CN115808243A

CN115808243A - 一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法

Info

Publication number: CN115808243A
Application number: CN202211654513.5A
Authority: CN
Inventors: 鞠学平; 颜昌翔; 邵建兵
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-03-17

Abstract

一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法涉及光学装置标定技术领域，解决了现有机械标定精度差的问题，包括：光源、平行光管、标定偏振片、待标定的强度调制模块和第一光谱仪置于同一光轴上，标定偏振片的透光轴方向和线偏振片0°线偏方向相对应；计算第一光谱仪在不同波长下的理论光强响应数据的极大值，选择光强响应达到局部极大值的波长；旋转标定偏振片，同时记录波长在不同标定偏振片透光轴方向下第一光谱仪的光强响应值；对第一光谱仪的光强响应值进行处理，得到第一光谱仪的光强响应值达到最大值时所对应的标定偏振片的透光轴方向，该透光轴方向为待标定强度调制模块的基准方向。本发明标定精度高，过程简便，易于工程实现。

Description

一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法

技术领域

本发明涉及光学装置标定技术领域，具体涉及一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法。

背景技术

偏振探测具有穿云透雾、识别真伪、强光弱化、弱光强化等突出优势，新型偏振光谱测量仪器已成为研究热点。在偏振光谱探测领域，强度调制型偏振光谱测量技术作为一种先进的偏振光谱测量技术，可以在宽波段内对目标进行全静态、快照式、全Stokes(斯托克斯)参量测量。强度调制型偏振光谱仪的核心组件是偏振光谱强度调制(PolarimetricSpectral Intensity Modulation,PSIM)模块，该模块由两个多级波片和一个偏振片组成，多级波片的快慢轴方向、相位因子会显著影响仪器的测量结果，因此需要精确标定。除PSIM模块外，强度调制型偏振光谱仪中其他光学系统自身的偏振效应也会引入测量误差，同样需要进行精确标定。

现有技术在实现强度调制型偏振光谱仪的标定过程中需要采用特定方位角(如0°、22.5°和45°)的线偏振光，这些精确的角度条件都是相对于强度调制模块的基准方向，因此准确标定强度调制模块的基准方向是仪器后续进行实验室标定的前提。为了获取强度调制模块的基准方向，通常可采用提前在强度调制模块的偏振片通光面上留下参考方向的标记，然后在光学系统装调过程中多次传递，最终在偏振光谱仪上留下相应的方向指示，但是该方法存在偏振片标记精度有限，在装调和多级传递过程中，最终的方向指示精度会变得更差，难以满足高精度实验室标定需求；同时由于强度调制模块在装调完成后(或装入强度调制型偏振光谱仪的光学系统中)，通常采用的偏振消光的方式，也无法满足高精度实验室标定需求。

因此，如何标定强度调制型偏振光谱仪中的关键部件强度调制模块的基准方向，便于后续的仪器系统标定，是本领域技术人员在仪器研制、装调和标定过程中亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，包括：

步骤一、将光源、平行光管、标定偏振片、待标定的强度调制模块和第一光谱仪置于同一光轴上，标定偏振片的透光轴方向和所述强度调制模块中线偏振片的0°线偏振方向相对应；所述标定偏振片位于调整架上，通过旋转调整架能够调整标定偏振片的透光轴方向；

步骤二、计算第一光谱仪在不同波长下的理论光强响应数据，根据理论光强响应极大值，选择光强响应达到局部极大值的波长λ'；

步骤三、旋转标定偏振片，同时记录波长λ'的光束在不同标定偏振片透光轴方向下第一光谱仪的光强响应值；

步骤四、对步骤三得到的第一光谱仪的光强响应值进行处理，得到第一光谱仪的光强响应值达到最大值时所对应的标定偏振片的透光轴方向，该透光轴方向为待标定强度调制模块的基准方向。

本发明的有益效果是：

本发明一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法的标定精度高，标定过程简便，易于工程实现。基于本发明，既可以确定强度调制模块基准方向，便于强度调制模块的偏振误差标定和强度调制型偏振光谱仪的整机偏振辐射标定；又可以作为进入仪器的目标光的偏振方向的参考，对于后续仪器数据应用提供基础，对强度调制型偏振光谱遥感仪器的高精度标定、定量化应用具有重要的理论意义和工程价值。

附图说明

图1为本发明的一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法的流程图。

图2为步骤一对应的结构图。

图3为步骤四得到的曲线拟合图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明是采用光学方法对强度调制模块的基准方向进行标定，标定精度优于一般的机械标记方法，同时标定过程简便，易于工程实现。现有技术为了获取强度调制模块的基准方向，通常可采用提前在强度调制模块的偏振片通光面上留下方向标记，然后在光学系统装调过程中多次传递，最终在仪器上留下相应的方向指示，但是该方法存在偏振片标记精度有限，在装调和多级传递过程中，最终的方向指示精度会变得更差，传统的偏振消光的方式，在强度调制模块的光学元件全部安装后也无法实现。

