專利名稱：光譜偏振分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及偏振遙感測量領(lǐng)域，具體來說是一種光譜偏振分析儀。
技術(shù)背景 在現(xiàn)有光學(xué)技術(shù)中，偏振的最大潛在價值則體現(xiàn)在偏振遙感，其中偏振定標(biāo)是一 項關(guān)鍵技術(shù)。偏振信息獲取，在地物目標(biāo)的識別和分類、大氣氣溶膠參數(shù)反演等領(lǐng)域已經(jīng)開 始顯現(xiàn)優(yōu)勢，但是前提是必須要有足夠高的偏振度測量精度。國內(nèi)研究機構(gòu)前幾年研制過 細(xì)分光譜偏振輻射計，采用了旋轉(zhuǎn)偏振片的方式(對靜止目標(biāo)進(jìn)行探測)解決偏振三方向 探測的問題，結(jié)合傳統(tǒng)光譜輻射計或者光譜儀，實現(xiàn)偏振測量，測偏精度能達(dá)到2% ;以及之 后研制的可調(diào)諧多波段偏振CCD相機，采用3個偏振方向(0° 、60° 、120° )的原始圖像得 到具有偏振信息的圖像。達(dá)到的偏振測量精度在2% _5%;最近研制的多通道偏振輻射計， 常規(guī)測量方法精度在2%左右，采用新的軟件算法測量精度可以穩(wěn)定在1%左右，所以通過 測量目標(biāo)在三個不同方向的偏振輻射，可以計算出目標(biāo)的線偏振度值，特點是算法簡單易 實現(xiàn)，但是由于影響因素較多，其測量精度一般只能達(dá)到2%左右。 在偏振遙感測量中，如何精確地將一束部分偏振光的偏振度測量出來無疑是非常 重要的，這對所有測量偏振信息的遙感儀器來說都有很重要的意義。對于部分偏振光的偏 振度的檢測一種辦法是通過計算得到由玻片堆的相對旋轉(zhuǎn)借用一定的理論模型和計算公 式得到已知偏振度的部分偏振光，我們稱之為偏振測量光源，POLS(Polarimetric Light Source)，但是由于存在玻璃材料本身和加工工藝水平等問題，還有玻璃片堆本身的定位和 轉(zhuǎn)動誤差的問題，給計算結(jié)果帶來不可估計的誤差；所以單純依靠玻片堆旋轉(zhuǎn)、通過公式計 算，不能作為最終的定標(biāo)依據(jù)，這就需要研制一套相對被標(biāo)定儀器更精確的偏振度檢測裝 置，通過該檢測裝置將偏振度精確地測量出來。建立一種實驗室測量偏振光源的標(biāo)尺，來定 標(biāo)偏振光源
實用新型內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，特提供一種光譜偏振分析儀，通過選擇高消光比
(高于ioooo : i)的偏振棱鏡器件，使用的主光路系統(tǒng)各透鏡的曲率半徑很大，系統(tǒng)焦距 很長，整個系統(tǒng)的主光路總長很大，以及特殊的陷阱探測器和精密電控臺，配合新式的檢 偏系統(tǒng)的算法，在實驗室中正對積分球試驗時，積分球出射光接近自然光，得到的結(jié)果為
0. 1% 0. 2%，教以往偏振測量儀器2%左右有了量級的提高。 本實用新型采用的技術(shù)方案 光譜偏振分析儀，包括底座、偏振棱鏡、轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、光闌、標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測 器、望遠(yuǎn)鏡筒，望遠(yuǎn)鏡筒后端有可視目鏡，其特征在于所述的偏振棱鏡、轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、標(biāo) 準(zhǔn)陷阱TRAP探測器依次從前向后安裝在底座上，偏振棱鏡通過外部殼體與轉(zhuǎn)臺固定，且偏 振棱鏡、測偏鏡筒、標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器保持同光軸，所述的光闌有若干個且安裝在測偏 鏡筒內(nèi)；望遠(yuǎn)鏡筒安裝在標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器上方，且望遠(yuǎn)鏡筒和測偏鏡筒的光軸保持平
