基于标准波片的偏振延迟量可调谐波片产生装置与方法

本发明涉及偏振成像或探测，特别涉及基于标准波片的偏振延迟量可调谐波片产生方法与装置。

背景技术：

1、偏振信息作为最基本的光学物理信息，可以体现其他光学参量信息无法提供的被测物体物理特征，因此其在光学成像和测量领域有着较为广泛的应用前景。目前偏振光学成像及测量技术已广泛应用于航空遥感，深海探测，军用成像及民用图像去雾等多个领域；由于偏振成像技术受环境因素干扰较小，故其可以实现在高复杂度环境下的物体特征探测和偏振图像还原。

2、斯托克斯参量是表征物体反射、折射光偏振信息的最基本物理参量，因此基于斯托克斯参量的偏振测量及成像技术一直是偏振光学应用领域的主要内容，随着科学的发展斯托克斯矢量的获取从一开始的两个逐渐变为四个。同时测量四个分量的全stokes偏振成像又分为分时型、分振幅型、分孔径型和焦平面阵列型四个技术方法，其中分时型相比其他方法结构更简单、更容易实现、探测速度也能由电机的高速旋转提升。然而，上述的斯托克斯参量偏振成像技术大多是基于单波长的探测方式，虽然该方式可以实现对物体的偏振测量及成像，但却无法获取被测目标的光谱信息，并且在太阳磁场观测等天文领域中也需要对各种特殊波长下的入射光进行偏振测量。因此结合了光谱成像技术与偏振测量技术的多光谱偏振成像克服了传统单波长偏振成像的局限性，通过测量多波长下的偏振信息使研究人员能更好的研究物体的光谱偏振特性。

3、旋转波片型作为常见的分时型系统，其主要依靠内部波片来完成相应偏振调制，而相对于传统单波长偏振成像中使用的单波长波片，多光谱条件下的旋转波片型系统则需要一个拥有一定消色差范围的波片。并且由于矩阵条件数、ewv、rad等抗噪性能指标的引入，数值优化出的最优性能旋转波片型系统需要使用延迟量为132°的非标准波片。然而，大多数的消色差波片均是1/4波或者半波延迟设计，虽然现在可根据所需特殊延迟量以及消色差范围进行相应定制，但这样的延迟器不仅昂贵、制作周期长、波长范围宅，并且消色差精度低，难以在设计范围内稳定延迟量。菲涅尔棱镜根据全反射原理也可以在很宽波段范围提供所需延迟量，但同样需要较长制作周期且在偏振成像系统会限制视场大小。朱一村等人设计出的一种350-2700nm波段的消色差补偿器(cn111948749a，一种350-2700nm波段的消色差补偿器)能在一个很宽的波段范围内尽量保持偏振延迟量，并且在整个波长范围内相位延迟精度都优于λ/300，拥有不错的消色差精度，但该补偿器只能产生90°的相位延迟，且需要六块晶体波片符合而成，制备难度大、成本高。陈力荣等人提出的一种自动补偿相位装置及其使用方法(cn112558332a，一种自动补偿相位装置及其使用方法)利用电控晶体铌酸锂的横光电效应，通过控压模块进行电压调节从而控制该晶体产生任意相位延迟量，此外该方法还适用各种特殊波长，但电控晶体易受温度影响，并且实际使用前需要进行复杂的电压与延迟量值对应校准。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了基于标准波片的偏振延迟量可调谐波片产生装置，利用易获得的标准单波长波片组合出延迟量可调谐波片，充分考虑等效过程中各变量间的函数关系，建立等效延迟量与波片自身延迟量以及波片间快轴相对夹角的等式关系，最后结合单波长波片在不同光谱条件下所表现的延迟量，利用高精度转台不断调节波片间的相对夹角得到适用于最优多光谱偏振成像系统的在各波长点下均能调谐出高精度特殊延迟量的等效延迟器，解决了高抗噪性能的多光谱系统内部组件难以获取的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、基于标准波片的偏振延迟量可调谐波片产生装置，包括第一标准波片、第一高精度旋转电机、第二标准波片、第二高精度旋转电机和控制器。所述的第一标准波片与第二标准波片作为常见的偏振相位延迟器件，入射光束会在其内部发生双折射效应，o光与e光之间产生的相位差将使出射光偏振态改变。除了自身延迟量以外，快轴方位作为波片的另一重要参数也是决定出射偏振态的关键，通过将第一标准波片与第二标准波片分别装载在与控制器相连的第一高精度旋转电机与第二高精度旋转电机上，不仅可以实现快轴初始位置的精确标定，还能实现波片转动过程的精确控制。根据光学系统等价定理，第一标准波片与第二标准波片如果按照一定的快轴夹角进行粘连，虽然能等效出任意延迟量的波片，但不再变化的相互夹角会使等效延迟量被固定。如果利用控制器实时控制第一高精度旋转电机与第二高精度旋转电机的转动，使第一标准波片与第二标准波片的快轴方位能不断被精确调节，此时将得到一个偏振延迟量可调谐的波片。这样的可调谐波片能用于生成不同波长点下的高精度任意偏振延迟量，由于第一标准波片与第二标准波片在不同入射光谱下延迟量会产生偏移，导致同一夹角下会在各个波长点等效出不同的延迟量，因此通过在相应波长下高精度调节第一标准波片与第二标准波片的快轴夹角，能使变化的等效延迟量不断被调谐到原值，从而达到了相位差不再随光谱改变的效果。