一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，如图1，具体为一种强度调制型偏振光谱仪中的强度调制模块的基准方向标定方法，包括如下步骤：

步骤一、将光源、平行光管、标定偏振片、待标定的强度调制模块和第一光谱仪置于同一光轴上，如图2，标定偏振片的透光轴方向对应装调得到的所述强度调制模块的参考方向设置，也就是将标定偏振片的透光轴方向对准(不要求绝对对准，大致对准即可)装调得到的所述强度调制模块的参考方向，所述参考方向为强度调制模块中线偏振片的0°线偏振方向，所述标定偏振片位于调整架上；通过旋转所述调整架能够调整标定偏振片的透光轴方向。

将稳定光源、平行光管、标定偏振片(放置于精密调整架中)、待标定的强度调制模块(或是待标定的强度调制型偏振光谱仪，即具有强度调制模块的偏振光谱仪)和第一光谱仪的光轴对准，标定偏振片放置于精密调整架中，旋转精密调整架，将标定偏振片的透光轴方向与强度调制模块在装调过程中留下的参考方向大致对准，参考方向为强度调制模块中线偏振片的0°线偏振方向，此处的对准仅作为位置参考，无精度要求。

上述第一光谱仪的“第一”并不表示顺序性和重要程度，只为区分用于标定的光谱仪和待标定的偏振光谱仪。

步骤二、计算第一光谱仪在光源不同波长光束下的理论光强响应数据，根据理论光强响应极大值，选择光强响应达到局部极大值的波长λ'。

作为一种优选实施例：计算第一光谱仪在不同波长下的理论光强响应数据，观察和\或记录第一光谱仪的实际光强响应数据，根据理论光强响应极大值和实际光强响应数据极大值，选择光强响应达到局部极大值的波长λ'；

通过理论计算的同时观察记录光谱仪的光强响应数据，选择理论计算值λ₀附近使光强响应达到局部极大值的波长点，作为感兴趣的波长λ₁，优先选择光源和第一光谱仪工作波段范围内、光强响应较高的波长点。λ₁为λ₀附近的波长，例如λ₀－20nm＜λ₁＜λ₀+20nm。

步骤三、旋转标定偏振片，同时记录λ'(波长λ₀或λ₁的光束)在不同标定偏振片Pc透光轴方向下第一光谱仪的光强响应值。利用精密调整架旋转标定偏振片，改变其透光轴方向，同时记录波长λ'在不同标定偏振片Pc透光轴方向下第一光谱仪的光强响应值。

步骤四、对步骤三得到的第一光谱仪的光强响应值进行处理，得到第一光谱仪的光强响应值达到最大值时所对应的标定偏振片Pc的透光轴方向，该透光轴方向为待标定强度调制模块的基准方向。

对波长λ'在不同标定偏振片Pc的透光轴方向下的强度数据进行处理，通过曲线插值拟合的方式，寻找使波长λ'的强度达到极大值所对应的标定偏振片Pc的透光轴方向，该透光轴方向即是待标定强度调制模块的基准方向。

下面给出一种具体实施例，光源选择卤钨灯光源，搭配稳压电源使用，保障光源强度的稳定性；平行光管选择透射式平行光管；标定偏振片Pc选择格兰-汤普森棱镜；强度调制模块包括顺次设置的第一石英多级波片R1、第二石英多级波片R2(厚度比d1:d2＝1:2)和一片第三偏振片P组成；第一光谱仪选择可见近红外光谱仪。第一石英多级波片R1厚度为d1，第二石英多级波片R2厚度为d2，d1:d2＝1:2。

本实施例中所述的强度调制模块的基准方向即为强度调制模块中的第三偏振片P的透光轴方向，亦是本发明实施例中所有角度的参考方向。对于单独的偏振片可通过偏振消光的方式标定其透光轴方向，但是由于第一石英多级波片R1、第二石英多级波片R2的存在，导致该方式不再适用，因此本发明提出新的光学标定方法，标定其基准方向。

该标定方法利用偏振光学相关原理，推导任意偏振相角的线偏振光入射包含未知方位角误差的强度调制模块的光谱响应模型，分析不同偏振相角下，各个波长的强度响应规律，建立标定偏振片的透光轴方向与待标定强度调制模块基准方向的相关关系，通过数据分析完成强度调制模块基准方向的标定。具体过程如下：

