本發(fā)明涉及偏振測量領(lǐng)域，特別涉及一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的裝置。
背景技術(shù)：
：太陽磁場是太陽活動(dòng)爆發(fā)的驅(qū)動(dòng)力和能量來源，而太陽偏振斯托克斯矢量測量是太陽磁場探測的唯一途徑。傳統(tǒng)的太陽偏振測量常采用分時(shí)調(diào)制(如圖2所示)和分振幅同時(shí)調(diào)制(如圖3所示)的方式。分時(shí)調(diào)制包括旋轉(zhuǎn)波片，調(diào)制波片相位延遲，調(diào)制波片光軸方向等。圖2(a)所示為旋轉(zhuǎn)波片的方式，其中2-1為1/4波片，2-2為電動(dòng)角旋轉(zhuǎn)臺(tái)，2-3為偏振片，2-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，2-5為控制器?？刂破骺刂菩D(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)制波片快軸方向，光強(qiáng)采集相機(jī)依次記錄波片處于不同快軸方向時(shí)的光強(qiáng)值，由測得的光強(qiáng)值和波片快軸方向角，可以反演待測太陽光斯托克斯矢量。圖2(b)所示為調(diào)制波片相位延遲的方式，其中2-6為電光晶體，2-3為偏振片，2-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，2-5為控制器。在外界電場的作用下，電光晶體的雙折射性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其相位延遲量隨外加電壓而改變，而其快軸方向不發(fā)生變化?？刂破魍ㄟ^對(duì)電光晶體外加不同電壓從而對(duì)其相位延遲進(jìn)行調(diào)制，光強(qiáng)采集相機(jī)依次記錄電光晶體不同相位延遲時(shí)的光強(qiáng)值，由測得的光強(qiáng)值和波片相位延遲量，可以反演待測太陽光斯托克斯矢量。圖2(c)所示為調(diào)制波片光軸方向的方式，其中2-7為FLC晶體，相位延遲為1/2波長，2-8為FLC晶體，相位延遲為1/4波長，2-3為偏振片，2-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，2-5為控制器。在外界電場的作用下，F(xiàn)LC晶體光軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)而其相位延遲不變?？刂破魍ㄟ^對(duì)FLC晶體外加不同電壓使其光軸方向在特定兩個(gè)角度之間切換，光強(qiáng)采集相機(jī)依次記錄FLC晶體不同光軸方向時(shí)的光強(qiáng)值，由測得的光強(qiáng)值和FLC晶體光軸方向角，可以反演待測太陽光斯托克斯矢量。圖3所示為分振幅同時(shí)調(diào)制的方式，其中3-1為分光棱鏡，3-2為1/4波片，3-3為偏振片，3-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，3-5為控制器。分光棱鏡將光束分為4束，在每個(gè)光路中添加不同旋轉(zhuǎn)方向的波片和偏振片，控制器控制4臺(tái)光強(qiáng)采集相機(jī)對(duì)各光路的光強(qiáng)值進(jìn)行同時(shí)采集，利用4臺(tái)相機(jī)采集的光強(qiáng)值和波片與偏振片的調(diào)制方式，可以反演出待測太陽光斯托克斯矢量。然而受環(huán)境影響，在光強(qiáng)采集相機(jī)兩次曝光周期內(nèi)，進(jìn)入偏振測量裝置的太陽光存在光強(qiáng)閃爍，因此分時(shí)調(diào)制的方式測量精度受到限制。并且，旋轉(zhuǎn)波片的方式存在機(jī)械振動(dòng)，且調(diào)制頻率低，為達(dá)到較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)角旋轉(zhuǎn)臺(tái)有較高要求，成本高；調(diào)制波片相位延遲的方式因電光晶體相位延遲量對(duì)溫度較敏感，往往需要額外的恒溫設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜。