利用傅里叶分析法测量光相位延迟器延迟量

为了精确测量光相位器的延迟量,提出了一种新的测量方法,并利用米勒矩阵理论分析了影响测量结果的因素。测量系统主要由起偏棱镜、标准四分之一波片、检偏棱镜、锁相放大器和微处理器构成。该方法利用最小二乘算法得到了最优傅里叶系数,利用锁相放大器的窄带滤波作用提高了信噪比,利用反馈环控制系统对步进电机的步进角进行了控制。误差分析表明这一方法的绝对误差小于0.29°,对四分之一石英波片相位延迟量进行了实验测试,结果表明其重复测量误差小于0.40°。     

基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法

提出了一种基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法,利用米勒矩阵对其进行了理论推导和误差分析。测量光路包括激光器、起偏器、光弹调制器、被测波片、检偏器和光电探测器,利用探测信号的归一化基频分量和二次谐波分量精确计算出被测波片的相位延迟量。该方法能测量紫外到红外光谱范围内任意相位延迟量的波片,误差分析表明其误差小于0.05°。实验验证了该测量方法的有效性,波片相位延迟量的重复测量精度为0.0048°。     

基于单光弹调制器的米勒矩阵测量技术

针对已有米勒矩阵测量方法的不足,提出了一种基于单光弹调制器的米勒矩阵测量技术,给出了米勒矩阵测量优化算法及系统参数两步校准法。该技术通过两步校准法对系统参数进行校准测量,利用优化算法计算得到待测样品的米勒矩阵。实验结果表明,待测1/4波片相位延迟量测量值为90.4185°,误差在标称偏差λ/300以内,快轴方位角测量值为0.2348°,误差在最大旋转误差0.4°以内。同快轴方位角为0°的1/4波片标准米勒矩阵相比,待测1/4波片米勒矩阵各元素最大相对误差的直接测量值和间接测量值分别为1.97%和0.83%,均小于最大相对误差的模拟仿真值2.11%。通过提高旋转台的读数精度和减小相位延迟量的标称偏差,可以进一步减小米勒矩阵各元素的最大相对误差。     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

平面反射元件的安装误差对光学成像质量的影响

在折转光路中,由于安装误差,平面反射元件会存在三维方向的微偏角.根据棱镜调整理论,分析了由于平面反射元件的安装误差所导致的光束转向、光轴偏离系统光轴的情况,并推导出相应的精确表达式.讨论了光轴偏离后,光斑在靶面上的漂移情况.给出了一种用于修正平面反射元件在光学安装中存在轴向偏转的调整方法,并通过实验验证了该方法的可行性...     

样品校准法在单波长椭偏仪中的应用

椭偏仪是薄膜测量的重要工具。从模拟和实验两方面,描述一种新颖的单波长椭偏仪的校准方法。该方法的基本思路是:如果被测样品的相关信息(折射率n,吸收系数k,厚度d)已知,则可以通过测量光强变化的傅里叶系数,采用最小二乘法原理反演出此时椭偏系统的信息(即校准参数,包括起偏器方位角P,检偏器方位角A,波片起始旋转角Cs,波片位相延迟δ,系统入射角θ0)。利用校准得到的系统参数和测量未知样品得到的光强傅里叶系数,求得未知样品的厚度。该方法具有操作简单、节约成本等优点。分别针对2～6个样品尝试了校准,对该校准方法做了模拟分析。将该方法用于实际测量,考证校准后的测量效果,并做了误差分析,最大误差为0.26nm。     

一种提高1/4波片相移量测量精度的方法

提出了一种新颖的，在已知四分之一波片快轴方向的情况下，利用两个偏振片和一个三棱镜来提高波片相位延迟角测量精度的简便方法，给出了对该方法的理论分析与不确定度公式，并给出了应用实例.此方法的主要优点是可以提高测量精度，并且操作简单，容易实现.     

