Спосіб вимірювання параметрів поляризації неоднорідних анізотропних об’єктів

Корисна модель відноситься до області вимірювальної техніки і може бути використана для досліджень параметрів поляризованого випромінювання при неруйнівному контролі неоднорідних анізотропних об'єктів і середовищ у метрології, фізиці, біології та медицині. Відомий спосіб вимірювання параметрів поляризації випромінювання від протяжних об'єктів, який полягає у виділенні об'єкта у полі зору шляхом діафрагмування, фокусуванні, гармонічній модуляції його поляризованої компоненти, перетворенні модуляції поляризованої компоненти у модуляцію по інтенсивності, перетворенні інтенсивності випромінювання у електричний сигнал за допомогою фотоприймача із наступним синхронним детектуванням гармонічних складових електричного сигналу шляхом підсумовування на інтервалі, кратному цілому числу періодів модуляції відліків, отримуваних при накопичуванні сигналу за наступні один за одним інтервали, які дорівнюють напівперіодам гармонійних складових, узяти х із поточним знаком [Фотометрические и поляриметрические исследования небесных тел: Сб. научн. тр. К., На ук. Думка, 1985, с.160-178]. Недоліками способу є необхідність механічно проскановувати обране поле зору для вимірювання параметрів поляризації неоднорідних анізотропних або протяжних об'єктів, оскільки наведений спосіб розрахований на застосування одноканального фотоприймача, а також обмеження можливої швидкодії внаслідок необхідності проведення повного циклу вимірювань для кожного елементу зображення, вирізуваного діафрагмою. Крім того, для отримання зображення у поляриметричних параметрах необхідно виміряні значення цих параметрів супроводжувати їх відносними координатами у площині досліджуваного зображення, що важко здійснити у розглянутому способі та додатково ускладнює обробку отриманої таким чином інформації. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб вимірювання параметрів поляризації випромінювання від протяжних об'єктів [Патент України №19677 С1, Бюл. №6 від 25.12.1997], який полягає у фокусуванні зображення від цих об'єктів, гармонічній модуляції його поляризованої компоненти, перетворенні модуляції поляризованої компоненти у модуляцію по інтенсивності, перетворенні інтенсивності випромінювання у електричний сигнал за допомогою фотоприймача із наступним синхронним детектуванням гармонійних складових електричного сигналу шляхом підсумовування на інтервалі, кратному цілому числу періодів модуляції відліків, отримуваних при накопичуванні сигналу за наступні один за одним інтервали, рівні напівперіодам гармонійних складових, узятих із поточним знаком, при цьому випромінювання перетворюють у електричний сигнал шляхом покадрового накопичування зображення із наступним порядковим зчитуванням за допомогою панорамного фотоприймача із дискретизацією кожного рядка на елементи зображення шляхом аналого-цифрового перетворення із наступним визначенням параметрів поляризації для кожного з них, при цьому період слідування кадрів дорівнює чверті періоду гармонічної складової максимальної частоти, додатково визначають фазовий зсув гармонійної складової для кожного елемента зображення та виконують корекцію відповідного йому відліку. Недоліками способу є велика кількість вимірювань, їх обмежена точність та відповідно великий час обробки зображень об'єктів. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення точності вимірювань параметрів поляризації неоднорідних анізотропних об'єктів, зменшення часу вимірювань та підвищення швидкодії обробки поляризаційних зображень. Поставлена задача досягається тим, що у способі вимірювання параметрів поляризації неоднорідних анізотропних об'єктів, який полягає у фокусуванні зображення від цих об'єктів, гармонічній модуляції його поляризованої компоненти, перетворенні модуляції поляризованої компоненти у модуляцію по інтенсивності, перетворенні інтенсивності випромінювання у електричний сигнал за допомогою фотоприймача із наступним синхронним детектуванням гармонійних складових електричного сигналу шляхом підсумовування на інтервалі, кратному цілому числу періодів модуляції відліків, отримуваних при накопичуванні сигналу за наступні один за одним інтервали, рівні напівперіодам гармонійних складових, узятих із поточним знаком, покадровому накопичуванні зображення із наступним порядковим зчитуванням за допомогою матричного фотоприймача із дискретизацією кожного рядка на елементи зображення шляхом аналого-цифрового перетворення і наступному визначенню параметрів поляризації для кожного з них, а період слідування кадрів дорівнює чверті періоду гармонійної складової максимальної частоти, додатковому визначенні фазового зсуву гармонійної складової для кожного елементу зображення та виконанні