3行。 本實用新型的原理及設(shè)計思想 在我們的偏振輻射源中，出來的是部分偏振光，由于部分偏振光可以看成完全線 偏振光和自然光混合組成，V二O。利用斯托克斯矢量定義偏振度，設(shè)計測量方法為在O。
180°范圍內(nèi)，每隔一度測量一次，連續(xù)測量N次，并用多點值來求解偏振度
尸=
、2 ,
、2
5^cos2A +》
、乂=0 J … 這樣，我們在計算偏振度時用到了N次測值，消除了偏振度定義中測最大最小值 帶來的不確定性和誤差，或采用傳統(tǒng)的三個固定位置初始定位不準(zhǔn)或轉(zhuǎn)動定位不準(zhǔn)的問 題。提高了系統(tǒng)信噪比和最終測值的準(zhǔn)確性。
光譜偏振分析儀的偏振檢測精度是通過以下措施保證的其一，選擇高消光比
(高于ioooo : i)的偏振棱鏡器件，并且必須將其放置在第一個面上，即光路系統(tǒng)的最前
面，這樣在測偏光路系統(tǒng)中，經(jīng)過偏振器的檢偏之后，變成線偏振光，由于透鏡曲率的存在， 不能保證光束在透鏡各個方向的正入射，這對會對偏振測量有影響的，透鏡組具有偏振效 應(yīng)，會影響入射光的偏振態(tài)，這樣的設(shè)計，避免了透鏡組對檢偏的影響。其二，在光學(xué)設(shè)計 上，主光路系統(tǒng)各透鏡的曲率半徑很大，系統(tǒng)焦距很長，整個系統(tǒng)的主光路總長很大，我們 在探測光筒內(nèi)部設(shè)置了多道光闌，這樣非常有效地避免了雜散光的對偏振測量的影響，這
對我們最終的偏振解析精度是相當(dāng)關(guān)鍵的(參見圖2)。其三，陷阱探測器使用三片硅光電
二極管以一定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，使得入射光能在其中進(jìn)行多次反射與吸收以降低相當(dāng)于單 片硅光電二極管表面反射率，從而大大降低硅光電二極管探測器件的表面反射率因入射角 的不同而變化和偏振敏感性引起輻射測量的不確定因素增大。該結(jié)構(gòu)輻射探測器的正入射
時反射率小于千分之二，較之單片硅光電二極管(20 30% )下降了二個數(shù)量級；偏振敏 感性為0.00142% (已獲得專利申請)。其四，采用精密電控轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)了檢偏器轉(zhuǎn)動角度 的較高的分辨率(0. 00125° )和重復(fù)定位精度(< 0. 005° )，當(dāng)然這也加大了儀器體積 和重量，但是作為實驗室用途的定標(biāo)儀器這不是問題。其五，檢偏系統(tǒng)的算法。在計算公式 中，在0 180°范圍內(nèi)每隔一度測量一次，用到所有的位置的測量結(jié)果參與計算最終的偏 振度，提高系統(tǒng)的測量占空比，進(jìn)而實現(xiàn)對噪音的抑制，這樣避免了采用最大和最小值或采 用傳統(tǒng)的0。 、60°和120°三個位置定位不準(zhǔn)的問題。 本實用新型的優(yōu)點 本實用新型提供的一種光譜偏振分析儀，通過選擇高消光比(高于10000 : 1)的 偏振棱鏡器件，使用的主光路系統(tǒng)各透鏡的曲率半徑很大，系統(tǒng)焦距很長，整個系統(tǒng)的主光 路總長很大，以及特殊的陷阱探測器和精密電控臺，配合新式的檢偏系統(tǒng)的算法，在實驗室 中正對積分球試驗時，積分球出射光接近自然光，得到的結(jié)果為O. 1% 0.2%，教以往偏
振測量儀器2%左右有了量級的提高。

圖l為系統(tǒng)工作示意圖。[0015] 圖2為檢偏儀對線偏振光測量結(jié)果曲線圖。
具體實施方式
