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°。     

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.     

基于最小二乘拟合的波片相位延迟测量

提出一种精密测量波片相位延迟的新方法.将待测波片置于起偏器和检偏器之间,通过步进电机控制波片匀速旋转,基于最小二乘法拟合出射光强随波片方位角变化的曲线,进而得到波片延迟.根据上述原理,建立了一套波片延迟测量系统,并分析了系统的稳定性、可测量的延迟范围、接收器件的非线性效应、系统误差源这4个影响测量精度的主要方面.结果表...     

一种高精度偏振遥感探测方式的精度分析

检偏器的角度误差是影响偏振遥感探测精度的重要因素之一,是许多高精度定量化偏振遥感需要考虑的一个问题。在检偏器(0°,60°,120°)放置的测量系统中,当入射光偏振角接近于0°或180°时偏振测量易产生最大误差值,而偏振角接近30°,90°和150°时,偏振度的测量具有很高的精度;在检偏器(0°,45°,90°)放置方式中,偏振角接近45°的光束测量易具有最大误差值,而偏振角接近于0°,90°和135°时,角度误差对偏振度测量精度的影响很小。除了个别偏振角外,对高偏振度入射光束的偏振测量通常具有较大的偏振测量误差。因此,引进线偏振光的平均偏振度测量精度描述偏振测量装置的优劣,结果表明检偏器(0°,60°,120°)放置方式优于检偏器(0°,45°,90°)放置方式。     

基于双弹光级联差频调制的波片参数测量研究

为了实现对波片快轴方位角和延迟量参数快速、高精度测试,提出了一种基于双弹光级联差频调制的波片参数测量方案。选用两个工作频率不相同的弹光调制器级联,构成偏振分析测量装置。波片的两个参数被加载到偏振分析装置的调制信号中,采用数字锁相技术同时提取调制信号的基频项和差频项,然后完成波片全部参数求解。按照原理分析,搭建了实验系统,并完成了系统初始偏移值定标,完成了632.8 nm的1/4波片,532 nm的1/4波片和1/2波片实验测量。实验结果表明,本文方案的快轴方位角测量最大偏差为0.2°,角度测量标准偏差为0.02°;波片的相位延迟量标准偏差优于5.64×10^-4 rad,单点数据测量时间仅为200 ms。考虑到波片材料的双折射色散,根据检测激光波长下测量的相位延迟量,进一步计算出应用波长的波片延迟量。测量值与理论值最大偏差不超过1.17 nm,延迟精度优于λ/300。本文方案实现了高速、高精度和高灵敏的波片参数测量,可为波片加工测试和实验定标提供有效手段。     

一种测量波片相位延迟的简易方法

本文提出了一种精确测量波片相位延迟量的简易方法。在塞纳蒙补偿器中,只需测量检偏器在四个不同方位角时的相应光强,就可精确获得波片的相位延迟量。     

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。     

光纤大电流传感器非线性误差机理与抑制

非线性误差是基于Faraday效应的干涉式数字闭环光纤大电流传感器基本测量准确度的主要影响因素。考虑到传感光路中偏振交叉耦合、圆偏振态不理想等因素的影响，计算了与调制信号同频的干涉信号，得到了闭环反馈相移与被测电流之间的非线性跟踪关系。仿真结果表明：传感光纤线性双折射、1/4波片方位角及相位延迟误差、相位调制器输出尾纤偏振串音是光纤大电流传感器产生非线性误差的主要原因。需根据被测电流的动态范围相应提高相位调制器输出尾纤耦合及熔接对轴精度。通过求解光纤敏感环微分模型方程，提出了波片参数与椭圆双折射光纤拍长-螺距比的匹配条件，实现了传感器对Faraday效应的线性响应，降低了椭圆偏振传感信号造成的非线性误差。实验结果表明：采用参数匹配的1/4波片后，在6～500 kA范围内，传感器比例因子随被测电流的变化量为0.2%，相比于理想1/4波片降低了一个数量级。     

