CN114019669B - 一种光学装置和降低仪器偏振效应的方法 - Google Patents

一种光学装置和降低仪器偏振效应的方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种光学装置和降低仪器偏振效应的方法，能够有效的降低仪器偏振效应。所述装置包括基座，在所述基座的内壁上设置有第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜，其中，第一平面镜的延长线与第二平面镜延长线的夹角为45度，第三平面镜的延长线与第四平面镜延长线的夹角为45度，第一平面垂直于第二平面，第一平面为第二平面镜的入射光线与第二平面镜的出射光线形成的平面，第二平面为第四平面镜的入射光线与第四平面镜的出射光线形成的平面，入射光线以22.5度的入射角射入所述光学装置，经第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜依次反射，得到出射光线。

Description

一种光学装置和降低仪器偏振效应的方法
技术领域
本申请涉及光学领域，并且更具体的，涉及一种光学装置和降低仪器偏振效应的方法。
背景技术
望远镜的光学系统一般由主光学系统、折轴光路和终端仪器三部分组成。其中，折轴光路的作用是将经主光学系统汇聚的光导向位于望远镜下方的终端仪器房。为了在望远镜指向运动中将光束稳定在仪器房中，折轴光路需要先将经主光学系统汇聚的光导向望远镜的高度轴，后导向望远镜的方位轴。
因此，在折轴光路中会使用若干倾斜入射的平面反射镜。然而倾斜入射的平面反射镜会引起严重的仪器偏振效应，从而降低望远镜的偏振测量能力。为此，如何降低甚至消除折轴光路引起的仪器偏振效应就成为当前望远镜偏振设计的重要问题。
我国最大口径真空太阳望远镜（NVST）主系统采用对称格里高利结构，折轴系统的三个反射镜的光束入射角度均为45度，产生了大的仪器偏振，只能采用偏振定标的方式降低光学设计的不足。
德国1m口径太阳望远镜Gergory的折轴光学系统的设计上考虑了仪器偏振的问题，为了降低仪器偏振，主要采用光束小角度入射；欧洲南方天文台（ESO）在建的4米口径太阳望远镜采用光束入射角度互补方式降低仪器偏振但是望远镜的偏振状态随着方位轴的改变而变的。
美国4米DKIST 离轴太阳望远镜，由于主系统是离轴格里高利系统，同样存在仪器偏振，即使后端折轴系统做了偏振优化设计，也很难消除望远镜系统的仪器偏振。
综上，无论是光学系统设计阶段减小仪器偏振，还是通过仪器定标的方式降低仪器偏振，都存在一个问题，目前没有一种光学结构能最小化望远镜的仪器偏振，并且随着望远镜高度轴的改变，望远镜的偏振状态不随之变化。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供一种光学装置，该光学装置的结构设计能够有效的降低仪器偏振效应，并且使望远镜的偏振状态不随着跟踪而改变。
第一方面，提供了一种光学装置，包括：基座，在所述基座的内壁上设置有第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜，其中，所述第一平面镜的延长线与所述第二平面镜延长线的夹角为45度，所述第三平面镜的延长线与所述第四平面镜延长线的夹角为45度，第一平面垂直于第二平面，所述第一平面为所述第二平面镜的入射光线与所述第二平面镜的出射光线形成的平面，所述第二平面为所述第四平面镜的入射光线与所述第四平面镜的出射光线形成的平面，入射光线以22.5度的入射角射入所述光学装置，经所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第三平面镜和所述第四平面镜依次反射，得到出射光线。
因此，通过在基座内壁上设置四面平面反射镜，其中两组夹角互为45度，但不相交的形式，光线入射角22.5度，有效的降低了该光学装置的仪器偏振。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述内壁包括第一内壁、第二内壁、第三内壁和第四内壁，所述第一内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第四内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第一内壁与所述第四内壁垂直，所述第一内壁上设置有第一平面镜，所述第一平面镜与所述第一内壁的夹角为22.5度；所述第二内壁上设置有第二平面镜，所述第二平面镜与所述第二内壁的夹角为22.5度；所述第三内壁上设置有第三平面镜，所述第三平面镜与所述第三内壁的夹角为22.5度；所述第四内壁上设置有第四平面镜，所述第四平面镜与所述第四内壁的夹角为22.5度。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一内壁上设置有第一凸台，所述第一凸台的斜面上设置有所述第一平面镜，所述第一凸台的斜面与所述第一内壁的夹角为22.5度；所述第二内壁上设置有第二凸台，所述第二凸台的斜面上设置有所述第二平面镜，所述第二凸台的斜面与所述第二内壁的夹角为22.5度；所述第三内壁上设置有第三凸台，所述第三凸台的斜面上设置有所述第三平面镜，所述第三凸台的斜面与所述第三内壁的夹角为22.5度；所述第四内壁上设置有第四凸台，所述第四凸台的斜面上设置有所述第四平面镜，所述第四凸台的斜面与所述第四内壁的夹角为22.5度。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述光学装置应用于望远镜的折轴光路。
