专利名称：光谱偏振分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及偏振遥感测量领域，具体来说是一种光谱偏振分析仪。
技术背景 在现有光学技术中，偏振的最大潜在价值则体现在偏振遥感，其中偏振定标是一 项关键技术。偏振信息获取，在地物目标的识别和分类、大气气溶胶参数反演等领域已经开 始显现优势，但是前提是必须要有足够高的偏振度测量精度。国内研究机构前几年研制过 细分光谱偏振辐射计，采用了旋转偏振片的方式(对静止目标进行探测)解决偏振三方向 探测的问题，结合传统光谱辐射计或者光谱仪，实现偏振测量，测偏精度能达到2% ;以及之 后研制的可调谐多波段偏振CCD相机，采用3个偏振方向(0° 、60° 、120° )的原始图像得 到具有偏振信息的图像。达到的偏振测量精度在2% _5%;最近研制的多通道偏振辐射计， 常规测量方法精度在2%左右，采用新的软件算法测量精度可以稳定在1%左右，所以通过 测量目标在三个不同方向的偏振辐射，可以计算出目标的线偏振度值，特点是算法简单易 实现，但是由于影响因素较多，其测量精度一般只能达到2%左右。 在偏振遥感测量中，如何精确地将一束部分偏振光的偏振度测量出来无疑是非常 重要的，这对所有测量偏振信息的遥感仪器来说都有很重要的意义。对于部分偏振光的偏 振度的检测一种办法是通过计算得到由玻片堆的相对旋转借用一定的理论模型和计算公 式得到已知偏振度的部分偏振光，我们称之为偏振测量光源，POLS(Polarimetric Light Source)，但是由于存在玻璃材料本身和加工工艺水平等问题，还有玻璃片堆本身的定位和 转动误差的问题，给计算结果带来不可估计的误差；所以单纯依靠玻片堆旋转、通过公式计 算，不能作为最终的定标依据，这就需要研制一套相对被标定仪器更精确的偏振度检测装 置，通过该检测装置将偏振度精确地测量出来。建立一种实验室测量偏振光源的标尺，来定 标偏振光源
实用新型内容
为解决现有技术存在的问题，特提供一种光谱偏振分析仪，通过选择高消光比
(高于ioooo : i)的偏振棱镜器件，使用的主光路系统各透镜的曲率半径很大，系统焦距 很长，整个系统的主光路总长很大，以及特殊的陷阱探测器和精密电控台，配合新式的检 偏系统的算法，在实验室中正对积分球试验时，积分球出射光接近自然光，得到的结果为
0. 1% 0. 2%，教以往偏振测量仪器2%左右有了量级的提高。 本实用新型采用的技术方案 光谱偏振分析仪，包括底座、偏振棱镜、转台、测偏镜筒、光阑、标准陷阱TRAP探测 器、望远镜筒，望远镜筒后端有可视目镜，其特征在于所述的偏振棱镜、转台、测偏镜筒、标 准陷阱TRAP探测器依次从前向后安装在底座上，偏振棱镜通过外部壳体与转台固定，且偏 振棱镜、测偏镜筒、标准陷阱TRAP探测器保持同光轴，所述的光阑有若干个且安装在测偏 镜筒内；望远镜筒安装在标准陷阱TRAP探测器上方，且望远镜筒和测偏镜筒的光轴保持平
3行。 本实用新型的原理及设计思想 在我们的偏振辐射源中，出来的是部分偏振光，由于部分偏振光可以看成完全线 偏振光和自然光混合组成，V二O。利用斯托克斯矢量定义偏振度，设计测量方法为在O。
180°范围内，每隔一度测量一次，连续测量N次，并用多点值来求解偏振度
尸=
、2 ,
、2
5^cos2A +》
、乂=0 J … 这样，我们在计算偏振度时用到了N次测值，消除了偏振度定义中测最大最小值 带来的不确定性和误差，或采用传统的三个固定位置初始定位不准或转动定位不准的问 题。提高了系统信噪比和最终测值的准确性。
光谱偏振分析仪的偏振检测精度是通过以下措施保证的其一，选择高消光比
(高于ioooo : i)的偏振棱镜器件，并且必须将其放置在第一个面上，即光路系统的最前
面，这样在测偏光路系统中，经过偏振器的检偏之后，变成线偏振光，由于透镜曲率的存在， 不能保证光束在透镜各个方向的正入射，这对会对偏振测量有影响的，透镜组具有偏振效 应，会影响入射光的偏振态，这样的设计，避免了透镜组对检偏的影响。其二，在光学设计 上，主光路系统各透镜的曲率半径很大，系统焦距很长，整个系统的主光路总长很大，我们 在探测光筒内部设置了多道光阑，这样非常有效地避免了杂散光的对偏振测量的影响，这
对我们最终的偏振解析精度是相当关键的(参见图2)。其三，陷阱探测器使用三片硅光电
二极管以一定的结构进行排列，使得入射光能在其中进行多次反射与吸收以降低相当于单 片硅光电二极管表面反射率，从而大大降低硅光电二极管探测器件的表面反射率因入射角 的不同而变化和偏振敏感性引起辐射测量的不确定因素增大。该结构辐射探测器的正入射