基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响,故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法,采用双频激光外差干涉光路,利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片,可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响,从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构,测量稳定性高,信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外,所设计的测量系统中元件很少,结构简单,测量过程快捷。误差分析表明,在现有实验条件下,测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9′,快轴方位角的测量不确定度约为5′′。实验比对结果表明,所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明,测量结果的标准偏差约为2′。     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

旋转波片偏振仪波片方位误差研究

旋转波片Stokes偏振仪是最常用的测量光束偏振态的仪器。波片快轴方位误差是影响旋转波片Stokes偏振仪的主要误差源之一。为了研究波片方位偏差对测量精度的影响,提出了一种描述波片快轴方位误差向最终的偏振测量误差传递的数学模型,并引入协方差矩阵法表征偏振测量误差。根据这一模型,获得最优的偏振仪配置参数。在推导过程中,假设波片方位误差服从同一高斯分布。基于此误差模型,得到如下结论：(1)由波片方位误差引入的测量误差与光强测量次数N成反比;(2)测量误差独立于入射光强度,但是依赖于入射光偏振态(s₁, s₂, s₃)和波片的位相延迟量δ;(3)波片位相延迟量在(103.22°, 116.13°)范围内时波片方位误差引入的测量误差最小。最后,经过仿真实验证明,所得解析结果与仿真模拟结果相一致。     

基于弹光调制的双折射测试系统数据处理研究

干涉法和补偿法等双折射测量方法需要转动待测样品或偏振元件,操作不便、测量速度慢、精度有限。提出了一种双弹光调制与上位机组成的双折射系统。由弹光调制来产生调制信号,加载待测样品信息,调制信号采集至上位机中进行数据处理,进一步完成延迟量和快轴方位角求解。对测试方案原理进行分析,重点进行了系统数据处理的上位机设计与实现,完成了软硬件系统搭建。采用1/4波片进行了实验测试,实验结果表明延迟量测量相对误差为2%,快轴方位角测量相对误差为0.4%,延迟量和快轴方位角的标准差分别为0.056nm和0.022°。     

1/4波片延迟量的相位调制椭偏测量法

利用椭偏测量术中的相位调制椭偏测量原理测量了1/4波片的延迟量。该方法预先对测量光束的偏振态进行调制,以生成随时间变化的光强信号,通过对信号中的谐变成分进行分析而获得待测波片的延迟量。测量了四个波片,其中三个波片的延迟量已经用电光调制法精确测量过,经对比测量的结果符合较好。观察到了和理论相符的云母波片延迟量的振荡现象。实验结果说明这种方法是一种有实际意义的方法。     

消色差λ/4波片的系统级标定方法研究

消色差/4波片具有一定的二向色性和相位延迟量误差,导致仪器偏振测量产生误差。从考虑全偏振CCD相机自身偏振效应的辐射模型入手,借助积分球辐射源和高精度辅助旋转偏振器,研究系统级非理想消色差/4波片的标定方法。结果发现:消色差/4波片的二向色性和相位延迟量参数随仪器的工作波长与带宽发生变化,波段650 nm（相位延迟量88.90）和750 nm（相位延迟量88.65）消色差效果相对较好,而波片在波段850 nm（相位延迟量84.33）相位量偏差较大;通过相位延迟量的标准误差分析,得出消色差/4波片的系统级标定方法精度优于0.8。     

