光學(xué)元件殘余偏振測量方法與裝置

王 雷，許榮國，陰萬宏，姜昌錄，康登魁，王生云

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

近10年來，隨著自由空間激光通信技術(shù)、空間偏振遙感探測、偏振制導(dǎo)、偏振成像等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，偏振光探測技術(shù)以及光的偏振特性研究受到越來越多的關(guān)注[1-6]。

偏振測量技術(shù)是指通過測量偏振光偏振態(tài)的變化，獲得介質(zhì)特性的一種技術(shù)。近年來，偏振探測成像技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于衛(wèi)星遙感探測、大氣探測、軍事目標(biāo)識別、水下探測、天文探測以及醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域。如在衛(wèi)星偏振遙測研究中，地球表面的反射會造成光的偏振，偏振光的偏振特性與物質(zhì)表面的折射率、粗糙度以及導(dǎo)電性等因素有關(guān)，利用這些偏振信息可以對地面物體的物理和化學(xué)特性進行分析，可大大提高目標(biāo)探測和地物識別的準(zhǔn)確度。偏振遙測是其他探測手段無法替代的新型對地探測技術(shù)。在軍事領(lǐng)域，由于人造目標(biāo)（玻璃、瓷片、金屬、漆、塑料）一般具有較光滑表面，因而其輻射或是反射光中的線偏振光成分較強，偏振度通常會高于40%，而目標(biāo)所處的背景(如泥土、植被)相對粗糙，其輻射或反射光偏振度相對較低，不到10%。人工目標(biāo)的散射、反射光多為左旋橢圓偏振光，而自然目標(biāo)多為右旋橢圓偏振光[7-11]。因此，基于偏振光進行目標(biāo)識別能夠很好地從自然目標(biāo)中區(qū)分出人工目標(biāo)，在軍事領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

組成光學(xué)系統(tǒng)的透鏡、反射鏡、平面鏡等光學(xué)元件在一定程度上會引起入射光偏振態(tài)的改變，該偏振被稱為光學(xué)鏡頭的殘余偏振。殘余偏振與入射光進入光學(xué)鏡頭的入射角以及入射光的工作波長、加工和裝調(diào)引入的光學(xué)材料應(yīng)力雙折射等多種因素有關(guān)。特別是由于光學(xué)鏡頭的殘余偏振隨入射光入射角的增加而增加，對于偏振遙測中大角度入射光學(xué)系統(tǒng)中的短焦距鏡頭、激光干涉系統(tǒng)中的準(zhǔn)直光學(xué)鏡頭，殘余偏振的存在不但會影響偏振探測和測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時還會影響系統(tǒng)的分辨率。因此隨著偏振測量技術(shù)研究的不斷深入，急需對光學(xué)鏡頭的殘余偏振特性進行準(zhǔn)確測量[11-15]。

1 光學(xué)鏡頭殘余偏振測量儀校準(zhǔn)裝置原理

1.1 基于斯托克斯參量的偏振度計算方法

偏振度定義為偏振光強占總光強的比例。該

參數(shù)與光學(xué)設(shè)計相關(guān)，通?？梢杂盟雇锌怂箙?shù)來具體分析。為此，采用CODE V 中斯托克斯參數(shù)的定義對殘余偏振度進行分析計算，光學(xué)鏡頭殘余偏振度DOP定義為

式中S0、S1、S2、S3滿足：

式中：S0為入射光總強度；S1為水平方向與垂直方向上的線偏振光的強度差；S2為+45°方向與-45°方向上的線偏振光的強度差；S3為左旋偏振光與右旋偏振光的強度差。

由（1）式～（2）式可見，只要分別測量在0°、45°、90°、135°振動方向以及左旋圓偏振光、右旋圓偏振光透過被測光學(xué)鏡頭后的光信號，就可獲得4 個斯托克斯參數(shù)，從而能夠計算得到光學(xué)鏡頭的殘余偏振度。

1.2 光學(xué)鏡頭殘余偏振度測量裝置構(gòu)成

光學(xué)鏡頭殘余偏振度測量裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由偏振光源系統(tǒng)、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、偏振測量組件以及相關(guān)控制系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng)等組成，其基本原理如圖1所示。

圖1 光學(xué)鏡頭殘余偏振度測量裝置原理Fig.1 Schematic diagram of optical lens residual polarization degree measurement system