корекції відповідного йому відліку анізотропний об'єкт зондують лазерним випромінюванням із трьома лінійними станами поляризації, азимути яких відрізняються на 60°, а при визначенні параметрів поляризації кожного з елементів вимірюють неповну матрицю Мюллера об'єкта. На кресленні представлено блок-схему пристрою, на якому реалізується запропонований спосіб вимірювання поляризації неоднорідних анізотропних об'єктів. Спосіб здійснюється наступним чином. Потік випромінювання від монохроматичного джерела (лазера) 1 розширюється через коліматор 2, проходить крізь формуючий поляризатор 3, де формуються три лінійні стани поляризації, азимути яких відрізняються на 60°, та потрапляє на досліджуваний об'єкт 4. Розсіяне об'єктом 4 у прямому або зворотному напрямку випромінювання проходить крізь аналізатор поляризації 5 та формує за допомогою об'єктива зображення у площині матричного фотоприймача 6, яке після опто-електронного та аналого-цифрового перетворень, підсилення та обробки результатів вимірювань у блоці реєстрації та обробки зображень 7 виводить інформацію на вхід блоку відображення інформації 8. На елементі 3 попередньо відбувається гармонічна модуляція стану поляризації по азимуту та по фазі, при цьому формують лінійно поляризоване випромінювання з трьома різними азимутами q1, q2 , q 3, які відрізняються на 60°. Після взаємодії випромінювання із об'єктом 4 і проходження далі крізь аналізатор 5 модуляція по поляризації перетворюється у модуляцію по інтенсивності, результат якої можна представити у виді ряду Фур'є: ¥ I' = a0 + (an cos nw t + bn sinnwt ) 2 n =1 å (1) , де a0, an та bn - коефіцієнти ряду Фур'є, що визначаються поляризаційними параметрами досліджуваного випромінювання від об'єкта та параметрами застосовуваних поляризаційних елементів; w - частота модуляції. Відомо, що матриця Мюллера М4х3 повністю описує зміну однорідним середовищем довільного стану поляризації падаючого випромінювання. Системи рівнянь для визначення елементів перших трьох стовпців М4х3 матриці Мюллера об'єкта мають вид: 2 åR i=0 2 å (k ) i M0 ,i k = S(0 ); k R(k )M2,i = S(2 ); i i=0 2 åR (k ) i M1,i i=0 2 å = S(k ); 1 k = 1¸ 3 . (2) R(k )M3,i = S(k ); i 3 i=0 R (k ) i S( k ) i де і - i-i елементи k-го вектора Стокса випромінювання до та після його взаємодії з досліджуваним об'єктом, відповідно; Mi,j - i,j-я елемент матриці Мюллера досліджуваного об'єкта. Рівняння системи (2) мають однаковий визначник В розміром 3x3. На точність визначення елементів матриці М4х3 впливає похибка вимірювання елементів вектора Стокса. Якщо визначити інтегральну похибку визначення вектора Стокса dS у виді: 1 1 é 3 ù2 é 3 ù2 DS DS = ê (DSi )2 ú ; S = ê (Si )2 ú (3) dS = ; ê i= 0 ú ê i= 0 ú ; S ë û ë û де Si - i-a компонента вектора Стокса S; DSi - абсолютна похибка визначення і-ї компоненти вектора Стокса, тоді межі похибки dМ визначення з (2) відповідних елементів матриці Мюллера можна оцінити за наступним співвідношенням: 2nB dS dM £ ; -1 (4) 1 - n dS n B = B × B , å å B де символ позначає квадратичну норму. Параметр n B в (4) - це число обумовленості, яке характеризує ступінь впливу збурення у вихідних коефіцієнтах системи лінійних однорідних рівнянь на точність визначення її коренів. Таким чином, мінімізуючи n B, ми зменшуємо невизначеність у знаходженні елементів М4х3 , викликану похибкою dS. В нашому випадку n B є функцією азимутів зондувальних поляризацій f(q1,q 2,q 3). Аналіз функції n B дає мінімальне значення числа обумовленості, яке складає n B,min,4x3=3.16, при умові, що азимути зондувальних поляризацій відрізнятимуться на кут в 60°: (5) q 2 - q1 = q3 - q 2 = 60 o Таким чином, згідно (4) в способі з трьома лінійними зондувальними поляризаціями елементи матриці n /n = 1. 4 n = 4 .47 Мюллера вимірюють щонайменше у B, min, 4 ´ 4 B, min, 4´ 3 рази точніше ( B, min, 4 ´ 4 ). Для аналізу неоднорідних анізотропних об'єктів пропонується, як і у прототипі, перетворювати випромінювання у електричний сигнал за допомогою матричного фотоприймача, частота кадрів якого синхронізується з частотою гармонійної модуляції, при цьому здійснюють синхронне детектування сигналу з кожного елементу кадру із урахуванням фазового зсуву гармонійної складової для даного елементу, а кожен відлік з елементу зображення коригують з урахуванням попередньо визначеного фазового зсуву, при цьому вимірюють матриці Мюллера для кожного елементу зображення. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує підвищення точності вимірювань параметрів поляризації та матриць Мюллера неоднорідних анізотропних об'єктів, зменшення часу вимірювань та відповідно часу обробки зображень об'єктів. Спосіб дозволяє розширити функціональні можливості лазерної неруйнівної діагностики неоднорідних об'єктів і середовищ.