精密光学测量领域，具体公开了一种基于计算机辅助的高精度偏振光定位系统及高精度定位方法，该定位方法具体步骤为步骤1)数据采集；步骤2)测定曲线的极值点精确位置；步骤3)利用Dixon检验法排除异常值，并获得最终测试结果；步骤4)根据检测结果，利用计算机驱动电机将待定位的偏振元件转动至所测定的角度，完成一次偏振光定位。本发明利用偏振元件光学特性曲线的特点，将偏振光定位方法转变为偏振元件光学特性曲线极值点的定位突破了光电流计AD转换精度的限制，并利用Dixon检验法剔除异常测试值，实现了更高精度的偏振光定位方式。该方法基于与计算机集成的偏振测量系统进行数据采集和分析，从而实现了快速、精确建立偏振场的实验需求。
文档编号G01J4/00GK101936773SQ20101027669
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者屈晓升, 林彦好, 王东光 申请人:北京航空航天大学