一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，包括消色差的1/4波片、無熱的多級相位延遲器、偏振分束器。無熱的多級相位延遲器包括藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體，藍(lán)寶石晶體位于靠近消色差的1/4波片的一側(cè)，藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體的厚度比為1:（2～3），藍(lán)寶石晶體的快軸方向與MgF2晶體的快軸方向垂直且兩個快軸方向與水平方向的夾角均為45°。消色差1/4波片的快軸方向與水平方向垂直，偏振分束器的快軸方向與消色差的1/4波片的快軸方向平行或者垂直。利用本發(fā)明偏振調(diào)制器，可以在探測器上得到振幅隨著線偏振度變化、相位隨著線偏振角變化的正弦曲線。本發(fā)明調(diào)制器具有體積小、重量輕、沒有運(yùn)動部件、解調(diào)算法簡單以及解調(diào)精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于目標(biāo)偏振信息獲取的偏振調(diào)制器，特別適合于對行星大氣中的云及氣溶膠等粒子進(jìn)行探測。
【背景技術(shù)】
[0002]氣象、大氣環(huán)境監(jiān)測、海洋、航空航天以及軍事等部門的應(yīng)用需求，推動了衛(wèi)星大氣遙感技術(shù)的進(jìn)步。光學(xué)偏振遙感技術(shù)是光學(xué)遙感技術(shù)與偏振測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。由于偏振測量的高精度特點(diǎn)，使得偏振遙感系統(tǒng)能夠成為衛(wèi)星大氣遙感的新技術(shù)手段。
[0003]我國民用衛(wèi)星已經(jīng)形成了氣象、資源與海洋三大衛(wèi)星系列，和環(huán)境小衛(wèi)星星座結(jié)合在一起，已經(jīng)初步構(gòu)成了我國民用衛(wèi)星應(yīng)用體系。對于這些資源、環(huán)境和海洋衛(wèi)星的遙感需求，急需獲得比較精確的大氣參數(shù)，如氣溶膠和云狀況，用來進(jìn)行精確的大氣校正以大幅度提高其應(yīng)用價值。而且氣溶膠和云對輻射影響的不確定性是當(dāng)前研究全球變化和氣候變化的主要限制因素之一，氣溶膠、云和地表反射率是影響地表能量輻射平衡的重要因素。此夕卜，云相態(tài)是影響運(yùn)載火箭飛行、導(dǎo)彈飛行及飛機(jī)飛行安全的重要因素。因此掌握全球大氣氣溶膠和云分布狀況對航空、軍事和空間科學(xué)研究工作是至關(guān)重要的。
[0004]探測大氣中云及氣溶膠最有效的手段就是偏振探測，目前已有POLDER、APS等多顆星載多角度偏振光譜儀研制成功。對這些載荷研究不難發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)用的偏振調(diào)制方式主要有兩種，即時間調(diào)制和空間調(diào)制。
[0005]POLDER采用了時間調(diào)制的方式，時間調(diào)制通過旋轉(zhuǎn)波片和濾光片轉(zhuǎn)輪來獲取偏振信息和光譜信息。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是:調(diào)制原理簡單。缺點(diǎn)是:波片只針對某一特定波長，因此探測多波長就要增加多路元件，系統(tǒng)的體積笨重；而且系統(tǒng)中有運(yùn)動部件，抗振性、穩(wěn)定性、可靠性較差；一次只能測量一個偏振態(tài)，需要轉(zhuǎn)動波片多次測量才能獲得所需要的偏振信息，所以不能實(shí)時測量。
[0006]APS采用了空間調(diào)制的方式，空間調(diào)制通過偏振分束器將入射光分為多束，每束光分別通過波片等偏振元件調(diào)制后獲得所需的偏振態(tài)。空間調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是:無機(jī)械轉(zhuǎn)動可實(shí)時測量全Stocks參量1、Q、U、V。缺點(diǎn)是:光路調(diào)節(jié)非常困難，很難保證光束通過系統(tǒng)偏振態(tài)不改變；而且需要多個CCD (—般四個)同時測量，很難保證均一性和同步性；另外對多波長探測需濾光片(增加光路數(shù)或犧牲實(shí)時性)，獲得的數(shù)據(jù)精度并不夠高，系統(tǒng)很笨重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種體積小、重量輕、無運(yùn)動部件、調(diào)制簡單、解調(diào)精度高并且能夠同時獲得光譜信息和偏振信息的偏振調(diào)制器件。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，包括消色差的1/4波片、無熱的多級相位延遲器、偏振分束器；所述的無熱的多級相位延遲器包括藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體，藍(lán)寶石晶體位于靠近消色差的1/4波片的一側(cè)，MgF2晶體位于靠近偏振分束器的一側(cè)，藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體的厚度比為1: (2?3)，藍(lán)寶石晶體的快軸方向與MgF2晶體的快軸方向垂直且兩個快軸方向與水平方向的夾角均為45° ;所述的消色差1/4波片的快軸方向與水平方向垂直，偏振分束器的快軸方向與消色差的1/4波片的快軸方向平行或者垂直。
[0009]所述的消色差的1/4波片為菲涅耳菱體。所述的偏振分束器為Wollaston棱鏡。所述的藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體的厚度比是1:2.4。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011](I)本發(fā)明的偏振調(diào)制器對入射光進(jìn)行光譜調(diào)制后，在探測器上能夠得到振幅隨著線偏振度變化而相位隨著線偏振角變化的正弦曲線，經(jīng)過解調(diào)之后能夠直接得到目標(biāo)的光譜信息和偏振信息；