非偏振分光镜对外差干涉仪非线性误差的影响

除了激光源、偏振分光镜（PBS）和波片等偏振器件之外,非偏振分光镜（NPBS）也是外差干涉仪中重要的非线性误差源。研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对非线性误差的影响。采用p、s分量透射比、反射比、反射相移和透射相移共同表征NPBS的退偏效应,并逐项分析了其非线性误差模型。如果入射光束为理想线偏振光,则只有NPBS的反射相移和透射相移影响测量精度。如果入射光束存在偏振椭圆化和非正交,则NPBS的方位角、透射比和反射比、相移等参数的变化都会引入非线性误差,误差曲线的斜率受椭圆率和非正交角的影响。因此选用不同的激光源,同一个NPBS产生的非线性误差大小不同,一般可达几个纳米量级。为了实现纳米/亚纳米级精度的外差干涉测量,选择性能稳定的NPBS,特别是NPBS退偏效应与激光源输出偏振态之间的匹配非常重要。     

多光谱分孔径同时探测系统偏振定标方法

介绍了多光谱分孔径同时探测系统的偏振定标方法。根据探测系统的特点,分析引起探测系统偏振效应的主要因素,包括偏振片消光比、装配误差导致的检偏器透过轴角度偏差和绝对光谱响应度;推导带有偏振片消光比、角度偏差和绝对光谱响应度的系统探测矩阵;设计具体实验,并求解系统探测矩阵中的未知定标数据;利用偏振度可调的光源对偏振定标方法及定标数据进行验证。结果表明,使用490,670,870,1610nm波段,在输入偏振光的偏振度为20%时,测得偏振度的偏差分别为0.74%,0.01%,0.80%,0.59%,满足探测系统对实际偏振测量精度指标的要求。所提出的偏振定标方法有效可行,为该探测系统的实际应用提供了基础。     

偏光干涉法测量波片相位延迟量和厚度

基于偏光干涉理论,提出一种宽光谱范围内测量波片相位延迟量和厚度的方法。利用矩阵光学方法分析了光谱透射率曲线与中值透射率直线交点波长之间的关系,给出待测波片的相位延迟量、波片厚度等多个物理量的计算公式并进行了误差分析。误差分析表明本方法相位延迟量测量最大误差为3.38°,厚度测量最大误差为0.66μm。实验上利用分光光度计验证了本方法的有效性。本方法能够实现波片多物理量的同时测量,且调节过程对于起偏器、检偏器透光轴方向及待测波片快轴方向无严苛要求,测量过程对波片也无损伤和污染,在波片加工、使用前质量评估等方面都具有一定的应用价值。     

分时偏振成像系统中光束偏离的补偿方法研究

分时偏振成像系统需要通过旋转检偏器获取场景的偏振信息(I, Q, U), 检偏器的前后表面间不平行(也称为楔角)将导致成像光束发生偏离且随检偏器旋转而旋转, 这将降低偏振成像系统的空间分辨率和偏振测量精度. 本文提出调整检偏器相对于入射主光轴倾斜角的方法来补偿上述光束偏离. 以格兰棱镜作为检偏器, 根据几何光学理论, 推导了分时偏振成像系统光束偏离的一阶近似补偿模型, 获得倾斜角与格兰棱镜楔角之间的函数关系, 并通过仿真模拟验证了该补偿方法的可行性和有效性. 研究结果表明, 将格兰棱镜置于汇聚光路中, 光束偏离的一阶误差可以通过调节格兰棱镜的倾斜角有效补偿; 倾斜角大小与棱镜折射率、楔角及棱镜距电荷耦合元件靶面的距离成正比, 与棱镜厚度成反比. 该结果为研制高精度分时偏振成像系统提供了切实可行的理论依据.     

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.     

新型静态偏振风成像干涉仪理论探测误差的分析与计算

简述了新型静态偏振风成像干涉仪的原理,推导出一般情况下系统的Jones矩阵.在此基础上计算了系统中各偏振器件重要参数在非理想情况下对风速和温度探测结果的影响.利用计算机模拟对探测误差进行了分析,并按照系统精度要求从理论上提出了各重要参数的误差容限.该研究为新型静态偏振风成像干涉仪的研制、定标及后期数据处理提供了理论依据. 关键词： 静态偏振风成像干涉仪 Jones矩阵 方位角误差 相位延迟量误差