調(diào)制波片光軸方向的方式因FLC光軸方向同樣對(duì)溫度較敏感，且加工困難，成本較高，對(duì)某些系統(tǒng)難以滿足使用要求；分振幅同時(shí)調(diào)制的方式將光路分為4束，系統(tǒng)復(fù)雜，且各相機(jī)之間存在不均勻性，影響測量精度。針對(duì)以上問題，本發(fā)明的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，采用微光學(xué)技術(shù)原理制作的微波片陣列，并在此基礎(chǔ)上加工微偏振片陣列，并與光強(qiáng)采集相機(jī)光敏面貼合，僅需要一次曝光即可獲取太陽偏振斯托克斯矢量信息。相對(duì)于傳統(tǒng)裝置，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，無需精確調(diào)試和人為調(diào)制，光譜響應(yīng)范圍寬，成本低且可批量化生產(chǎn)，同時(shí)避免了相機(jī)不均勻響應(yīng)等因素，可方便擴(kuò)展于其他應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，創(chuàng)新性明顯。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：對(duì)太陽偏振態(tài)進(jìn)行全斯托克斯矢量參數(shù)的實(shí)時(shí)測量。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的裝置，包括光譜濾光器、波片陣列、偏振片陣列和光強(qiáng)采集相機(jī)，其中，光譜濾光器位于波片陣列之前，將進(jìn)入波片陣列的光限定在一定的光譜范圍內(nèi)；波片陣列利用同一波片在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)加工成不同相位延遲的波片組合，如此往復(fù)，最終形成陣列；偏振片陣列利用在相鄰的2×2的四個(gè)單元內(nèi)加工成不同偏振方向的偏振片組合，如此往復(fù)，最終形成陣列；波片陣列與偏振片陣列各單元尺寸相同，個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)；光強(qiáng)采集相機(jī)位于太陽望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上，分別記錄通過陣列各單元的光強(qiáng)值，其與波片陣列、偏振片陣列貼合在一起，做成集成裝置；該裝置的數(shù)據(jù)處理過程如下所述：首先，定義待測太陽光的斯托克斯矢量為S＝[IQUV]T；在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)波片與偏振片有四種不同組合方式，分別記為a,b,c,d。波片Muller矩陣分別為Mwa,Mwb,Mwc,Mwd，偏振片Muller矩陣為Mpa,Mpb,Mpc,Mpd。組合Muller矩陣分別為Ma,Mb,Mc,Md。其中：記a單元的Muller矩陣為：太陽光經(jīng)過標(biāo)記為a的波片與偏振片單元后，其出射光斯托克斯矢量為：然后，太陽光進(jìn)入光強(qiáng)采集相機(jī)(4)，相機(jī)采集對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值為：Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V(13)已知偏振片的Muller矩陣為：其中，α為偏振片起偏角。波片的Muller矩陣為：其中，δ為波片產(chǎn)生的相位延遲，θ為波片快軸方向與坐標(biāo)系X軸方向夾角。則：同理，相機(jī)分別采集2×2四個(gè)單元對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值為：Ia,Ib,Ic,Id，有：通過該組光強(qiáng)值Ia,Ib,Ic,Id反演待測太陽光的斯托克斯矢量，其中：公式(5)存在唯一解的條件是：M矩陣滿秩，即：rank(M)＝4(20)在a,b,c,d四個(gè)單元中使α，δ，θ取不同的值，可使M矩陣滿足公式(10)的條件。其中，光譜濾光器作用是將入射光的光譜限制在一定的帶寬范圍內(nèi)，其可以使用光柵光譜儀、干涉濾光器、原子濾光器以及雙折射濾光器，只要滿足偏振測量應(yīng)用中系統(tǒng)要求即可。