一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學器件標定領域，具體涉及一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置 及標定方法，可以精確標定出偏振器件的方向角，適用于偏振成像實驗。
【背景技術】
[0002] 偏振成像是一種探測景物光波偏振態(tài)的技術。該技術不僅可以獲取目標的光強信 息，還可以獲取頻率、振幅、偏振度和偏振角等信息，提高了目標的識別能力。近年來，偏振 成像技術已成為國內(nèi)為研究的熱點，并應用于諸多領域，如軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學 等領域。
[0003] 波片作為相位延遲器，是現(xiàn)代偏振成像技術中最基礎的一種光學元器件，被廣泛 應用。在偏振成像中，為獲得光波全部的四個斯托克斯（Stokes)矢量，需要引入波片和偏 振片，而波片快軸和偏振片透光軸方向角的精確標定，是確保偏振信息高精度探測的關鍵 因素之一。目前，標定波片快軸方向的主要方法有塔頓檢驗法、直角棱鏡法、菲涅爾棱體法、 最大最小光強法、外差干涉法和二次諧波極值法等。
[0004] 上述方法中，塔頓檢驗法只能檢測云母波片，不具備普遍適用性；直角棱鏡法需先 找出波片光軸方向才能進一步標定；菲涅爾棱體法和最大最小光強法對探測器靈敏度要求 非常高；外差干涉結(jié)構(gòu)復雜，數(shù)據(jù)處理過程繁瑣；二次諧波極值法精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標定方法，實現(xiàn) 了偏振實驗中，波片快軸方向和偏振片透光軸方向夾角的精確標定。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標 定方法，包括同一光軸順次設置的可旋轉(zhuǎn)的線偏振片和偏振成像裝置；其中可旋轉(zhuǎn)的線偏 振片是由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)；偏振成像裝置包括沿光路方向依次設置的可旋轉(zhuǎn)的相位延遲 器、固定的線偏振片和成像探測器。來自待測目標各點的入射光經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)的線偏振片，形 成一束線偏振光，到達偏振成像系統(tǒng)，形成攜帶一組偏振態(tài)信息的出射光，并在成像探測器 的靶面上得到一組攜帶目標場景偏振信息的圖像。
[0007] -種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標定方法，包括以下步驟：
[0008] 第一步，按光軸方向依次放置可旋轉(zhuǎn)的線偏振片、可旋轉(zhuǎn)的相位延遲器、固定的線 偏振片和成像探測器，此時相位延遲器的快軸方向和線偏振片的透光軸方向存在夾角a ;
[0009] 第二步，由步進電機帶動線偏振片連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周，成像探測器同時連續(xù)探測目標 場景的光強I;
[0010] 第三步，根據(jù)上述探測到的光強I，確定a的大小，完成對波片和偏振片夾角的精 確標定。
[0011] 上述第二步中，光強I:
[0012] I=S〇+S〇cos22 a cos2 0 +S〇sin2 a cos2 a sin2 0
[0013] 上式中，S。是入射光Stokes偏振信息的第一個參數(shù)；a是相位延遲器的快軸方向 和固定的線偏振片的透光軸方向的夾角，9是可旋轉(zhuǎn)的線偏振片的透光軸方向相對于固定 的線偏振片的透光軸方向的夾角。
[0014] 第三步中，確定a的步驟如下：
[0015] I=S〇+S〇cos22 a cos2 0 +S〇sin2 a cos2 a sin2 0
[0016] 可以發(fā)現(xiàn)，I是0的傅里葉級數(shù)，且級數(shù)n=2，
[0017] 令an=S0cos22 a,bn=S0sin2 a cos2 a，貝lj
[0018] I=S0+ancos2 0 +bnsin2 0
[0022]通過反三角函數(shù)，即可求出a，即相位延遲器的快軸方向和固定的線偏振片的透 光軸方向的夾角。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：1)無需獨立的光路結(jié)構(gòu)，適用于偏振成像 實驗。