4、两个完全相同的单波长1/4波片(记为第一标准波片与第二标准波片)在工作波长下能使入射光产生90°相位延迟，但当入射波长改变会使相应延迟量发生偏移，因此设两个波片在任意入射波长下的自身相位延迟量为d，快轴初始位置分别为0°与a°(均以竖直方向为参考轴)，此时两个波片的穆勒矩阵如下：

5、

6、

7、根据两个波片在光路中的前后位置(m2在前端，m1在后端)，光路的系统矩阵为：

8、

9、系统矩阵中的m1-m9代表矩阵中对应位置处的元素，以下为各元素的具体形式：

10、m1＝cos2(2a)+sin(2a)cosd

11、m2＝cos(2a)sin(2a)-cos(2a)sin(2a)cosd

12、m3＝sin(2a)sind

13、m4＝cosd[cos(2a)sin(2a)-cos(2a)sin(2a)cosd]+sin(2a)sin2 d

14、m5＝cosd[cos2(2a)cosd+sin2(2a)]-cos(2a)sin2 d

15、m6＝-cosdsind-cos(2a)cosdsind

16、m7＝sind[cos(2a)sin(2a)-cos(2a)sin(2a)cosd]-sin(2a)cosdsind

17、m8＝sind[cos2(2a)cosd+sin2(2a)]+cos(2a)cosdsind

18、m9＝cos2 d-cos(2a)sin2 d                     (4)

19、此外，系统矩阵me还可以改写为：

20、me＝m1×r(-a)×m1×r(a) (5)

21、式(5)中r为旋转矩阵,因为波片m1的延迟量与m2相同，并且其快轴方向为0°，所以m1分别左乘以及右乘一个旋转矩阵的物理意义实际是将波片m1从初始位置开始旋转，旋转完毕后快轴方位变为a°，此时波片即为m2。r(a)的矩阵形式如下：

22、

23、旋转矩阵r还对应光学系统中偏振旋转器的穆勒矩阵，该器件具有旋光特性，可使入射偏振光的振动方向发生某个角度的旋转，因此，式(5)可看作一个包含若干波片和若干偏振旋转器的光学系统，而根据光学系统等价定理，其可以等效为包含一个波片和一个偏振旋转器的光学系统，相应数学表述为：

24、m1×m2＝mlr×r(θ) (7)

25、从式(7)中看出，两个波片等效出了一个全新的波片mlr，其延迟量为d，快轴方向与竖直方向夹角为o，具体矩阵形式与m2的穆勒矩阵相似。此外该组合方式还等效出了一个新的偏振旋转器，θ为新等效出的偏振旋转矩阵的自身旋转角。其在光路中只起旋光作用并不会影响光波分量间的延迟量。若令：

