光学元件残余偏振测量方法与装置

王 雷，许荣国，阴万宏，姜昌录，康登魁，王生云

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

近10年来，随着自由空间激光通信技术、空间偏振遥感探测、偏振制导、偏振成像等相关技术的发展，偏振光探测技术以及光的偏振特性研究受到越来越多的关注[1-6]。

偏振测量技术是指通过测量偏振光偏振态的变化，获得介质特性的一种技术。近年来，偏振探测成像技术已经大量应用于卫星遥感探测、大气探测、军事目标识别、水下探测、天文探测以及医学诊断等诸多领域。如在卫星偏振遥测研究中，地球表面的反射会造成光的偏振，偏振光的偏振特性与物质表面的折射率、粗糙度以及导电性等因素有关，利用这些偏振信息可以对地面物体的物理和化学特性进行分析，可大大提高目标探测和地物识别的准确度。偏振遥测是其他探测手段无法替代的新型对地探测技术。在军事领域，由于人造目标（玻璃、瓷片、金属、漆、塑料）一般具有较光滑表面，因而其辐射或是反射光中的线偏振光成分较强，偏振度通常会高于40%，而目标所处的背景(如泥土、植被)相对粗糙，其辐射或反射光偏振度相对较低，不到10%。人工目标的散射、反射光多为左旋椭圆偏振光，而自然目标多为右旋椭圆偏振光[7-11]。因此，基于偏振光进行目标识别能够很好地从自然目标中区分出人工目标，在军事领域具有较大的应用前景。

组成光学系统的透镜、反射镜、平面镜等光学元件在一定程度上会引起入射光偏振态的改变，该偏振被称为光学镜头的残余偏振。残余偏振与入射光进入光学镜头的入射角以及入射光的工作波长、加工和装调引入的光学材料应力双折射等多种因素有关。特别是由于光学镜头的残余偏振随入射光入射角的增加而增加，对于偏振遥测中大角度入射光学系统中的短焦距镜头、激光干涉系统中的准直光学镜头，残余偏振的存在不但会影响偏振探测和测量系统的测量准确度，严重时还会影响系统的分辨率。因此随着偏振测量技术研究的不断深入，急需对光学镜头的残余偏振特性进行准确测量[11-15]。

1 光学镜头残余偏振测量仪校准装置原理

1.1 基于斯托克斯参量的偏振度计算方法

偏振度定义为偏振光强占总光强的比例。该

参数与光学设计相关，通常可以用斯托克斯参数来具体分析。为此，采用CODE V 中斯托克斯参数的定义对残余偏振度进行分析计算，光学镜头残余偏振度DOP定义为

式中S0、S1、S2、S3满足：

式中：S0为入射光总强度；S1为水平方向与垂直方向上的线偏振光的强度差；S2为+45°方向与-45°方向上的线偏振光的强度差；S3为左旋偏振光与右旋偏振光的强度差。

由（1）式～（2）式可见，只要分别测量在0°、45°、90°、135°振动方向以及左旋圆偏振光、右旋圆偏振光透过被测光学镜头后的光信号，就可获得4 个斯托克斯参数，从而能够计算得到光学镜头的残余偏振度。

1.2 光学镜头残余偏振度测量装置构成

光学镜头残余偏振度测量装置采用模块化结构设计，由偏振光源系统、准直光学系统、偏振测量组件以及相关控制系统和计算机处理系统等组成，其基本原理如图1所示。

图1 光学镜头残余偏振度测量装置原理Fig.1 Schematic diagram of optical lens residual polarization degree measurement system