[0024] 2)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，精度高，可精確標定微小夾角。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的光路原理圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明的流程圖
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0028] 結(jié)合圖1和圖2,本發(fā)明為一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標定方法，實 驗裝置包括同一光軸順次設置的可旋轉(zhuǎn)的線偏振片1和偏振成像裝置2;其中可旋轉(zhuǎn)的線 偏振片1由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)；偏振成像裝置2包括沿光路方向依次設置的可旋轉(zhuǎn)的相位 延遲器21、固定的線偏振片22和成像探測器23。
[0029] -種精確標定波片和偏振片夾角的裝置的標定方法，以標定微小夾角a為例 (0〈a〈5° )，步驟如下：
[0030] 第一步，按光軸方向依次放置可旋轉(zhuǎn)的線偏振片1、固定的線偏振片22和成像探 測器23,旋轉(zhuǎn)線偏振片1到消光位置；
[0031] 第二步，在可旋轉(zhuǎn)的線偏振片1和固定的線偏振片22之間加入可旋轉(zhuǎn)的相位延遲 器21，旋轉(zhuǎn)相位延遲器21，使得探測器探測到的光強最小。此時，相位延遲器21的快軸方 向和線偏振片22的透光軸方向存在一個微小的夾角a ;
[0032] 第三步，由步進電機帶動線偏振片1連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周，成像探測器23同時連續(xù)探測 目標場景的光強I ;
[0033] 第四步，根據(jù)上述探測到的光強I，確定a的大小，完成對波片和偏振片夾角的精 確標定。
[0034] 一束來自待測目標各點的入射光經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)的線偏振片1，形成一束線偏振光，到 達偏振成像系統(tǒng)2,形成攜帶一組偏振態(tài)信息的出射光，并在成像探測器23的靶面上得到 一組攜帶目標場景偏振信息的圖像。
[0035] 入射光經(jīng)過可旋轉(zhuǎn)的線偏振片1后形成的線偏振光，其Stokes矢量可由穆勒矩陣 表示為：
[0036] Sin(S〇, Si，S2, S3) = (S〇, S〇cos2 0 , S〇sin2 0 , 0)T
[0037] 上式中，Sin(SQ, Sp S2, S3)為入射光的Stokes矢量，是一組表不入射光的偏振態(tài)信 息的參數(shù)。\是入射光Stokes偏振信息的第一個參數(shù)；0是可旋轉(zhuǎn)的線偏振片的透光軸 方向相對于固定的線偏振片的透光軸方向的夾角。
[0038] 該線偏振光經(jīng)過偏振成像裝置的出射光的Stokes矢量為：
[0039] SouJS'oA'S^S/kM^O。）.M21(a，90。）? Sin (So，S〇C〇S2 0，Sosin2 0，O)T
[0040] 上式中，SOTt(S' Q, S/，S' 2, S3'）是表不出射光的一組Stokes偏振信息，其中S'。等 于探測到的光強I的大小，M22(0° )是固定的線偏振片的穆勒矩陣，M21(a，90° )是相位 延遲器的穆勒矩陣，即1/4波片的穆勒矩陣，a是相位延遲器的快軸方向和固定的線偏振 片的透光軸方向的夾角。
[0043]通過矩陣相乘，可以得出：
[0045] 矩陣第一行相乘得：
[0046] I=S〇+S〇cos22 a cos2 0 +S〇sin2 a cos2 a sin2 0 , (4)
[0047] 可以發(fā)現(xiàn)，I是0的傅里葉級數(shù)，且級數(shù)n=2，
[0048] 令an=S0cos22 a , bn=S0sin2 a cos2 a，貝lj
[0049] I=S〇+ancos2 0 +bnsin2 0 , (5)
[0053] 通過反三角函數(shù)，即可求出a，即1/4波片的快軸與偏振片2透光軸的夾角。本發(fā) 明可精確標定出偏振器件的方向角，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，且無需獨立的光路結(jié)構(gòu)，適用于 偏振成像實驗。
