CN112362307A - 一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统 - Google Patents

Abstract

一种双扩束级联的大口径光学遥感器偏振测试系统，通过一级扩束系统严格控制偏振组件入射面角度，实现高精度偏振调制，突破传统偏振测试受限于偏振组件工艺水平的难题；然后通过二级离轴反射式扩束系统实现大口径偏振光束输出，实现全口径、全光路的偏振测试，满足大口径光学遥感器的偏振测试需求。采用双扩束级联方式，降低偏振调制误差，提高出射光束的消光比，进而提高偏振测试精度；而且级联的二级扩束系统可进一步实现大口径光学遥感器相机的全口径、全光路高精度偏振测试，定量评价光学遥感器的偏振灵敏度，为光学遥感器仿真设计提供直接反馈，为光学遥感器的研制提供重要数据。

Description

一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统

技术领域

本发明涉及一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，可实现全口径、全光路的系统偏振灵敏度测试，属于光学测试领域。

背景技术

随着光学遥感器定量化水平的提高，偏振灵敏度已经成为约束遥感器探测精度的关键因素之一。传统遥感器偏振测试系统一般采用“积分球光源+偏振组件”或“光源+偏振组件+扩束系统”的方式进行，该类系统主要实现中小口径偏振测试需求，当口径进一步增大时，传统测试系统面临边缘偏振残余度高、偏振调制误差敏感难题，且精度难以进一步提高。

传统的光学遥感器偏振测试主要缺点在于：

1)“积分球光源+偏振组件”的偏振测试系统，测试口径受限于偏振组件，难以实现大口径空间光学遥感器的偏振测试。

NASA的VIIRS(Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite’s)其采用MOXTEK生产的偏振片BVO777和BVONIR作为起偏器，口径＜30cm。采用偏振片作为起偏器，可实现的口径由偏振片的尺寸决定，如采用此类方案完成大口径偏振测试需求，则需大口径偏振片，成本极高，且难以实现。

法国POLDER遥感器的偏振测试利用光学平板的布儒斯特角起偏原理，研制片堆起偏器通过布儒斯特角将入射光调制为S-线偏振光束，偏振出射度由入射光束的入射角决定，从而进行空间光学遥感器的偏振测试与定标。中科院安徽光机所研制的第一代可调谐偏振光源系统同样采取了这种偏振测试系统。但是由于积分球光源为漫射光源，入射角度难以控制，偏振测试精度较低。

中国科学院安徽光机所研制了第二代可调谐偏振光源系统，在积分球光源后采用平行光管降低视场杂光，提高测试精度，口径>120mm。中国科学院长春光机所紫外可见高光谱探测仪也采用了此种方案进行偏振测试，其中长春光机所研制的片堆起偏器口径为40mm。

但是偏振起偏器的偏振调制度要求以玻璃片堆的布儒斯特角起偏，对片堆起偏器光学平板的面型和装调要求较高，实现难度较大。而且加工大口径的片堆起偏器重量加大，光学平板的加工难度也会增加，因此难以实习大口径空间光学遥感器的偏振测试。

2)“光源+偏振组件+扩束系统”偏振测试系统，将偏振组件置于扩束系统之前，解决偏振测试口径受限于偏振组件口径的问题。一般采用卡塞格林望远系统进行偏振光束的扩束，苏州大学所研制的偏振灵敏度测试仪即采用此种方案，可实现300mm口径的空间光学遥感器的偏振测试。但是由于卡塞格林望远系统为同轴系统，除口径难以加工到很大外，更重要的是中心存在遮拦，难以实现大口径光学遥感器全口径的偏振测试。

中国专利申请公开号CN107764520A，公布日是2018年3月6日，名称为“光学镜头残余偏振测试装置”中公布了一种光学镜头的残余偏振测试系统，采用积分球和卤素灯作为光源，利用聚焦透镜对光束进行聚焦，采用消色差滤光片、起偏器和1/4波片组成的起偏光学系统产生线偏振光束，然后通过大口径离轴抛物面反射镜进行光束的扩束，进而实现对光学镜头残余偏振的测量。该测量装置解决了光学镜头残余偏振测量的难题，但其不足之处在于：只能实现离散波长下光学镜头的偏振测量，而且偏振组件位于非平行光路中会引入一定的偏振测试误差。