參見圖1 : 1為偏振器(即偏振棱鏡)，通過與高精度轉(zhuǎn)臺連接實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動，2為測偏透鏡 組，3為多道消雜光光闌，4為標(biāo)準(zhǔn)TRAP探測器，1、2、3、4共同組成測偏主光路。5為望遠(yuǎn)鏡 透鏡組，6為光闌，7為可視目鏡，可以前后微量調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同視距要求，5、6、7組成望遠(yuǎn)鏡筒。 望遠(yuǎn)鏡筒中光闌6的位置(即十字叉絲位置)要求是可調(diào)的，讓光闌在垂直光軸 的截面上可移動，這樣當(dāng)望遠(yuǎn)鏡筒和測偏鏡筒光軸出現(xiàn)微小不平行時，可以用這個光闌來 微調(diào)。這種微調(diào)只是在初始裝調(diào)時用到，通過平行光管調(diào)到兩個光軸很好平行后就固定好 不再動了。 偏振檢測，保證正入射對于測量精度是很重要的。將檢偏儀放置在偏振盒的出光 端，對著平行光管出射光(當(dāng)然經(jīng)過平板玻璃)，通過檢偏儀目鏡觀察也調(diào)到叉絲物像重 合，那么這時檢測儀的光軸也和偏振盒的光軸/平行光管的光軸重合了，移去平行光管就 可以測量偏振調(diào)整光源的出射偏振度了。儀器完成以后，我們可以用完全非偏振光如自然 光或完全線偏振光來讀出儀器的測值，與光源的偏振度做對比，檢查儀器的測偏精度。 本檢偏儀使用的檢偏器為Glan-Tayor (漢語名稱是格蘭_泰勒)棱鏡，它的起偏 角度有限制，為±5°度以內(nèi)，我們使用時積分球出來的光線進(jìn)入起偏器角度超過這個范 圍，成為雜散光，在實驗室中正對大積分球試驗時，在棱鏡起偏器前增加一些簡易限制視 場的光欄情況下得到的最好結(jié)果為98. 5%。下一步，還要跟POLS/(Polarimetric Light Source)偏振測量光源做對照實驗，驗證公式計算的偏振度結(jié)果。 在積分球出光孔前加偏振片，測量曲線符合馬呂斯定律，在O。 180°范圍很好 符合余弦曲線，在最小值時，接近儀器本底測值，參見圖2。
權(quán)利要求光譜偏振分析儀，包括底座、偏振棱鏡、轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、光闌、標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器、望遠(yuǎn)鏡筒，望遠(yuǎn)鏡筒后端有可視目鏡，其特征在于所述的偏振棱鏡、轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器依次從前向后安裝在底座上，偏振棱鏡通過外部殼體與轉(zhuǎn)臺固定，且偏振棱鏡、測偏鏡筒、標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器保持同光軸，所述的光闌有若干個且安裝在測偏鏡筒內(nèi)；望遠(yuǎn)鏡筒安裝在標(biāo)準(zhǔn)陷阱TRAP探測器上方，且望遠(yuǎn)鏡筒和測偏鏡筒的光軸保持平行。
專利摘要本實用新型公開了一種光譜偏振分析儀，包括底座、偏振棱鏡、偏振器、高精度轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、光闌、標(biāo)準(zhǔn)陷阱(TRAP)探測器、望遠(yuǎn)鏡筒、可視目鏡所述的偏振棱鏡、高精度轉(zhuǎn)臺、測偏鏡筒、標(biāo)準(zhǔn)陷阱(TRAP)探測器依次從前向后安裝在底座上，偏振器安裝在高精度轉(zhuǎn)臺上，且偏振器、測偏鏡筒、標(biāo)準(zhǔn)陷阱(TRAP)探測器保持同光軸，所述的光闌有若干個且安裝在測偏鏡筒內(nèi)；望遠(yuǎn)鏡筒、可視目鏡安裝在標(biāo)準(zhǔn)陷阱(TRAP)探測器上方，可視目鏡安裝在望遠(yuǎn)鏡筒端部，且望遠(yuǎn)鏡筒和測偏鏡筒的光軸保持平行。本實用新型較以往偏振測量儀器的偏振檢測精度2％左右有了量級的提高。
文檔編號G01J4/04GK201514279SQ20092018761
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者孟凡剛, 袁銀麟, 鄭小兵, 陳立剛, 龔平 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所