【主權項】
1. 一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置，其特征在于：包括同一光軸順次設置的可 旋轉(zhuǎn)的線偏振片（1)和偏振成像裝置（2);其中可旋轉(zhuǎn)的線偏振片（1)由步進電機帶動旋 轉(zhuǎn)；偏振成像裝置（2)包括沿光路方向依次設置的可旋轉(zhuǎn)的相位延遲器（21)、固定的線偏 振片（22)和成像探測器（23);來自待測目標各點的入射光進入可旋轉(zhuǎn)的線偏振片（1)，形 成一束線偏振光，進入到偏振成像系統(tǒng)（2)，形成攜帶一組偏振態(tài)信息的出射光，并在成像 探測器（23)的祀面上得到一組攜帶目標場景偏振信息的圖像。2. 根據(jù)權利要求1所述的精確標定波片和偏振片夾角的裝置，其特征在于：偏振成像 裝置中的可旋轉(zhuǎn)的相位延遲器（21)、固定的線偏振片（22)W及成像探測器（23)和可旋轉(zhuǎn) 的線偏振片（1)共光軸，相位延遲器（21)選用1/4波片。3. 基于權利要求1所述的精確標定波片和偏振片夾角的裝置的標定方法，其特征在 于，包括W下步驟： 第一步，按光軸方向依次放置可旋轉(zhuǎn)的線偏振片（1)、可旋轉(zhuǎn)的相位延遲器（21)、固定 的線偏振片（22)和成像探測器（23)，此時相位延遲器（21)的快軸方向和線偏振片（22)的 透光軸方向存在夾角a; 第二步，由步進電機帶動線偏振片（1)連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周，成像探測器（23)同時連續(xù)探測 目標場景的光強I; 第H步，根據(jù)上述探測到的光強I，確定a的大小，完成對波片和偏振片夾角的精確標定。4. 根據(jù)權利要求3所述的精確標定波片和偏振片夾角的裝置的標定方法，其特征在 于：第二步中的光強I: I=S〇+S〇cos22 a cos2白 +S〇sin2 a cos2 a sin2 白 上式中，S。是入射光Stokes偏振信息的第一個參數(shù)；a是相位延遲器（21)的快軸方 向和線偏振片（22)的透光軸方向的夾角，0是線偏振片（1)的透光軸方向相對于線偏振 片（22)的透光軸方向的夾角。5. 根據(jù)權利要求3或4所述的精確標定波片和偏振片夾角的裝置的標定方法，其特征 在于；第H步中，確定a的步驟如下： 對光強I進行傅里葉積分和H角函數(shù)運算： I=S〇+S〇cos22 a cos2日 +S〇sin2 a cos2 a sin2 白 I是0的傅里葉級數(shù)，且級數(shù)n=2 令 an=S〇cos22 a，bn=S〇sin2 a cos2 a，則通過反H角函數(shù)，即可得出a，即相位延遲器（21)的快軸方向和線偏振片（22)的透光 軸方向的夾角。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精確標定波片和偏振片夾角的裝置及標定方法，該方法是基于偏振成像實驗中，目標場景的光強信息和偏振器件的方向角之間的傅里葉級數(shù)關系，包括一個可旋轉(zhuǎn)的線偏振片和偏振成像裝置?？尚D(zhuǎn)的線偏振片由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)；偏振成像裝置由一個可旋轉(zhuǎn)的相位延遲器和一個固定的線偏振片組成。待測目標光束入射到線偏振片，形成一束線偏振光，再經(jīng)過偏振成像裝置，在成像探測器靶面上得到攜帶一組偏振態(tài)信息的目標圖像，通過步進電機帶動線偏振片連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周，并同時連續(xù)探測目標場景的光強信息。最終通過矩陣相乘、傅里葉積分和三角函數(shù)等運算標定出偏振器件的方向角。本發(fā)明具有精度高，裝置簡單，易操作等優(yōu)點。
【IPC分類】G09B23/22, G01M11/02
【公開號】CN104931234
【申請?zhí)枴緾N201410098097
【發(fā)明人】李建欣, 張玉梅, 孟鑫, 劉立銀, 郭仁慧, 沈華, 馬駿, 朱日宏, 陳磊, 何勇
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2014年3月17日