其中，本裝置可以針對(duì)多個(gè)波長和帶寬的光譜完成偏振斯托克斯矢量測量，不局限于特定波長和帶寬，但受限于光強(qiáng)采集相機(jī)的光譜響應(yīng)。其中，光譜濾光器的作用是將入射光的光譜限制在一定的帶寬范圍內(nèi)，其可以使用光柵光譜儀、干涉濾光器、原子濾光器以及雙折射濾光器等，只要滿足偏振測量應(yīng)用中系統(tǒng)要求即可。其中，波片陣列用于對(duì)光束產(chǎn)生不同的相位延遲，可以采用壓印、刻蝕等方法制作。其中，波片的刻蝕或壓印深度與波長和相移量有關(guān)，只要滿足權(quán)利公式(14)所描述的滿秩條件，均可準(zhǔn)確測量偏振斯托克斯矢量參數(shù)。其中，偏振片陣列采用不同偏振方向的偏振片單元組合而成，可以采用在基底上鍍不同排列方向的金屬線柵的方式制取，也可以采用納米壓印、刻蝕等方式，只要滿足本發(fā)明要求的偏振特性即可。其中，本裝置在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)采用不同的波片相位延遲和偏振片偏振方向的組合，但不限定其組合方式，只要組合后其調(diào)制矩陣M可逆即可。其中，光強(qiáng)采集相機(jī)能夠采集偏振測量所需要的光強(qiáng)分布，其可以為CCD、CMOS、EMCCD、光電倍增管等，只要滿足光強(qiáng)采集功能即可。其中，單個(gè)波片陣列與偏振片陣列單元大小不僅能夠?qū)?yīng)于單個(gè)光電探測器單元，也能夠?qū)?yīng)任意個(gè)光電探測器單元，只要能夠?qū)νㄟ^各陣列單元的光分別采集即可。其中，本裝置中波片陣列、偏振片陣列與光強(qiáng)采集相機(jī)貼合在一起，為集成裝置，其可以為獨(dú)立器件，通過膠合或壓合等方式結(jié)合在一起，也可以在同一基片的兩面分別加工，只要滿足本專利描述的偏振測量功能即可。本發(fā)明的原理在于：斯托克斯矢量可以完全表示光的偏振信息，光學(xué)元件對(duì)斯托克斯矢量的傳遞可以用Muller矩陣表示。假定待測太陽光的斯托克斯矢量為S＝[IQUV]T，已知偏振片的Muller矩陣為：其中，θ為偏振片起偏角。波片的Muller矩陣為：其中，δ為波片產(chǎn)生的相位延遲，θ為波片快軸方向與坐標(biāo)系X軸方向夾角。待測太陽光依次經(jīng)過波片和偏振片后，其斯托克斯矢量為：在特定的波片與偏振片調(diào)制狀態(tài)a下，假定其Muller矩陣為：相機(jī)采集的光強(qiáng)值為：Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V(19)同樣，在b,c,d狀態(tài)下相機(jī)采集光強(qiáng)為Ib,Ic,Id，有：通過該組光強(qiáng)值Ia,Ib,Ic,Id反演待測太陽光的斯托克斯矢量其中：選擇波片陣列(2)與偏振片陣列(3)在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)的組合方式，使調(diào)制矩陣M可逆，即：rank(M)＝4(23)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1).本發(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽偏振態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，不需要分時(shí)調(diào)制，只需要一次曝光就可以計(jì)算目標(biāo)全斯托克斯矢量參數(shù)，避免了傳統(tǒng)分時(shí)測量光強(qiáng)閃爍的影響，有效提高探測精度和靈敏度。(2).本發(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，無需分光元件和中繼光學(xué)系統(tǒng)即可完成單次光強(qiáng)采集實(shí)現(xiàn)太陽光偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量，其結(jié)構(gòu)大大縮小，結(jié)構(gòu)緊湊性大大提高，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。(3).本發(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，無需中繼光學(xué)系統(tǒng)和額外分光元件，對(duì)透射元件的色散性能要求不高，提高有效探測光譜范圍。