另外，本发明还涉及一种降低仪器偏振效应的方法，通过光学装置进行，在基座内壁上设置四面平面反射镜，其中两组夹角互为45度，但不相交，光线入射角为22.5度；
其中，入射光线以22.5度的入射角射入所述光学装置，经第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜依次反射，得到出射光线。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本申请采用四面平面反射镜，两组夹角45度，但不相交的形式，使出射光线相对于入射光线偏转了90度，同时出入射光线在同一平面，大大降低了装调难度。而且本装置中，在四个平面反射镜上光线入射角都只有22.5度，相比于现有技术的45度入射角，引入了更小的仪器偏振，使得对于两组反射镜的偏振特性一致性要求更低，所以本技术的可行度更高。另外，实验室的椭偏测量结果表明其有效的降低了系统的仪器偏振，可以被应用在太阳望远镜光学结构的设计中。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种光学装置；
图2是本申请实施例提供的一种光学装置的光线传播路径示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
望远镜的光学系统一般由主光学系统、折轴光路和终端仪器三部分组成。其中，折轴光路的作用是将经主光学系统汇聚的光导向位于望远镜下方的终端仪器房。为了在望远镜指向运动中将光束稳定在仪器房中，折轴光路需要先将经主光学系统汇聚的光导向望远镜的高度轴，后导向望远镜的方位轴。因此，在折轴光路中会使用若干倾斜入射的平面反射镜。然而倾斜入射的平面反射镜会引起严重的仪器偏振效应，从而降低望远镜的偏振测量能力。为此，如何降低甚至消除折轴光路引起的仪器偏振效应就成为当前望远镜偏振设计的重要问题。
当前现有技术中，我国最大口径真空太阳望远镜（NVST）主系统采用对称格里高利结构，折轴系统的三个反射镜的光束入射角度均为45度，产生了大的仪器偏振，只能采用偏振定标的方式降低光学设计的不足；德国1m口径太阳望远镜Gergory的折轴光学系统的设计上，为了降低仪器偏振，主要采用光束小角度入射；欧洲南方天文台（ESO）在建的4米口径太阳望远镜采用光束入射角度互补方式降低仪器偏振但是望远镜的偏振状态随着方位轴的改变而变的。美国4米DKIST 离轴太阳望远镜，由于主系统是离轴格里高利系统，同样存在仪器偏振，即使后端折轴系统做了偏振优化设计，也很难消除望远镜系统的仪器偏振。
有鉴于此，本申请提供了一种光学装置，其原理是利用成对反射镜互相消除偏振效应,有效降低仪器偏振效应，结构简单，成本较低。
图1是本申请实施例提供的一种光学装置，所述光学装置包括：基座，在所述基座的内壁上设置有第一平面镜M1、第二平面镜M2、第三平面镜M3和第四平面镜，其中，所述第一平面镜M1的延长线与所述第二平面镜M2延长线的夹角为45度，所述第三平面镜M3的延长线与所述第四平面镜延长线的夹角为45度，第一平面垂直于第二平面，所述第一平面为所述第二平面镜M2的入射光线与所述第二平面镜M2的出射光线形成的平面，所述第二平面为所述第四平面镜的入射光线与所述第四平面镜的出射光线形成的平面，入射光线以22.5度的入射角射入所述光学装置，经所述第一平面镜M1、所述第二平面镜M2、所述第三平面镜M3和所述第四平面镜依次反射，得到出射光线。
因此，通过在基座内壁上设置四面平面反射镜，其中两组夹角互为45度，但不相交的形式，光线入射角22.5度，有效的降低了该光学装置的仪器偏振。
图2是本申请实施例提供的一种光学装置的光线传播路径示意图。下面通过图2具体描述本申请实施例的原理。如图2所示，建立每条光线的坐标系，其中，K代表光线传播方向，P分量和S分量为光线的偏振分量（当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。）。在图2中可以看出光线经过每一面镜子后的坐标变换情况，其中M1M2的光线入射面和反射面在第一平面内，M3M4的光线入射面和反射面在第二平面内，所述第一平面与所述第二平面是相互垂直的，从坐标系的变换中科院看出，光线从M2镜传播到M3镜时，P分量和S分量都旋转了90度。利用成对反射镜互相消除偏振效应的原理，通过两组光束22.5度入射的平面反射镜，有效的降低了该光学装置的仪器偏振。
下面用琼斯矩阵描述光波经过介质表面后偏振特性的变换，公式（1）中J1,2,3,4代表所述光学装置的琼斯矩阵，px代表光波传播的S分量，py代表光波传播的P分量，Jr(θ)代表琼斯矩阵中的旋转矩阵，θ表示旋转角
根据琼斯矩阵的传递特性，光学系统综合琼斯矩阵等于各个光学元件的琼斯矩阵相乘，所述光学装置的琼斯矩阵由J给出，如公式（2）所示