时反射率小于千分之二，较之单片硅光电二极管(20 30% )下降了二个数量级；偏振敏 感性为0.00142% (已获得专利申请)。其四，采用精密电控转台，实现了检偏器转动角度 的较高的分辨率(0. 00125° )和重复定位精度(< 0. 005° )，当然这也加大了仪器体积 和重量，但是作为实验室用途的定标仪器这不是问题。其五，检偏系统的算法。在计算公式 中，在0 180°范围内每隔一度测量一次，用到所有的位置的测量结果参与计算最终的偏 振度，提高系统的测量占空比，进而实现对噪音的抑制，这样避免了采用最大和最小值或采 用传统的0。 、60°和120°三个位置定位不准的问题。 本实用新型的优点 本实用新型提供的一种光谱偏振分析仪，通过选择高消光比(高于10000 : 1)的 偏振棱镜器件，使用的主光路系统各透镜的曲率半径很大，系统焦距很长，整个系统的主光 路总长很大，以及特殊的陷阱探测器和精密电控台，配合新式的检偏系统的算法，在实验室 中正对积分球试验时，积分球出射光接近自然光，得到的结果为O. 1% 0.2%，教以往偏
振测量仪器2%左右有了量级的提高。
图l为系统工作示意图。[0015] 图2为检偏仪对线偏振光测量结果曲线图。
具体实施方式
参见图1 : 1为偏振器(即偏振棱镜)，通过与高精度转台连接实现高精度转动，2为测偏透镜 组，3为多道消杂光光阑，4为标准TRAP探测器，1、2、3、4共同组成测偏主光路。5为望远镜 透镜组，6为光阑，7为可视目镜，可以前后微量调节，适应不同视距要求，5、6、7组成望远镜筒。 望远镜筒中光阑6的位置(即十字叉丝位置)要求是可调的，让光阑在垂直光轴 的截面上可移动，这样当望远镜筒和测偏镜筒光轴出现微小不平行时，可以用这个光阑来 微调。这种微调只是在初始装调时用到，通过平行光管调到两个光轴很好平行后就固定好 不再动了。 偏振检测，保证正入射对于测量精度是很重要的。将检偏仪放置在偏振盒的出光 端，对着平行光管出射光(当然经过平板玻璃)，通过检偏仪目镜观察也调到叉丝物像重 合，那么这时检测仪的光轴也和偏振盒的光轴/平行光管的光轴重合了，移去平行光管就 可以测量偏振调整光源的出射偏振度了。仪器完成以后，我们可以用完全非偏振光如自然 光或完全线偏振光来读出仪器的测值，与光源的偏振度做对比，检查仪器的测偏精度。 本检偏仪使用的检偏器为Glan-Tayor (汉语名称是格兰_泰勒)棱镜，它的起偏 角度有限制，为±5°度以内，我们使用时积分球出来的光线进入起偏器角度超过这个范 围，成为杂散光，在实验室中正对大积分球试验时，在棱镜起偏器前增加一些简易限制视 场的光栏情况下得到的最好结果为98. 5%。下一步，还要跟POLS/(Polarimetric Light Source)偏振测量光源做对照实验，验证公式计算的偏振度结果。 在积分球出光孔前加偏振片，测量曲线符合马吕斯定律，在O。 180°范围很好 符合余弦曲线，在最小值时，接近仪器本底测值，参见图2。
权利要求光谱偏振分析仪，包括底座、偏振棱镜、转台、测偏镜筒、光阑、标准陷阱TRAP探测器、望远镜筒，望远镜筒后端有可视目镜，其特征在于所述的偏振棱镜、转台、测偏镜筒、标准陷阱TRAP探测器依次从前向后安装在底座上，偏振棱镜通过外部壳体与转台固定，且偏振棱镜、测偏镜筒、标准陷阱TRAP探测器保持同光轴，所述的光阑有若干个且安装在测偏镜筒内；望远镜筒安装在标准陷阱TRAP探测器上方，且望远镜筒和测偏镜筒的光轴保持平行。
专利摘要本实用新型公开了一种光谱偏振分析仪，包括底座、偏振棱镜、偏振器、高精度转台、测偏镜筒、光阑、标准陷阱(TRAP)探测器、望远镜筒、可视目镜所述的偏振棱镜、高精度转台、测偏镜筒、标准陷阱(TRAP)探测器依次从前向后安装在底座上，偏振器安装在高精度转台上，且偏振器、测偏镜筒、标准陷阱(TRAP)探测器保持同光轴，所述的光阑有若干个且安装在测偏镜筒内；望远镜筒、可视目镜安装在标准陷阱(TRAP)探测器上方，可视目镜安装在望远镜筒端部，且望远镜筒和测偏镜筒的光轴保持平行。本实用新型较以往偏振测量仪器的偏振检测精度2％左右有了量级的提高。
文档编号G01J4/04GK201514279SQ20092018761
公开日2010年6月23日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者孟凡刚, 袁银麟, 郑小兵, 陈立刚, 龚平 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所