一种无运动部件的偏振调制器的制造方法
【专利摘要】一种无运动部件的偏振调制器，包括消色差的1/4波片、无热的多级相位延迟器、偏振分束器。无热的多级相位延迟器包括蓝宝石晶体和MgF2晶体，蓝宝石晶体位于靠近消色差的1/4波片的一侧，蓝宝石晶体和MgF2晶体的厚度比为1:（2～3），蓝宝石晶体的快轴方向与MgF2晶体的快轴方向垂直且两个快轴方向与水平方向的夹角均为45°。消色差1/4波片的快轴方向与水平方向垂直，偏振分束器的快轴方向与消色差的1/4波片的快轴方向平行或者垂直。利用本发明偏振调制器，可以在探测器上得到振幅随着线偏振度变化、相位随着线偏振角变化的正弦曲线。本发明调制器具有体积小、重量轻、没有运动部件、解调算法简单以及解调精度高等优点。
【专利说明】一种无运动部件的偏振调制器
【技术领域】
[0001]本发明属于航天光学遥感【技术领域】，涉及一种用于目标偏振信息获取的偏振调制器，特别适合于对行星大气中的云及气溶胶等粒子进行探测。
【背景技术】
[0002]气象、大气环境监测、海洋、航空航天以及军事等部门的应用需求，推动了卫星大气遥感技术的进步。光学偏振遥感技术是光学遥感技术与偏振测量技术结合的产物。由于偏振测量的高精度特点，使得偏振遥感系统能够成为卫星大气遥感的新技术手段。
[0003]我国民用卫星已经形成了气象、资源与海洋三大卫星系列，和环境小卫星星座结合在一起，已经初步构成了我国民用卫星应用体系。对于这些资源、环境和海洋卫星的遥感需求，急需获得比较精确的大气参数，如气溶胶和云状况，用来进行精确的大气校正以大幅度提高其应用价值。而且气溶胶和云对辐射影响的不确定性是当前研究全球变化和气候变化的主要限制因素之一，气溶胶、云和地表反射率是影响地表能量辐射平衡的重要因素。此夕卜，云相态是影响运载火箭飞行、导弹飞行及飞机飞行安全的重要因素。因此掌握全球大气气溶胶和云分布状况对航空、军事和空间科学研究工作是至关重要的。
[0004]探测大气中云及气溶胶最有效的手段就是偏振探测，目前已有POLDER、APS等多颗星载多角度偏振光谱仪研制成功。对这些载荷研究不难发现，其运用的偏振调制方式主要有两种，即时间调制和空间调制。
[0005]POLDER采用了时间调制的方式，时间调制通过旋转波片和滤光片转轮来获取偏振信息和光谱信息。这种方式的优点是:调制原理简单。缺点是:波片只针对某一特定波长，因此探测多波长就要增加多路元件，系统的体积笨重；而且系统中有运动部件，抗振性、稳定性、可靠性较差；一次只能测量一个偏振态，需要转动波片多次测量才能获得所需要的偏振信息，所以不能实时测量。
[0006]APS采用了空间调制的方式，空间调制通过偏振分束器将入射光分为多束，每束光分别通过波片等偏振元件调制后获得所需的偏振态。空间调制的优点是:无机械转动可实时测量全Stocks参量1、Q、U、V。缺点是:光路调节非常困难，很难保证光束通过系统偏振态不改变；而且需要多个CCD (—般四个)同时测量，很难保证均一性和同步性；另外对多波长探测需滤光片(增加光路数或牺牲实时性)，获得的数据精度并不够高，系统很笨重。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种体积小、重量轻、无运动部件、调制简单、解调精度高并且能够同时获得光谱信息和偏振信息的偏振调制器件。
[0008]本发明的技术解决方案是:一种无运动部件的偏振调制器，包括消色差的1/4波片、无热的多级相位延迟器、偏振分束器；所述的无热的多级相位延迟器包括蓝宝石晶体和MgF2晶体，蓝宝石晶体位于靠近消色差的1/4波片的一侧，MgF2晶体位于靠近偏振分束器的一侧，蓝宝石晶体和MgF2晶体的厚度比为1: (2?3)，蓝宝石晶体的快轴方向与MgF2晶体的快轴方向垂直且两个快轴方向与水平方向的夹角均为45° ;所述的消色差1/4波片的快轴方向与水平方向垂直，偏振分束器的快轴方向与消色差的1/4波片的快轴方向平行或者垂直。
[0009]所述的消色差的1/4波片为菲涅耳菱体。所述的偏振分束器为Wollaston棱镜。所述的蓝宝石晶体和MgF2晶体的厚度比是1:2.4。
[0010]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0011](I)本发明的偏振调制器对入射光进行光谱调制后，在探测器上能够得到振幅随着线偏振度变化而相位随着线偏振角变化的正弦曲线，经过解调之后能够直接得到目标的光谱信息和偏振信息；
[0012](2)本发明的偏振调制器与现有的基于分光路及分振幅方式的空间调制偏振测量方式相比，具有体积小、重量轻的优点；