中国专利申请公开号CN211085634U，公布日是2020年7月24日，名称为“一种光学镜头残余偏振测试装置”中公布了一种解决现有测试装置无法调节光学镜头和测试光线之间的照射角度和距离来消除材料导致的测试误差，以及测试的数据与精度不高的问题。可以通过电动伸缩杆、T型滑块和滚轮的设置实现光学镜头和测试光线间距，以及入射角度调整，进而分析检测光线照射距离和照射角度偏振影响的问题。但其不足之处在于：仅适用于光学工业镜头等口径较小的光学镜头，不适用于大口径光学遥感器的偏振测试。而且该公布的专利中没有详细论述偏振测试系统的具体组成，主要集中在间距和倾斜角度的调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术偏振测试口径较小、精度较低的不足，提供了一种双扩束级联的大口径光学遥感器偏振测试系统，通过一级扩束系统严格控制偏振组件入射面角度，实现高精度偏振调制，突破传统偏振测试受限于偏振组件工艺水平的难题；然后通过二级离轴反射式扩束系统实现大口径偏振光束输出，实现全口径、全光路的偏振测试，满足大口径光学遥感器的偏振测试需求。采用双扩束级联方式，降低偏振调制误差，提高出射光束的消光比，进而提高偏振测试精度；而且级联的二级扩束系统可进一步实现大口径光学遥感器相机的全口径、全光路高精度偏振测试，定量评价光学遥感器的偏振灵敏度，为光学遥感器仿真设计提供直接反馈，为光学遥感器的研制提供重要数据。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，包括光源系统、偏振调制系统、一级准直系统和二级扩束系统；

光源系统包括光源组件、透镜组；

偏振调制系统包括退偏器和起偏器；

一级准直系统包括光阑、扩束透镜组、聚焦透镜组；

二级扩束系统包括平面反射镜和离轴非球面反射镜；

光源组件发出的光束经过透镜组聚焦于一级准直系统的焦点处，然后经扩束透镜组准直为平行光束，焦点处采用光阑约束视场杂光；

退偏器位于扩束透镜组之后，将平行光束进行消偏后，照亮起偏器产生线偏振光束；线偏振光束经过聚焦透镜组与二级扩束系统焦点耦合；

位于二级扩束系统焦点位置的线偏振光束，依次经过平面反射镜和离轴非球面反射镜，产生覆盖空间光学遥感器的线偏振光束，进行偏振测试。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，所述扩束透镜组为一个非球面透镜或两个非球面透镜或激光配套镜头，且扩束透镜组出射光束覆盖退偏器的口径。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，所述聚焦透镜组为一个或两个非球面透镜，口径与起偏器口径匹配。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，所述二级扩束系统为离轴反射式平行光管。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，光源选择NKT超连续白光光源系统。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，退偏器为空间型双巴比涅退偏器。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，起偏器采用MEXTEK偏振片。

上述大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，优选的，测试系统的有效口径大于等于1200mm。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明的偏振调制系统采用准直光束照射起偏器件，可控制起偏器件各区域入射角度，提高偏振器件的消光效果，从而提高偏振测试精度。而且在准直光路中进行偏振调制也可较好的约束视场杂散光。

(2)本发明的偏振调制系统采用在起偏器之前采用退偏器进行消偏，剔除光源组件自身一级后续透镜组带来的偏振影响，提高偏振调制精度。

(3)本发明的二级扩束系统采用大口径离轴反射式平行光管，入射角度约为3°，对线偏振光束的偏振状态影响非常小，可以实现全口径、全光路的偏振测试。

(4)本发明的有效口径：1400mm；F#：10；工作光谱范围：0.4～14μm；无渐晕视场：2ω＝0.5°；系统光学质量：PV≤λ/4，RMS≤λ/15，λ为入射光线的波长。

附图说明

图1为本发明大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，包括光源系统、偏振调制系统、一级准直系统和二级扩束系统。测试系统的有效口径大于等于1200mm。

光源系统包括光源组件1、透镜组2；偏振调制系统包括退偏器5和起偏器6；一级准直系统包括光阑3、扩束透镜组4、聚焦透镜组7；二级扩束系统包括平面反射镜8和离轴非球面反射镜9；

光源组件1发出的光束经过透镜组2聚焦于一级准直系统的焦点处，然后经扩束透镜组4准直为平行光束，焦点处采用光阑3约束视场杂光；退偏器5位于扩束透镜组4之后，将平行光束进行消偏后，照亮起偏器6产生线偏振光束；线偏振光束经过聚焦透镜组7与二级扩束系统焦点耦合；位于二级扩束系统焦点位置的线偏振光束，依次经过平面反射镜8和离轴非球面反射镜9，产生覆盖空间光学遥感器的线偏振光束，进行偏振测试。

作为本发明的一种优选方案，所述扩束透镜组4为一个非球面透镜或两个非球面透镜或激光配套镜头，且扩束透镜组4出射光束覆盖退偏器5的口径。

作为本发明的一种优选方案，所述聚焦透镜组7为一个或两个非球面透镜，口径与起偏器6口径匹配。

作为本发明的一种优选方案，所述二级扩束系统为离轴反射式平行光管。

作为本发明的一种优选方案，光源选择NKT超连续白光光源系统。

作为本发明的一种优选方案，退偏器5为空间型双巴比涅退偏器。

作为本发明的一种优选方案，起偏器6采用MEXTEK偏振片。

实施例：

如图1所示为大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统示意图，由图1可知，本发明提供的一种基于大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，包括：光源系统、偏振调制系统、一级准直系统和二级扩束系统。