[0012](2)本發(fā)明的偏振調(diào)制器與現(xiàn)有的基于分光路及分振幅方式的空間調(diào)制偏振測量方式相比，具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)；
[0013](3)本發(fā)明的偏振調(diào)制器與現(xiàn)有的基于旋轉(zhuǎn)偏振片以及電光調(diào)制的時間調(diào)制偏振測量方式相比，具有實(shí)時性好、無運(yùn)動部件、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；
[0014](4)本發(fā)明的偏振調(diào)制方式由于經(jīng)算法解調(diào)可直接得到所需的線偏振度和線偏振角，而不是像空間調(diào)制偏振測量那樣測得Stocks四個參量1、Q、U、V后再計算偏振度以及偏振角，所以光譜調(diào)制的解調(diào)方法簡單、解調(diào)精度高、運(yùn)算速度快；
[0015](5)本發(fā)明的偏振調(diào)制器通過光譜調(diào)制把隨著波長變化的偏振信息編碼在了光譜維，降低了時間(例如用旋轉(zhuǎn)濾光片及偏振片獲得不同偏振角信息時，不同時間測量時目標(biāo)的偏振信息可能會發(fā)生改變)或空間(如分振幅的空間調(diào)制，不同光路的光學(xué)元件透過率不一致，影響結(jié)果的精度)的不一致性對測量結(jié)果的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明偏振調(diào)制器的組成原理框圖；
[0017]圖2為本發(fā)明偏振調(diào)制器的組成元件快軸方向示意圖；
[0018]圖3為采用本發(fā)明光譜調(diào)制后得到的歸一化的S、P分量的強(qiáng)度圖；
[0019]圖4為采用本發(fā)明光譜調(diào)制后得到的模擬偏振信號的真實(shí)偏振度和偏振角圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1所示，本發(fā)明用于光譜調(diào)制的調(diào)制器主要由消色差的1/4波片、無熱的多級相位延遲器以及偏振分束器組成。
[0021]消色差的1/4波片選用了菲涅耳菱體，基于全內(nèi)反射原理的菲涅耳菱體其相位延遲量僅與折射率有關(guān)，其快軸方向與水平方向垂直。除此之外，消色差的1/4波片還可以選用菲涅耳菱體、穆尼菱體、AD-1型消色差相位延遲器、AD-2型消色差相位延遲器、菱體相位延遲器、長方體型相位延遲器、梯形相位延遲器等。具體可參考李國良，宋連科，范開敏.高精度菱體型消色差延遲器的優(yōu)化設(shè)計[J].激光技術(shù)，2011，35 (2)或者李國良.高性能消色差延遲器的優(yōu)化設(shè)計[DL 2007。
[0022]無熱的多級相位延遲器由藍(lán)寶石和MgF2晶體組成，兩塊晶體的快軸方向與1/4波片的快軸方向分別成±45°排列。1/4波片的快軸方向與偏振片的透光軸方向平行，可以為O。或90°。由于波片的相位延遲量受溫度的影響很大，尤其是多級波片，所以兩種晶體要選擇合適的厚度比以消除總的相位延遲量對溫度的依賴性。這里所述的藍(lán)寶石和MgF2的厚度比是1: (2~3)。
[0023]為了設(shè)計無熱化的多級相位延遲器，需要找到兩種熱光常數(shù)不同的材料，使對于某一確定厚度比率結(jié)合后的延遲量的殘余溫度依賴性在所要求的可見光波長范圍內(nèi)最小。兩個波片j=l、2，厚度七，雙折射率nq.-n^，組合的光程差可由下式給出:
[0024]δ ( λ，T) = δ i ( λ，Τ) 土 δ 2( λ，O = Ineu ( λ，Τ)-η0；1( λ，Τ) | 屯土 |ne，2( λ，Τ)-η0；2(
λ,Τ) Id2
[0025]“±”:表示組合晶體數(shù)目的增加或減少，式中取了雙折射率的絕對值是為了描述波片的快軸之間的對應(yīng)角度而不是光軸。所要求的無熱性質(zhì)可由下式給出:
[0026]Y 1.S1(X0) 土 2.δ 2 ( λ 0) =0
[0027]Y j是晶體的熱光常數(shù)，其中:
【權(quán)利要求】
1.一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，其特征在于:包括消色差的1/4波片、無熱的多級相位延遲器、偏振分束器；所述的無熱的多級相位延遲器包括藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體，藍(lán)寶石晶體位于靠近消色差的1/4波片的一側(cè)，MgF2晶體位于靠近偏振分束器的一側(cè)，藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體的厚度比為1: (2?3)，藍(lán)寶石晶體的快軸方向與MgF2晶體的快軸方向垂直且兩個快軸方向與水平方向的夾角均為45° ;所述的消色差1/4波片的快軸方向與水平方向垂直，偏振分束器的快軸方向與消色差的1/4波片的快軸方向平行或者垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，其特征在于:所述的消色差的1/4波片為菲涅耳菱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，其特征在于:所述的偏振分束器為Wollaston棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無運(yùn)動部件的偏振調(diào)制器，其特征在于:所述的藍(lán)寶石晶體和MgF2晶體的厚度比是1:2.4。
【文檔編號】G01J4/00GK103472593SQ201310439419
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】趙佳, 周峰, 李歡, 趙海博, 鐘曉明, 晉利兵 申請人:北京空間機(jī)電研究所