CN116358704A - 一种光谱偏振测量系统及方法 - Google Patents

一种光谱偏振测量系统及方法 Download PDF

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CN116358704A CN202310241310.1A CN202310241310A CN116358704A CN 116358704 A CN116358704 A CN 116358704A CN 202310241310 A CN202310241310 A CN 202310241310A CN 116358704 A CN116358704 A CN 116358704A
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Abstract

本发明提供了一种光谱偏振测量系统及方法，包括光谱仪、光谱仪前放置第一偏振片和第二偏振片，被测光顺序经过旋转的第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，由光谱仪输出信号，经对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。本发明提供的一种光谱偏振测量系统及方法在宽谱段上获取高精度光谱偏振信息测量系统，在测量光束的光谱和偏振态，光学元件在光谱上的偏振特性，生物样品的在光谱上的吸收和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。

Description

一种光谱偏振测量系统及方法
技术领域
本发明涉及线偏振光测量技术，尤其涉及一种光谱偏振测量系统及方法。
背景技术
航天光学遥感领域中，偏振和光谱因其携带很多信息，是需要关注的光学属性。对于偏振信息，通常采用如将3偏振片安装在转盘上的分时偏振测量系统，此测量系统测量精度受偏振片透光轴定位精度的影响较大，受到探测器和光源稳定性的影响也较大，故难以做到高精度测量；如使用沃拉斯顿棱镜分离p光和s光的分振幅偏振测量系统，此系统经沃拉斯顿棱镜分光后形成两条相同的光路，系统组成复杂，且测量精度与沃拉斯顿棱镜透光轴的方向高度相关，故成本高，装调难度大；如使用新型探测器的分焦平面偏振测量系统，受工艺限制，焦平面无法做到高消光比，故测量误差大；如旋转波片的全斯托克斯参量测量系统，此测量系统中用到波片，在很窄的光谱范围内相位延迟精确，在宽光谱范围内有很大误差，无法一次测量便获得宽谱段上的偏振信息。
因此，如何实现光谱和偏振信息的同时测量，提升测量精度和光谱范围是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中光栅光谱仪偏振灵敏度对测量精度影响大、光谱仪探测器的稳定性误差及偏振元件消光比误差等问题，提供一种光谱偏振测量方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种光谱偏振测量系统用光偏振态测量方法，包括以下步骤：
步骤一，被测光顺序经过第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，驱动第一偏振片连续旋转，对入射光的调制用斯托克斯矢量和穆勒矩阵描述如下：
Figure BDA0004124232990000021
其中Sin为入射光的斯托克斯矢量，s0～s2是入射光的斯托克斯矢量的分量；Sout为到达探测器时的斯托克斯矢量；M1(β)为第一偏振片的穆勒矩阵；M2为第二偏振片的穆勒矩阵；M3为光栅光谱仪自身偏振的穆勒矩阵，m11～m33为其矩阵元素；β为第一偏振片(1)的偏振方位角，τ为偏振片消光比；
步骤二，通过第一偏振片的连续旋转，等间隔多次采样，将光谱仪的输出值组成系列数据I＝{I1，I2，I3，······，IN}，建立入射光束偏振状态(S0，S1，S2)T和an、bn的关系，获取信号的傅里叶级数与光束斯托克斯参量之间的关系：通过Powell算法和批量梯度下降算法对系列数据进行傅里叶分析得到a0、a2、a4、b2、b4
I＝a0+a2cos(2β)+a4cos(4β)+b2sin(2β)+b4sin(4β)
其中：
Figure BDA0004124232990000022
Figure BDA0004124232990000023
Figure BDA0004124232990000024
Figure BDA0004124232990000025
Figure BDA0004124232990000031
其中a0、a2、a4、b2、b4为0、2、4级傅里叶级数；
步骤三，根据下述公式计算入射光的斯托克斯参量，获得偏振态：
Figure BDA0004124232990000032
Figure BDA0004124232990000033
Figure BDA0004124232990000034
步骤四，通过入射光的偏振角Ψ与线偏振度DoLP，得到入射光的所有偏振信息：
Figure BDA0004124232990000035