積分球光源發(fā)出的無偏振光經(jīng)過聚焦透鏡會聚，再經(jīng)過偏振器和1/4 波片后被調(diào)整成0°、45°、90°、135°的線偏振光以及左旋和右旋圓偏振光，通過嚴(yán)格控制會聚光束的會聚角度，確保經(jīng)過偏振器和1/4 波片后的光保留良好的偏振特性。線偏振光和圓偏振光經(jīng)過離軸拋物面反射鏡反射后變?yōu)闇?zhǔn)直光。通過光學(xué)設(shè)計和金屬膜偏振反射理論計算，嚴(yán)格控制到達離軸拋物面反射鏡的偏振光的入射角，確保離軸拋物面反射鏡不改變偏振光的偏振特性，即該準(zhǔn)直系統(tǒng)輸出偏振度很高的偏振光，偏振光的偏振方向和偏振度由偏振器和1/4 波片等器件決定。因此，通過積分球光源、偏振器件以及離軸拋物面反射鏡提供各個方向都十分均勻的偏振光。由于殘余偏振的存在，偏振光經(jīng)過被測光學(xué)鏡頭聚焦后偏振度以及偏振態(tài)都會發(fā)生改變，則0°與90°偏振方向的線偏振光，45°與135°偏振方向的線偏振光以及左旋和右旋圓偏振光之間的信號大小就會發(fā)生變化。利用偏振測量組件對經(jīng)過透鏡聚焦后的偏振光強度進行測量可獲得4 個斯托克斯參數(shù)，依據(jù)（2）式就可計算得出被測光學(xué)鏡頭的殘余偏振度。

1.2.1 光源模塊

偏振光源系統(tǒng)包括積分球光源、偏振器、1/4波片、濾光片。積分球光源的作用是提供照明，同時消除由于普通光源照明帶來的偏振效應(yīng)，產(chǎn)生空間均勻性較好的漫射光，均勻性達到98%。積分球出口照度均勻性如圖2所示。

圖2 積分球照度均勻性Fig.2 Uniformity of integrating sphere illuminance

積分球發(fā)出的均勻無偏振光經(jīng)過聚焦光學(xué)元件后聚焦到濾光片上，由于光學(xué)鏡頭的偏振特性與波長有關(guān)，因此將在0.4 μm～1.1 μm 波長范圍內(nèi)選取一組典型波長，實現(xiàn)不同波長條件下光學(xué)鏡頭殘余偏振度測量。

采用濾光片提供不同波長的單色光，濾光片固定在濾光片輪上，通過旋轉(zhuǎn)將待測波長的濾光片旋入光路，濾光片輪的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 濾光片輪基本結(jié)構(gòu)(雙輪12 孔)Fig.3 Structure of filter wheel(double wheels with 12 holes)

圖3 中單位為mm。起偏棱鏡的作用是提供0°、45°、90°和135°的線偏振光，擬選用晶體材料制作的偏振棱鏡作為偏振器，偏振器的消光比是影響測量結(jié)果的一個重要指標(biāo)，經(jīng)過偏振棱鏡后線偏振光的消光比優(yōu)于1×10-5。將起偏棱鏡固定在電動旋轉(zhuǎn)平臺上，可以繞光軸實現(xiàn)360°自由旋轉(zhuǎn)，可提供任意方向的高偏振度的線偏振光。

1/4 波片的作用是將線偏振光變?yōu)樽笮龍A偏振光和右旋圓偏振光。為了滿足0.4 μm～1.1 μm 波段范圍內(nèi)測試需求，使用消色差1/4 波片（共使用2 個），工作波長范圍覆蓋整個測試范圍，1/4 波片安裝在手動轉(zhuǎn)輪上(單輪6 孔)實現(xiàn)切換。

由積分球光源、偏振器、1/4 波片、濾光片組成的光源模塊可以提供0.4 μm～1.1 μm 任意波長、高偏振度的線偏振光和圓偏振光。

1.2.2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的作用是提供大口徑平行光，以滿足大口徑光學(xué)鏡頭偏振度測量要求。采用反射式光學(xué)系統(tǒng)制作低偏振準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，利用反射式離軸拋物面反射鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)元件。通過精確的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及計算，選擇性能優(yōu)良的光學(xué)材料，研制出口徑為160 mm 的低偏振準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的殘余偏振優(yōu)于0.2%，可滿足光學(xué)鏡頭偏振度和偏振態(tài)準(zhǔn)確測量和校準(zhǔn)要求。

1.2.3 探測系統(tǒng)

采用日本HAMAMATSU 公司的S1337-1010BQ硅光電二極管作為探測器，硅光電二極管的光敏面尺寸為10 mm×10 mm，光譜響應(yīng)范圍為190 nm～1 100 nm，硅光電二極管相對光譜響應(yīng)如圖4所示，面響應(yīng)均勻性如圖5所示。

圖4 硅光電二極管相對光譜響應(yīng)Fig.4 Relative spectral response of silicon photodiode

圖5 硅光電二極管面響應(yīng)均勻性Fig.5 Response uniformity of silicon photodiode

1.2.4 信號處理系統(tǒng)

為了滿足信號探測穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%，動態(tài)范圍大于106量級的要求，采用直流多級放大技術(shù)。對于光電二極管輸出的電流信號，將使用運算放大器的電流-電壓變換電路，如圖6所示。

圖6 線性放大電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of linear amplification circuit