如图1所示，将卤钨灯稳定光源、平行光管、待标定的强度调制模块(或强度调制型偏振光谱仪)和可见近红外光谱仪的光轴顺次对准，此时可见近红外光谱仪记录的数据约为1/2·I(λ)，其中I(λ)是光源在不同波长下的辐亮度数据。然后将置于精密调整架中的标定偏振片Pc放入光路，旋转精密调整架，将标定偏振片的透光轴方向与强度调制模块装调过程中留下的方向标记大致对准。

通过理论计算第一光谱仪在不同波长下的理论光强响应数据

对于透光轴方向为θ的标定偏振片Pc，其透射光的Stokes矢量为：

其中，I_λ即I(λ)。

对于方位角为0°+ε₁，相位延迟量为δ₁(λ)的第一石英多级波片R1，其Mueller矩阵表达式如下：

对于方位角为45°+ε₂，相位延迟量为δ₂(λ)的第二石英多级波片R2，其Mueller矩阵表达式如下：

其中，ε₁、ε₂分别是第一石英多级波片R1、第二石英多级波片R2的方位角误差。对于透光轴方向为0°的第三偏振片P，其Mueller矩阵表达式如下：

因此，对于任意起偏方向为θ的线偏振光入射时，第一光谱仪得到的强度数据(光强响应数据)如下：

其中，上式4×1矩阵是进入第一光谱仪探测器的光的Stokes矢量，第一项1+A表示强度信息，可由第一光谱仪的探测器获取，具体公式形式详见下述分析；第二、三、四项NA表示光的偏振信息，探测器无法直接获取，因此具体公式未列出，以NA代替。

由于ε₁、ε₂是方位角误差，量级很小，忽略二阶小量sin²2ε₁、sin²2ε₂、和sin2ε₁·sin2ε₂，同时cos2ε₁≈1、cos2ε₂≈1。此时A的表达式如下：

然后计算合适的特定波长λ₀，同时观察可见近红外光谱仪的光强响应数据曲线，在理论计算值λ₀及其附近，选择能够使强度调制光谱达到局部极值的波长点，作为最终的波长。

λ₀的计算公式如下：令cosδ₂(λ₀)≈1,cosδ₁(λ₀)≈1,即：

其中m、n、k均为正整数，Δn表示强度调制模块中多级波片的双折射率系数，在本实施例中，d1＝1.0mm，d2＝2.0mm，可见近红外光谱仪的光谱响应范围是400nm-1000nm，根据石英的材料参数可知，在该波段范围内Δn＝0.00906，代入公式(7)计算可得，在400nm-1000nm的范围内，k的取值范围是5-11，以k＝6为例，λ₀≈755nm。

利用精密调整架旋转标定偏振片Pc，使其透光轴方向在强度调制模块装调过程中留下的方向标记附近变化±10°左右，同时记录波长λ₀在不同标定偏振片Pc的透光轴方向下的光强响应值。最终通过曲线拟合如3，计算得到使波长λ₀能够达到极值点(最大值)的标定偏振片Pc的方位角θ_Pc，通过精密调整架将标定偏振片Pc的透光轴调整到方位角θ_Pc，此时标定偏振片Pc的透光轴方向即为强度调制型偏振光谱仪中的关键部件强度调制模块的基准方向。

本发明一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法的标定精度优于一般的机械标记方法，同时标定过程简便，易于工程实现。本发明利用本方法的研究成果，既可以确定强度调制模块基准方向，便于强度调制模块的偏振误差标定和强度调制型偏振光谱仪的整机偏振辐射标定；又可以作为进入仪器的目标光的偏振方向的参考，对于后续仪器数据应用(如偏振导航、偏振消光观测等)提供基础。对强度调制型偏振光谱遥感仪器的高精度标定、定量化应用具有重要的理论意义和工程价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，其特征在于，包括：

步骤三、旋转标定偏振片，同时记录波长λ'的光束在不同标定偏振片Pc透光轴方向下第一光谱仪的光强响应值；

2.如权利要求1所述的一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，其特征在于，所述步骤二具体为：计算第一光谱仪在不同波长下的理论光强响应数据，观察和\或记录第一光谱仪的实际光强响应数据，根据理论光强响应极大值和实际光强响应数据，选择光强响应达到局部极大值的波长λ'。

3.如权利要求1所述的一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，其特征在于，所述步骤三具体为：利用调整架旋转标定偏振片，旋转角度范围为±10°。

4.如权利要求1所述的一种通道型偏振光谱仪强度调制模块的基准方向标定方法，其特征在于，所述步骤四具体为通过曲线插值拟合的方式，得到第一光谱仪光强响应值和标定偏振片方位角的关系曲线，根据所述关系曲线得到第一光谱仪的光强响应值达到最大值时所对应的标定偏振片的透光轴方向。