积分球光源发出的无偏振光经过聚焦透镜会聚，再经过偏振器和1/4 波片后被调整成0°、45°、90°、135°的线偏振光以及左旋和右旋圆偏振光，通过严格控制会聚光束的会聚角度，确保经过偏振器和1/4 波片后的光保留良好的偏振特性。线偏振光和圆偏振光经过离轴抛物面反射镜反射后变为准直光。通过光学设计和金属膜偏振反射理论计算，严格控制到达离轴抛物面反射镜的偏振光的入射角，确保离轴抛物面反射镜不改变偏振光的偏振特性，即该准直系统输出偏振度很高的偏振光，偏振光的偏振方向和偏振度由偏振器和1/4 波片等器件决定。因此，通过积分球光源、偏振器件以及离轴抛物面反射镜提供各个方向都十分均匀的偏振光。由于残余偏振的存在，偏振光经过被测光学镜头聚焦后偏振度以及偏振态都会发生改变，则0°与90°偏振方向的线偏振光，45°与135°偏振方向的线偏振光以及左旋和右旋圆偏振光之间的信号大小就会发生变化。利用偏振测量组件对经过透镜聚焦后的偏振光强度进行测量可获得4 个斯托克斯参数，依据（2）式就可计算得出被测光学镜头的残余偏振度。

1.2.1 光源模块

偏振光源系统包括积分球光源、偏振器、1/4波片、滤光片。积分球光源的作用是提供照明，同时消除由于普通光源照明带来的偏振效应，产生空间均匀性较好的漫射光，均匀性达到98%。积分球出口照度均匀性如图2所示。

图2 积分球照度均匀性Fig.2 Uniformity of integrating sphere illuminance

积分球发出的均匀无偏振光经过聚焦光学元件后聚焦到滤光片上，由于光学镜头的偏振特性与波长有关，因此将在0.4 μm～1.1 μm 波长范围内选取一组典型波长，实现不同波长条件下光学镜头残余偏振度测量。

采用滤光片提供不同波长的单色光，滤光片固定在滤光片轮上，通过旋转将待测波长的滤光片旋入光路，滤光片轮的基本结构如图3所示。

图3 滤光片轮基本结构(双轮12 孔)Fig.3 Structure of filter wheel(double wheels with 12 holes)

图3 中单位为mm。起偏棱镜的作用是提供0°、45°、90°和135°的线偏振光，拟选用晶体材料制作的偏振棱镜作为偏振器，偏振器的消光比是影响测量结果的一个重要指标，经过偏振棱镜后线偏振光的消光比优于1×10-5。将起偏棱镜固定在电动旋转平台上，可以绕光轴实现360°自由旋转，可提供任意方向的高偏振度的线偏振光。

1/4 波片的作用是将线偏振光变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。为了满足0.4 μm～1.1 μm 波段范围内测试需求，使用消色差1/4 波片（共使用2 个），工作波长范围覆盖整个测试范围，1/4 波片安装在手动转轮上(单轮6 孔)实现切换。

由积分球光源、偏振器、1/4 波片、滤光片组成的光源模块可以提供0.4 μm～1.1 μm 任意波长、高偏振度的线偏振光和圆偏振光。

1.2.2 准直光学系统

准直光学系统的作用是提供大口径平行光，以满足大口径光学镜头偏振度测量要求。采用反射式光学系统制作低偏振准直光学系统，利用反射式离轴抛物面反射镜作为准直光学元件。通过精确的光学系统设计及计算，选择性能优良的光学材料，研制出口径为160 mm 的低偏振准直光学系统，准直光学系统的残余偏振优于0.2%，可满足光学镜头偏振度和偏振态准确测量和校准要求。

1.2.3 探测系统

采用日本HAMAMATSU 公司的S1337-1010BQ硅光电二极管作为探测器，硅光电二极管的光敏面尺寸为10 mm×10 mm，光谱响应范围为190 nm～1 100 nm，硅光电二极管相对光谱响应如图4所示，面响应均匀性如图5所示。

图4 硅光电二极管相对光谱响应Fig.4 Relative spectral response of silicon photodiode

图5 硅光电二极管面响应均匀性Fig.5 Response uniformity of silicon photodiode

1.2.4 信号处理系统

为了满足信号探测稳定性优于0.1%，动态范围大于106量级的要求，采用直流多级放大技术。对于光电二极管输出的电流信号，将使用运算放大器的电流-电压变换电路，如图6所示。