2 光學(xué)鏡頭殘余偏振測量裝置自校準(zhǔn)原理

為了驗證光學(xué)鏡頭殘余偏振測量裝置測量準(zhǔn)確性，需要對測量裝置進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)原理如圖7所示。

圖7 偏振特性校準(zhǔn)裝置自校原理Fig.7 Schematic diagram of self calibration of polarization property calibration device

通過理論計算可知，當(dāng)入射光與入射界面的夾角較小時偏振光的偏振度變化很小，因此將設(shè)計平面反射鏡和球面反射鏡對系統(tǒng)的偏振特性進行自校準(zhǔn)。

將平面反射鏡或球面反射鏡放入被測光路中，保證入射光與平面反射鏡或球面反射鏡夾角小于5°。由于在一定入射角條件下，反射光學(xué)元件幾乎不改變偏振光源的偏振特性，因此當(dāng)整套系統(tǒng)測量到的偏振度與未放置校準(zhǔn)用反射鏡時偏振度的差小于0.2%，且偏振方位角和橢偏率與未放置校準(zhǔn)用反射鏡時各參數(shù)的偏差小于0.002 時，表明偏振特性測量儀校準(zhǔn)裝置通過自檢，即系統(tǒng)實現(xiàn)了自校準(zhǔn)。

3 殘余偏振測量裝置測量結(jié)果

為了準(zhǔn)確測量光學(xué)鏡頭的殘余偏振，必須將系統(tǒng)的殘余偏振降低到最小。對準(zhǔn)直反射鏡在不同口徑、不同波長下的偏振度進行測量，由于準(zhǔn)直反射鏡的殘余偏振較小，因此其偏振度接近為0，實際測量結(jié)果如表1所示。

表1 準(zhǔn)直反射鏡在不同口徑、不同波長下偏振度測量結(jié)果Table 1 Polarization degree measurement results of collimating mirror under different apertures and different wavelengths %

對偏振棱鏡的偏振度進行測量，由于偏振棱鏡的消光比可達到1×10-5，因此透射偏振棱鏡的偏振光的偏振度應(yīng)該為100%，偏振棱鏡的測量結(jié)果如表2所示。

表2 偏振棱鏡在不同口徑、不同波長下的偏振度測量結(jié)果Table 2 Polarization degree measurement results of polarizing prism under different apertures and different wavelengths %

對口徑為50 mm、相同材料、不同焦距的聚焦透鏡的偏振度進行測量，測量結(jié)果如表3所示。

表3 透射鏡在不同焦距、不同波長下偏振度測量結(jié)果（Φ50 mm）Table 3 Polarization degree measurement results of transmission mirror under different focal lengths and different wavelengths(Φ50 mm)%

4 測量結(jié)果分析

由測量原理可知，影響系統(tǒng)偏振特性測量結(jié)果的不確定度源主要有：

1）測量重復(fù)性引入的測量不確定度；

2）離軸拋物面鏡殘余偏振引入的測量不確定度；

3）波片相位延遲不準(zhǔn)確引入的測量不確定度；

4）探測系統(tǒng)的線性及均勻性引入的測量不確定度。

偏振度重復(fù)性引入的不確定度由10 次測量結(jié)果的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差確定。在實驗過程中，我們獲得了10 次重復(fù)測量條件下殘余偏振的測量結(jié)果，分別為0.188 8、0.187 7、0.186 7、0.187 6、0.186 7、0.187 7、0.186 9、0.186 3、0.187 5、0.187 4。

測量的偏振度平均值為

引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

離軸拋物面鏡殘余偏振度優(yōu)于0.2%，按照均勻分布進行計算，則由此引入的偏振度不確定度為

波片的殘余偏振小于0.1%，按照均勻分布進行計算，則由此引入的偏振度不確定度為

探測系統(tǒng)線性及均勻性優(yōu)于0.5%，計算得到的偏振度最大誤差值為0.25%，按照均勻分布計算，則由標(biāo)準(zhǔn)光功率計的線性和均勻性引入的偏振度不確定度為

各分量彼此獨立，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取95%的包含概率，k=2，則擴展不確定度為

U=2uc(DOP)=2×0.002 3=0.005

5 結(jié)論

設(shè)計了一種光學(xué)鏡頭殘余偏振度測量裝置，實驗結(jié)果表明，該裝置測量波長范圍為0.45 μm～1.1 μm，可對口徑小于160 mm 的各類光學(xué)鏡頭的殘余偏振進行測量，系統(tǒng)殘余偏振度小于0.2%。通過對偏振棱鏡和光學(xué)鏡頭殘余偏振度的測量，表明該裝置測量不確定度可達到U=0.5%（k=2）。對光學(xué)鏡頭殘余偏振的準(zhǔn)確測量可改善偏振測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，改善成像系統(tǒng)的偏振像差，在衛(wèi)星遙感探測、大氣探測、軍事目標(biāo)識別、水下探測、天文探測以及醫(yī)學(xué)診斷等偏振探測和成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。