同時(shí)，大大降低系統(tǒng)像差和光譜串?dāng)_，提高偏振斯托克斯矢量探測的精度和靈敏度。(4).本發(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，采用集成光微光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)幾何光學(xué)器件的功能，無需精確調(diào)試和人為調(diào)制，操作方便。其工序清楚，可重復(fù)性和程序化程度高，有利于測量器件的標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)，大大降低批量化生產(chǎn)的成本。(5).本發(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，其僅需要測量一幅強(qiáng)度分布圖像即可完成偏振斯托克斯矢量測量，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振測量。對(duì)環(huán)境要求低，有效擴(kuò)展偏振斯托克斯矢量探測器件的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍?？傊揽勘景l(fā)明提出的一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的新型裝置，突破傳統(tǒng)調(diào)制方式，僅需要一次曝光即可獲取太陽偏振斯托克斯矢量信息。相對(duì)于傳統(tǒng)裝置，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，無需精確調(diào)試和人為調(diào)制，光譜響應(yīng)范圍寬，成本低且可批量化生產(chǎn)，同時(shí)避免了相機(jī)不均勻響應(yīng)等因素，可方便擴(kuò)展于其他應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，創(chuàng)新性明顯。附圖說明圖1為一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的裝置。其中，1-1為光譜濾光器，1-2為波片陣列，1-3為偏振片陣列，1-4為光強(qiáng)采集相機(jī)。圖2為分時(shí)調(diào)制偏振測量裝置，其中，圖2(a)為旋轉(zhuǎn)波片的方式，圖2(b)為調(diào)制波片相位延遲的方式，圖2(c)為調(diào)制波片光軸方向的方式。其中，2-1為1/4波片，2-2為電動(dòng)角旋轉(zhuǎn)臺(tái)，2-3為偏振片，2-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，2-5為控制器，2-6為電光晶體，2-7、2-8為FLC晶體。圖3為分振幅同時(shí)調(diào)制偏振測量裝置。其中，3-1為分光棱鏡，3-2為1/4波片，3-3為偏振片，3-4為光強(qiáng)采集相機(jī)，3-5為控制器。圖4為波片陣列加工方式。圖5為偏振片陣列加工方式。圖6為波片陣列、偏振片陣列與光強(qiáng)采集相機(jī)的集成，其中，6-1為波片陣列，6-2為偏振片陣列，6-3為CCD相機(jī)。圖7為本裝置采集圖像示例。圖8為由本裝置采集圖像反演斯托克斯示例分布示意圖，其中，圖8(a)為入射光斯托克斯參量I分布示意圖，圖8(b)為入射光斯托克斯參量Q分布示意圖，圖8(c)為入射光斯托克斯參量U分布示意圖，圖8(d)為入射光斯托克斯參量V分布示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明。本發(fā)明的基本思想在于提供一種可用于太陽偏振斯托克斯矢量實(shí)時(shí)測量的裝置，由光譜濾光器1-1，波片陣列1-2，偏振片陣列1-3，光強(qiáng)采集相機(jī)1-4組成，如圖1所示。