26、

27、矩阵me中的m1-m9表示矩阵对应位置处的元素：

28、m1＝cos(2θ)[cos2(2o)+sin2(2o)cos(d)]-sin(2θ)[cos(2o)sin(2o)-cos(2o)sin(2o)cos(d)]；

29、m2＝sin(2θ)[cos2(2o)+sin2(2o)cos(d)]+cos(2θ)[cos(2o)sin(2o)-cos(2o)sin(2o)cos(d)]；

30、m3＝sin(2o)sin(d)

31、m4＝cos(2θ)[cos(2o)sin(2o)-cos(2o)sin(2o)cos(d)]-sin(2θ)[sin2(2o)+cos2(2o)cos(d)]；

32、m5＝cos(2θ)[sin2(2o)+cos2(2o)cos(d)]+sin(2θ)[cos(2o)sin(2o)-cos(2o)sin(2o)cos(d)]；

33、m6＝-cos(2o)sin(d)；

34、m7＝-cos(2θ)sin(2o)sin(d)-sin(2θ)cos(2o)sin(d)；

35、m8＝cos(2θ)cos(2o)sin(d)-sin(2θ)sin(2o)sin(d)；

36、m9＝cos(d)                            (9)

37、由于光学系统等价定理中me＝me，所以两个矩阵对应位置处的元素相等，此时利用两矩阵中的元素可得系统各个变量间的关系，其中由m9与m9可得：

38、cosd＝cos2 d-cos(2a)sin2 d   (10)

39、对于等效波片的快轴方位，由m3/m6＝m3/m6可得：

40、

41、最后，因为tan(2θ)＝m2-m4/m1+m5，所以旋转矩阵r(θ)的旋转角度计算式为：

42、

43、在确定了等效过程中所有变量间的函数关系后，从式(10)可看出，两波片自身延迟量以及快轴间相对夹角与等效波片延迟量满足一定函数关系，因此当入射光谱已知后，可利用高精度电机调节相应的夹角获得所需的相位延迟，同理在不同入射波长下也可通过调谐相位延迟到固定值使等效波片拥有一定的消色差特性。然而，由于快轴间相对夹角cos(2a)≤1，所以两个1/4波片自身延迟量d并不能任意取值，以d＝132为例，此时d应满足[66°,114°]这一范围。该延迟量范围实际限制了等效波片的消色差特性，以两个532nm的石英1/4波片为例，根据入射波长与波片延迟量的函数关系可推算132°等效波片的消色差范围约为[431.8，708.9]nm，具体函数关系为：

44、

45、式中d为第一标准波片与第二标准波片自身相位延迟(角度制)，l为波片厚度，λ为入射波长(单位nm),|no-ne|为双折射材料中o光和e光在波长λ下折射率差的绝对值。综上所述，两个532nm的1/4波片能利用高精度旋转电机通过不断调节快轴相对夹角来调谐不同入射光谱下的等效延迟量，从而得到消色差范围达200nm以上的132°波片。

46、本发明的原理在于：利用光束通过波片后会产生双折射效应并在不同偏振方向引入偏振相位延迟的特性，通过将两片标准波片安装于不同的高精度旋转电机上，并利用控制器控制高精度旋转电机按照不同角度进行组合形成偏振延迟量可调谐的等效波片，最终在一定光谱范围内的任意波长点产生所需的高精度恒定延迟量，满足偏振成像或探测性能最优化对波片非标准延迟量、以及不同光谱条件下偏振成像或探测对高性能保持的要求。

47、本发明与现有技术相比有如下优点：

48、(1).相对于传统波片的1/4波或半波延迟设计，本发明专利可以生成任意非标准偏振延迟量，且延迟量可实时调谐。

49、(2).相对于传统专门定制非标准消色差波片的方法，本发明专利只需要用到常见易获得的单波长1/4波片即可实现特殊延迟量消色差的获取，有效降低了获取周期以及成本。

50、(3).本发明等效出的特殊延迟器拥有较大消色差范围，并且利用高精度旋转电机可以保证较高的消色差精度。

51、(4).本发明专利提出的偏振延迟量可调谐波片拥有较大视场，能构建性能保持最优的多光谱偏振成像系统。