所述的光源系统包括光源组件1和透镜组2，光源选择NKT超连续白光光源系统，稳定性优于0.08％，可实现0.4～2.5um谱段范围内宽带宽或单色光束输出。透镜组2与光源输出光束匹配，将光束聚焦于一级准直系统的光阑3位置。

所述的一级准直系统包括经光阑3、扩束透镜组4、聚焦透镜组7，其中光阑约束进入准直系统光束的视场，抑制视场外杂散光，扩束透镜组4实现对发散光束的准直整形，实现光束的高平行度和均匀输出。

所述的偏振调制系统包括退偏器5和起偏器6，退偏器5为空间型双巴比涅退偏器，不仅实现对入射光束的消偏而且保证入射到起偏器处的光束均匀。起偏器6采用MEXTEK偏振片，口径1英寸，消光比优于10⁴:1.而且起偏器6置于电动旋转台中，可实现0～360°的旋转，实现不同偏振方位角下的线偏振光输出。

所述的二级扩束系统为大口径离轴反射式平行光管，包括平面反射镜8和离轴非球面反射镜9，有效口径为1.4m，焦距为14m，无渐晕视场：2ω＝0.5°。二级扩束系统的焦点和准直系统之后的聚焦透镜组7的后焦点重合，从而产生覆盖光学遥感器的全口径线偏振光源。

所述的大口径光学遥感器偏振测试系统首先进行二级扩束系统焦点和主光轴的标校，得到二级扩束系统的焦点位置和主光轴。然后安装准直系统的聚焦透镜组7，使得聚焦透镜组7的焦点以级主轴和二级扩束系统的焦点和主光轴重合。然后安装一级准直系统，将扩束透镜组4的主光轴和聚焦透镜组7的主光轴一致。这里需要注意的是在扩束透镜组4和聚焦透镜组7之间的距离应满足退偏器5和起偏器6的尺寸需求。随后在扩束透镜组4前焦点位置安装光阑3。然后安装透镜组2，使得透镜组2的后焦点与扩束透镜组4的前焦点重合，实现光源系统与一级准直系统的匹配。最后安装退偏器5和起偏器6，完成大口径偏振测试系统的安装调试。

本发明的测试系统可满足大口径光学遥感器全口径、全光路的系统偏振灵敏度测试，偏振测试精度优于1％，实现口径>1m，谱段范围覆盖0.4～2.5um的光学遥感器的偏振测试。解决传统系统级偏振测试口径较小、精度较低、无法实现全口径覆盖的难题。经实验验证，该系统可实现0～180°偏振方位角变化下消光比优于1000:1的线偏振光输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，包括光源系统、偏振调制系统、一级准直系统和二级扩束系统；

光源系统包括光源组件(1)、透镜组(2)；

偏振调制系统包括退偏器(5)和起偏器(6)；

一级准直系统包括光阑(3)、扩束透镜组(4)、聚焦透镜组(7)；

二级扩束系统包括平面反射镜(8)和离轴非球面反射镜(9)；

光源组件(1)发出的光束经过透镜组(2)聚焦于一级准直系统的焦点处，然后经扩束透镜组(4)准直为平行光束，焦点处采用光阑(3)约束视场杂光；

退偏器(5)位于扩束透镜组(4)之后，将平行光束进行消偏后，照亮起偏器(6)产生线偏振光束；线偏振光束经过聚焦透镜组(7)与二级扩束系统焦点耦合；

位于二级扩束系统焦点位置的线偏振光束，依次经过平面反射镜(8)和离轴非球面反射镜(9)，产生覆盖空间光学遥感器的线偏振光束，进行偏振测试。

2.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，所述扩束透镜组(4)为一个非球面透镜或两个非球面透镜或激光配套镜头，且扩束透镜组(4)出射光束覆盖退偏器(5)的口径。

3.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，所述聚焦透镜组(7)为一个或两个非球面透镜，口径与起偏器(6)口径匹配。

4.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，所述二级扩束系统为离轴反射式平行光管。

5.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，光源选择NKT超连续白光光源系统。

6.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，退偏器(5)为空间型双巴比涅退偏器。

7.根据权利要求1所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，起偏器(6)采用MEXTEK偏振片。

8.根据权利要求1～7之一所述的一种大口径光学遥感器双扩束级联偏振测试系统，其特征在于，测试系统的有效口径大于等于1200mm。

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