基于椭偏光谱仪的石英波片光轴方位探测

波片的光轴方向是波片应用中最重要的参数之一。在椭偏光谱仪透射模式下,利用琼斯矩阵对波片旋转过程中P和S两方向上位相的变化进行分析,设计了一种判断石英波片光轴方向的新方法。应用此方法判断光轴方向,具有光路结构简单,检测速度快的特点,且具有很好的实用性。     

波片相位延迟量精密测量新方法

利用旋转波片的偏振干涉技术，结合机械－光学旋光调制器对光相位的调制，通过判断方波信号的有无，可精密地确定被测定片相位延迟的数值，机械－光学旋光调制器的使用，大大简化被测样品和测试装置中四分之一波片光轴方位的调整，也显著地提高了装置测量的灵敏度和波长测量范围，对环境不作特殊控制，依据本方法建立的测试装置的相对测量误差可小于千分之五。     

利用多个标准样品校准光谱椭圆偏振仪

光谱椭偏仪是常用的测量薄膜厚度及材料光学性质的仪器,其准确性主要由系统的校准过程确定。提出一种新的利用标准样品校准光谱椭偏仪的方法。该方法通过对多个已知厚度和已知材料特性的薄膜样品进行测量,利用测量得到的多个样品的傅里叶系数光谱与包含未知校准参数的理论光谱之间进行对比,通过最小二乘法拟合,回归求解出整个系统的未知校准参数,包括偏振器方位角,波片延迟,波片方位角和系统入射角等。将该方法的应用领域扩展到200~1000nm的宽光谱区域,并通过测量3~13nm的SiO2/Si薄膜样品,实验验证了该方法的有效性,准确性达到0.194nm。该方法相对于传统校准方法更加简单、快速。     

长程差分吸收光谱技术气体浓度反演误差的定量估计

长程差分吸收光谱法(LP-DOAS)是基于最小二乘原理来反演大气痕量气体浓度的。LP-DOAS能对痕量气体进行高灵敏的测量,但是还没有统计的方法定量确定LP-DOAS反演误差。痕量气体的吸收通常很弱,外来影响因素决定了检测限和测量精度,其被误当做真正的吸收,增加了没有统计特性的噪声到残差中,导致最小二乘拟合误差(err(LSQ))有一个明显的误估计。研究采用蒙特卡罗方法,通过残差的循环移位定量确定差分吸收光谱法反演气体浓度的误差。实验结果表明,蒙特卡罗方法可以定量估计差分吸收光谱法反演误差,误估计因子为1.13,而err(LSQ)为3.12。     

星载InSAR基线矢量方位动态测量方法研究

 星载InSAR干涉基线矢量方位角的测量精度对整个系统的测绘精度有着十分重要的影响。针对星载InSAR测量系统对其干涉基线矢量方位角的测量要求,给出了一种基于图像处理的CCD摄像测量方法。利用CCD摄像测量法对主副天线在平面内的相对位移进行了精确测量。分析了系统的理论误差,构建了完整的实验系统,并对光学靶标的固定步长位移进行验证性实验测量,实验结果与理论分析值具有较好的一致性,测量系统的测量精度优于1σ,证明了该测量方法具有很好的可行性。     

大视场多CCD拼接相机标定方法研究

介绍了一种多CCD拼接弹道相机的标定方法和步骤,以及标定系统的原理及组成。对相机的光学畸变和大视场拼接物像几何投影关系进行了分析,建立了相机数学模型,并采用最小二乘多元回归分析方法,通过测量相机的内方位元素计算畸变系数,确定了最佳条件下相机数学模型中的各个参数。实验表明利用该方法标定出相机精度方位角测角误差小于10″,高低角测角误差小于15″。     

Theory and analysis of phase sensitivity-tunable optical sensor based on total internal reflection

This study presents a theory of a phase sensitivity-tunable optical sensor based on total-internal reflection (TIR). This investigation attempts to design a phase sensitivity-tunable optical sensor consisting of an isosceles right-angle prism, some quarter- and half-wave plates, and a Mach-Zehnder interferometer. When the azimuth angles of the quarter-wave plates are chosen properly, the final phase difference of the two interference signals are associated with the azimuth angle of the fast axis of the half-wave plates, thus creating the controllable phase sensitivity. Numerical analysis demonstrates that the high phase measuring sensitivity and the small measuring range, and the low phase measuring sensitivity and the wide measuring range can be performed by selecting the suitable azimuth angle of the half-wave plates. The feasibility of the measuring method was demonstrated by the experiment results. The sensor could be applied in various fields, such as chemical, biological, biochemical sensing, and precision machinery measurement.     