其中，光譜濾光器1-1位于波片陣列1-2之前，使進(jìn)入波片的光為一定帶寬的準(zhǔn)單色光；波片陣列1-2利用同一波片在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)加工成不同相位延遲的波片組合，如此往復(fù)，最終形成陣列；偏振片陣列1-3利用在相鄰的2×2的四個(gè)單元內(nèi)加工成不同偏振方向的偏振片組合，如此往復(fù)，最終形成陣列；波片陣列1-2與偏振片陣列1-3各單元尺寸相同，個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)；光強(qiáng)采集相機(jī)1-4位于太陽望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上，分別記錄通過陣列各單元的光強(qiáng)值，其與波片陣列1-2、偏振片陣列1-3貼合在一起，做成集成裝置。該裝置的數(shù)據(jù)處理過程如下所述：首先，定義待測太陽光的斯托克斯矢量為S＝[IQUV]T；在相鄰的2×2四個(gè)單元內(nèi)波片與偏振片有四種不同組合方式，分別記為a,b,c,d。波片Muller矩陣分別為Mwa,Mwb,Mwc,Mwd，偏振片Muller矩陣為Mpa,Mpb,Mpc,Mpd。組合Muller矩陣分別為Ma,Mb,Mc,Md。其中：記a單元的Muller矩陣為：太陽光經(jīng)過標(biāo)記為a的波片與偏振片單元后，其斯托克斯矢量為：然后，太陽光進(jìn)入光強(qiáng)采集相機(jī)1-4，相機(jī)采集對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值為：Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V(26)同理，相機(jī)分別采集2×2四個(gè)單元對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值為：Ia,Ib,Ic,Id，有：通過改變波片相位延遲、快軸方向、偏振片起偏角，只需使調(diào)制矩陣M可逆，即其秩為4，即可通過該組光強(qiáng)值Ia,Ib,Ic,Id反演待測太陽光的斯托克斯矢量。其中：已知波片的Muller矩陣為：其中，δ為波片產(chǎn)生的相位延遲，θ為波片快軸方向與坐標(biāo)系X軸方向夾角。已知波片相位延遲為：其中no,ne分別為o光和e光在晶體中的折射率，對(duì)于特定材料，特定波長，no,ne恒定，相位延遲δ為晶體厚度d的函數(shù)，通過改變晶體厚度d，可以調(diào)制相位延遲δ。波片陣列1-2采用方解石材料，其晶體光軸與入射光垂直，將快軸方向固定為-45°。將方解石材料刻蝕加工為波片陣列，加工方式如圖4a所示。a,b,c,d四個(gè)單元選用波片相位延遲組合為表1所示：表1如附圖4b所示,對(duì)于波長為656.3納米的光，no＝1.6544,ne＝1.4846，將方解石加工為1/4波片，以滿足b,c單元的相位延遲。在a,d單元將波片刻蝕，刻槽深度d＝966.284納米，以滿足其相位延遲。已知偏振片的Muller矩陣為：其中，θ為偏振片起偏角。如圖5b所示，偏振片陣列1-3采用在基底上鍍金屬線柵的方式，偏振片偏振方向與金屬線柵排列方向互相垂直。如圖5b所示，a,b,c,d單元偏振片偏振方向組合為表2所示：表2序列abcd起偏角θ0°0°45°-45°此時(shí)偏振調(diào)制矩陣為：相機(jī)6-3位于太陽望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦平面上，其像元大小及數(shù)量等特性滿足太陽望遠(yuǎn)鏡觀測要求。波片陣列6-1與偏振片陣列6-2與相機(jī)6-3靶面貼合在一起，如圖6所示。太陽望遠(yuǎn)鏡所成圖像經(jīng)過光譜設(shè)備和波片陣列及偏振片陣列后用相機(jī)采集，用相鄰的2×2的四個(gè)像素記錄光強(qiáng)值：利用采集的四個(gè)光強(qiáng)值及偏振調(diào)制矩陣計(jì)算入射光斯托克斯矢量：S＝M-1·I′(33)為更直觀顯示本裝置使用效果，我們進(jìn)行了模擬仿真。模擬中假定入射太陽光為部分偏振光，各像點(diǎn)處斯托克斯參量為隨機(jī)值。當(dāng)待測太陽光經(jīng)過本裝置調(diào)制采集后，獲得圖像如圖7所示。經(jīng)過反演運(yùn)算后，得出入射光各斯托克斯參量分布如圖8所示。其中，圖8(a)為入射光斯托克斯參量I分布示意圖，圖8(b)為入射光斯托克斯參量Q分布示意圖，圖8(c)為入射光斯托克斯參量U分布示意圖，圖8(d)為入射光斯托克斯參量V分布示意圖。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解到的替換或增減，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3