计算结果表明，入射光线经过所述光学装置之后，只有强度的变换，偏振特性并没有改变。
在一种实现方式中，所述内壁包括第一内壁、第二内壁、第三内壁和第四内壁，所述第一内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第四内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第一内壁与所述第四内壁垂直，所述第一内壁上设置有第一平面镜M1，所述第一平面镜M1与所述第一内壁的夹角为22.5度；所述第二内壁上设置有第二平面镜M2，所述第二平面镜M2与所述第二内壁的夹角为22.5度；所述第三内壁上设置有第三平面镜M3，所述第三平面镜M3与所述第三内壁的夹角为22.5度；所述第四内壁上设置有第四平面镜，所述第四平面镜与所述第四内壁的夹角为22.5度。
应理解，所述内壁的结构可以有多种变化，本申请实施例示出的结构仅为示例。如，所述内壁可以为柱体内壁等其他结构。
在一种实现方式中，所述第一内壁上设置有第一凸台，所述第一凸台的斜面上设置有所述第一平面镜M1，所述第一凸台的斜面与所述第一内壁的夹角为22.5度；所述第二内壁上设置有第二凸台，所述第二凸台的斜面上设置有所述第二平面镜M2，所述第二凸台的斜面与所述第二内壁的夹角为22.5度；所述第三内壁上设置有第三凸台，所述第三凸台的斜面上设置有所述第三平面镜M3，所述第三凸台的斜面与所述第三内壁的夹角为22.5度；所述第四内壁上设置有第四凸台，所述第四凸台的斜面上设置有所述第四平面镜，所述第四凸台的斜面与所述第四内壁的夹角为22.5度。
应理解，所述第一内壁、所述第二内壁、所述第三内壁和所述第四内壁还可以通过其他方式设置平面镜，如在所述第一内壁、所述第二内壁、所述第三内壁和所述第四内壁均设置凹槽，在所述凹槽中设置平面镜，或者还可以通过螺母来设置平面镜。
在一种实现方式中，所述光学装置应用于望远镜的折轴光路。
利用光线追迹软件模拟光线经过4个倾斜的平面反射镜，建立折轴系统的光学模型，如图2所示，光线以22.5°角度入射到折轴系统第一面反射镜，依次，入射到第2面反射镜，第3面反射镜和第4面反射镜的入射角度都是22.5°，经过四个反射镜后，与入射光夹角90度出射系统，出射光线与入射光线只有强度的变换，偏振特性并没有改变。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
基座，在所述基座的内壁上设置有第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜；
其中，所述第一平面镜的延长线与所述第二平面镜延长线的夹角为45度，所述第三平面镜的延长线与所述第四平面镜延长线的夹角为45度，第一平面垂直于第二平面，所述第一平面为所述第二平面镜的入射光线与所述第二平面镜的出射光线形成的平面，所述第二平面为所述第四平面镜的入射光线与所述第四平面镜的出射光线形成的平面；
入射光线经所述第一平面镜、所述第二平面镜、所述第三平面镜和所述第四平面镜依次反射，得到出射光线；入射光线以22.5°角度入射到折轴系统第一面反射镜，依次，入射到第2面反射镜，第3面反射镜和第4面反射镜，入射角度都是22.5°，经过四个反射镜后，与入射光夹角90度射出；所述内壁包括第一内壁、第二内壁、第三内壁和第四内壁；
所述第一内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第四内壁分别与所述第二内壁和所述第三内壁垂直连接，所述第一内壁与所述第四内壁垂直，
所述第一内壁上设置有第一平面镜，所述第一平面镜与所述第一内壁的夹角为22.5度；
所述第二内壁上设置有第二平面镜，所述第二平面镜与所述第二内壁的夹角为22.5度；
所述第三内壁上设置有第三平面镜，所述第三平面镜与所述第三内壁的夹角为22.5度；
所述第四内壁上设置有第四平面镜，所述第四平面镜与所述第四内壁的夹角为22.5度；
所述第一内壁上设置有第一凸台，所述第一凸台的斜面上设置有所述第一平面镜，所述第一凸台的斜面与所述第一内壁的夹角为22.5度；
所述第二内壁上设置有第二凸台，所述第二凸台的斜面上设置有所述第二平面镜，所述第二凸台的斜面与所述第二内壁的夹角为22.5度；
所述第三内壁上设置有第三凸台，所述第三凸台的斜面上设置有所述第三平面镜，所述第三凸台的斜面与所述第三内壁的夹角为22.5度；
所述第四内壁上设置有第四凸台，所述第四凸台的斜面上设置有所述第四平面镜，所述第四凸台的斜面与所述第四内壁的夹角为22.5度。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置应用于望远镜的折轴光路。
3.一种降低仪器偏振效应的方法，其特征在于：通过权利要求1所述的光学装置进行，在基座内壁上设置四面平面反射镜，其中两组夹角互为45度，但不相交；
其中，入射光线射入所述光学装置，经第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜依次反射，得到出射光线。
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