基于旋转波片的斯托克斯参量检测与精度分析

用于偏振光学遥感器定标的参考光源,其偏振态的检测精度会直接影响偏振光学遥感器的定标精度,进而影响目标特性的反演水平。选用870 nm波段的水平线偏振光作为被测试的定标参考光源,通过旋转1/4波片(quarter-wave plate, QWP)对其光强进行调制。调制光强可表达为波片快轴旋转角度的傅里叶级数,采用傅里叶变换法反演出级数的系数,根据该系数即可计算出被测试光源的Stokes参量。给出10次测量各参量及偏振度的平均值、标准偏差、合成不确定度以及测量平均值与理论值的相对偏差。为提高测试精度,通过对波片快轴初始定位角度偏差Δα、延迟量偏差Δδ与检偏器透光轴角度偏差Δβ进行分析,提出了偏差修正模型。该模型通过Stokes参量检测偏差随Δδ和Δβ的变化趋势及实际偏差值,确定Δδ和Δβ的大小。结合模拟出的波片快轴初始定位角度偏差Δα,对实验装置加以调整,再次对光源的偏振态进行检测。结果表明,基于该修正模型测得光源的各Stokes参量与理论值最大偏差从未经修正的3.77%降低至1.41%。证实了基于本实验的原理、装置、测量方法及所提出的偏差修正模型可有效提高定标参考光源偏振态检测的精度。     

Error analysis and Stokes parameter measurement of rotating quarter-wave plate polarimeter

In this paper, we present a simple Stokes parameter measurement method for a rotating quarter-wave plate polarimeter.This method is used to construct a model to describe the principle of how the magnitudes of errors influence the deviation of the output light Stokes parameter, on the basis of accuracy analysis of the retardance error of the quarter-wave plate,the misalignment of the analyzing polarizer, and the phase shift of the measured signals, which will help us to determine the magnitudes of these errors and then to acquire the correct results of Stokes parameters. The method is validated by the experiments on left-handed circularly polarized and linear horizontal polarization beams. With the improved method, the maximum measurement deviations of Stokes parameters for these two different polarized states are reduced from 2.72%to 2.68%, and from 3.83% to 1.06% respectively. Our results demonstrate that the proposed method can be used as a promising approach to Stokes parameter measurement for a rotating quarter-wave plate polarimeter.     

四区域法消除偏振棱镜缺陷对波片相位延迟测量的影响

在起偏器-待测波片-检偏器系统基础卜提出一种四区域测量波片相位延迟量的方法.调整待测波片和检偏器的方位角,获得相应的四组光强值,通过线性运算得到待测波片的相位延迟量,完全消除了起偏器和检偏器不完全消光带来的误差.由于测量系统中不存在标准波片或其他相位调制元件,允许测量波长仅受偏振棱镜和探测器的限制,因此四区域法可适用于很大波长范围内的波片测量.以λ/4波片为例,理论分析了测量系统利用四区域测量法后的仪器误差为σφ≤士3.49065×10-3rad(约0.2°),精度比原算法提高约1个数量级.实验验证了四区域法能有效提高系统精度.     

Photoelastic stress pattern analysis using Fourier transform with carrier fringes: influence of quarter-wave plate error

The Fourier transform method, widely applied in photomechanics for the automated analysis of interferometric fringe patterns, has been recently extended to the photoelastic isochromatic fringe patterns analysis. Unfortunately, its use in photoelasticity involves some limitations that have not been completely highlighted in literature. This work deals with the influence of the quarter-wave plate tolerance on the evaluation of the retardation. Both theoretical and experimental analyses have shown that the quarter-wave plate error does not affect the retardation only if the principal stress directions in the model and in the carrier are aligned. In general, instead, the tolerance of the quarter-wave plates leads to an amplification of the retardation error due to the influence of the isoclinics with a subsequent restriction of the field in which the method can be applied. For instance, using common quarter-wave plates and tolerating a maximum retardation error of about 0.03 fringe order, than the Fourier transform method cannot be applied as a full-field technique but only in the model zones in which the misalignment between the principal stresses in the model and in the carrier is less than 15°.     

Real-time measurement of the fast axis angle of a quarter-wave plate based on simultaneous phase shifting technique

Real-time measurement of the fast axis angle of a quarter-wave plate based on simultaneous phase shifting technique is presented. The simultaneous phase shifting function is realized by an orthogonal grating, a diaphragm, an analyzer array, and a 4-quadrant detector. The intensities of the light beams from the four analyzers with different azimuths are measured simultaneously. The fast axis angle of the quarter-wave plate is obtained through the four light intensity values. In this method, rotating elements are not required, so real-time measurement is achieved.