图6 线性放大电路原理图Fig.6 Schematic diagram of linear amplification circuit

2 光学镜头残余偏振测量装置自校准原理

为了验证光学镜头残余偏振测量装置测量准确性，需要对测量装置进行校准，校准原理如图7所示。

图7 偏振特性校准装置自校原理Fig.7 Schematic diagram of self calibration of polarization property calibration device

通过理论计算可知，当入射光与入射界面的夹角较小时偏振光的偏振度变化很小，因此将设计平面反射镜和球面反射镜对系统的偏振特性进行自校准。

将平面反射镜或球面反射镜放入被测光路中，保证入射光与平面反射镜或球面反射镜夹角小于5°。由于在一定入射角条件下，反射光学元件几乎不改变偏振光源的偏振特性，因此当整套系统测量到的偏振度与未放置校准用反射镜时偏振度的差小于0.2%，且偏振方位角和椭偏率与未放置校准用反射镜时各参数的偏差小于0.002 时，表明偏振特性测量仪校准装置通过自检，即系统实现了自校准。

3 残余偏振测量装置测量结果

为了准确测量光学镜头的残余偏振，必须将系统的残余偏振降低到最小。对准直反射镜在不同口径、不同波长下的偏振度进行测量，由于准直反射镜的残余偏振较小，因此其偏振度接近为0，实际测量结果如表1所示。

表1 准直反射镜在不同口径、不同波长下偏振度测量结果Table 1 Polarization degree measurement results of collimating mirror under different apertures and different wavelengths %

对偏振棱镜的偏振度进行测量，由于偏振棱镜的消光比可达到1×10-5，因此透射偏振棱镜的偏振光的偏振度应该为100%，偏振棱镜的测量结果如表2所示。

表2 偏振棱镜在不同口径、不同波长下的偏振度测量结果Table 2 Polarization degree measurement results of polarizing prism under different apertures and different wavelengths %

对口径为50 mm、相同材料、不同焦距的聚焦透镜的偏振度进行测量，测量结果如表3所示。

表3 透射镜在不同焦距、不同波长下偏振度测量结果（Φ50 mm）Table 3 Polarization degree measurement results of transmission mirror under different focal lengths and different wavelengths(Φ50 mm)%

4 测量结果分析

由测量原理可知，影响系统偏振特性测量结果的不确定度源主要有：

1）测量重复性引入的测量不确定度；

2）离轴抛物面镜残余偏振引入的测量不确定度；

3）波片相位延迟不准确引入的测量不确定度；

4）探测系统的线性及均匀性引入的测量不确定度。

偏振度重复性引入的不确定度由10 次测量结果的实验标准偏差确定。在实验过程中，我们获得了10 次重复测量条件下残余偏振的测量结果，分别为0.188 8、0.187 7、0.186 7、0.187 6、0.186 7、0.187 7、0.186 9、0.186 3、0.187 5、0.187 4。

测量的偏振度平均值为

引入的标准不确定度为

离轴抛物面镜残余偏振度优于0.2%，按照均匀分布进行计算，则由此引入的偏振度不确定度为

波片的残余偏振小于0.1%，按照均匀分布进行计算，则由此引入的偏振度不确定度为

探测系统线性及均匀性优于0.5%，计算得到的偏振度最大误差值为0.25%，按照均匀分布计算，则由标准光功率计的线性和均匀性引入的偏振度不确定度为

各分量彼此独立，则合成标准不确定度为

取95%的包含概率，k=2，则扩展不确定度为

U=2uc(DOP)=2×0.002 3=0.005

5 结论

设计了一种光学镜头残余偏振度测量装置，实验结果表明，该装置测量波长范围为0.45 μm～1.1 μm，可对口径小于160 mm 的各类光学镜头的残余偏振进行测量，系统残余偏振度小于0.2%。通过对偏振棱镜和光学镜头残余偏振度的测量，表明该装置测量不确定度可达到U=0.5%（k=2）。对光学镜头残余偏振的准确测量可改善偏振测量系统的测量准确度，改善成像系统的偏振像差，在卫星遥感探测、大气探测、军事目标识别、水下探测、天文探测以及医学诊断等偏振探测和成像领域有广泛的应用价值。