[0013](3)本发明的偏振调制器与现有的基于旋转偏振片以及电光调制的时间调制偏振测量方式相比，具有实时性好、无运动部件、稳定性好等优点；
[0014](4)本发明的偏振调制方式由于经算法解调可直接得到所需的线偏振度和线偏振角，而不是像空间调制偏振测量那样测得Stocks四个参量1、Q、U、V后再计算偏振度以及偏振角，所以光谱调制的解调方法简单、解调精度高、运算速度快；
[0015](5)本发明的偏振调制器通过光谱调制把随着波长变化的偏振信息编码在了光谱维，降低了时间(例如用旋转滤光片及偏振片获得不同偏振角信息时，不同时间测量时目标的偏振信息可能会发生改变)或空间(如分振幅的空间调制，不同光路的光学元件透过率不一致，影响结果的精度)的不一致性对测量结果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明偏振调制器的组成原理框图；
[0017]图2为本发明偏振调制器的组成元件快轴方向示意图；
[0018]图3为采用本发明光谱调制后得到的归一化的S、P分量的强度图；
[0019]图4为采用本发明光谱调制后得到的模拟偏振信号的真实偏振度和偏振角图像。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明用于光谱调制的调制器主要由消色差的1/4波片、无热的多级相位延迟器以及偏振分束器组成。
[0021]消色差的1/4波片选用了菲涅耳菱体，基于全内反射原理的菲涅耳菱体其相位延迟量仅与折射率有关，其快轴方向与水平方向垂直。除此之外，消色差的1/4波片还可以选用菲涅耳菱体、穆尼菱体、AD-1型消色差相位延迟器、AD-2型消色差相位延迟器、菱体相位延迟器、长方体型相位延迟器、梯形相位延迟器等。具体可参考李国良，宋连科，范开敏.高精度菱体型消色差延迟器的优化设计[J].激光技术，2011，35 (2)或者李国良.高性能消色差延迟器的优化设计[DL 2007。
[0022]无热的多级相位延迟器由蓝宝石和MgF2晶体组成，两块晶体的快轴方向与1/4波片的快轴方向分别成±45°排列。1/4波片的快轴方向与偏振片的透光轴方向平行，可以为O。或90°。由于波片的相位延迟量受温度的影响很大，尤其是多级波片，所以两种晶体要选择合适的厚度比以消除总的相位延迟量对温度的依赖性。这里所述的蓝宝石和MgF2的厚度比是1: (2~3)。
[0023]为了设计无热化的多级相位延迟器，需要找到两种热光常数不同的材料，使对于某一确定厚度比率结合后的延迟量的残余温度依赖性在所要求的可见光波长范围内最小。两个波片j=l、2，厚度七，双折射率nq.-n^，组合的光程差可由下式给出:
[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]“±”:表示组合晶体数目的增加或减少，式中取了双折射率的绝对值是为了描述波片的快轴之间的对应角度而不是光轴。所要求的无热性质可由下式给出:
[0026]Y 1.S1(X0) 土 2.δ 2 ( λ 0) =0
[0027]Y j是晶体的热光常数，其中:
【权利要求】
1.一种无运动部件的偏振调制器，其特征在于:包括消色差的1/4波片、无热的多级相位延迟器、偏振分束器；所述的无热的多级相位延迟器包括蓝宝石晶体和MgF2晶体，蓝宝石晶体位于靠近消色差的1/4波片的一侧，MgF2晶体位于靠近偏振分束器的一侧，蓝宝石晶体和MgF2晶体的厚度比为1: (2?3)，蓝宝石晶体的快轴方向与MgF2晶体的快轴方向垂直且两个快轴方向与水平方向的夹角均为45° ;所述的消色差1/4波片的快轴方向与水平方向垂直，偏振分束器的快轴方向与消色差的1/4波片的快轴方向平行或者垂直。
2.根据权利要求1所述的一种无运动部件的偏振调制器，其特征在于:所述的消色差的1/4波片为菲涅耳菱体。
3.根据权利要求1所述的一种无运动部件的偏振调制器，其特征在于:所述的偏振分束器为Wollaston棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种无运动部件的偏振调制器，其特征在于:所述的蓝宝石晶体和MgF2晶体的厚度比是1:2.4。
【文档编号】G01J4/00GK103472593SQ201310439419
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】赵佳, 周峰, 李欢, 赵海博, 钟晓明, 晋利兵 申请人:北京空间机电研究所