Figure BDA0004124232990000036
本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种光谱偏振测量系统。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种光谱偏振测量系统，其特征在于：包括光谱仪、光谱仪前放置第一偏振片和第二偏振片，被测光顺序经过旋转的第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，由光谱仪输出信号，经对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述第一偏振片和第二偏振片为宽带线栅偏振片，在450～2400nm波段消光比大于1000：1；第二偏振片的透光轴的方向是固定不动，且固定在光谱仪输出最大时的角度；远离光谱仪的第一偏振片能够绕系统光轴360°转动。
作为本发明的优选技术方案：第一偏振片安装于电控转台，通过电控转台实现持续旋转。
作为本发明的优选技术方案：所述光谱仪为光栅分光光谱仪，覆盖450～2400nm波段，光谱分辨率为450～1000nm波段3nm，1500nm波段8nm，2100nm波段6nm。
本发明提供一种光谱偏振测量系统及方法，在验证了光栅光谱仪具有较大偏振灵敏度的基础上，第二偏振片选用固定角度的宽带线栅偏振片抑制其偏振灵敏度，提高了测量精度；结合旋转第一偏振片的分时偏振测量技术，旋转一周多点测量，对偏振片透光轴的方向没有依赖性，同时多点测量也可降低探测器和光源稳定性误差对测量的影响；辅以配套的控制程序和傅里叶分析数据处理算法，在450～2400nm谱段实现光谱和偏振信息的同时测量。本发明的优势在于适用宽谱段、高光谱分辨率、高精度、结构简单易于装调。本发明所提供的光谱偏振测量系统在宽谱段(450～2400nm)上获取高精度光谱偏振信息测量系统，在测量光束的光谱和偏振态，光学元件在光谱上的偏振特性，生物样品的在光谱上的吸收和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所提供的一种光谱偏振测量系统示意图；
附图中，第一偏振片1；第二偏振片2；光谱仪3；
图2为本发明所提供的一种光谱偏振测量系统应用于测量宽幅高光谱温室气体监测仪中退偏器的偏振特性的光路示意图；
附图中，光谱偏振分析部分4；积分球5；第三偏振片6；偏振光源部分7；退偏器8；
图3为本发明所提供的一种光谱偏振测量系统及方法测量完全线偏光所得线偏振度在光谱上的分布图示。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明的一种光谱偏振测量系统，包括两个偏振片和一个光谱仪。在光谱仪3前放置两片偏振片，即第一偏振片1和第二偏振片2。被测光顺序经过旋转的第一偏振片1及第二偏振片2后进入光谱仪，由光谱仪3输出信号，经数据数据处理对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。
第一偏振片1及第二偏振片2为宽带线栅偏振片，在450～2400nm波段消光比大于1000；靠近光谱仪3的第二偏振片2固定不动；远离光谱仪3的第一偏振片1能够绕系统光轴360°转动。
光谱仪3为光栅分光光谱仪，覆盖450～2400nm波段，光谱分辨率为450～1000nm波段3nm，1500nm波段8nm，2100nm波段6nm。
光栅光谱仪通过光栅分光，可以在450～2400nm波段范围，以3nm@450-1000nm，8nm@1500nm，6nm@2100nm的光谱分辨率获取光谱信息；其结构使用交叉型C-T结构，包含两个反射镜和一个光栅。光栅一般具有较大的偏振灵敏度，即其对不同偏振方向的光具有不同的衍射效率，反射镜也如此，故光栅光谱仪本身具有一定的偏振灵敏度。偏振灵敏度的定义为：当一束完全线偏振光入射到一个光学系统中时，在入射线偏振光的偏振方向旋转180度的过程中，设出射光强度的最大值和最小值分别为Imax和Imin，则线偏振灵敏度的数学表达式为：
Figure BDA0004124232990000061
经测量，光栅光谱仪的偏振灵敏度随波长变化，最大超过20％。因其具有偏振灵敏度且难以获得其穆勒矩阵，若使用其直接测量光束则会产生较大的误差，与本发明初衷相悖。
为消除光栅光谱仪偏振灵敏度对测量精度的不利影响，引入第二偏振片2，其透光轴固定不动，这样任何偏振方向的光通过第二偏振片2再进入光谱仪3时，偏振方向都一致，不受光栅光谱仪偏振灵敏度影响。第一偏振片1由精密电控转台驱动转一周，实现对入射光束的强度调制。
光先经过第一偏振片1，再经过第二偏振片2，最后进入光谱仪3。经过调制和光谱仪分光后，其偏振态可由系统的穆勒矩阵计算：
Figure BDA0004124232990000062
Figure BDA0004124232990000071
其中Sin为入射光的斯托克斯矢量，s0～s2是其分量；Sout为到达探测器时的斯托克斯矢量；M1(β)为第一偏振片1的穆勒矩阵；M2为第二偏振片2的穆勒矩阵；M3为光栅光谱仪3自身偏振的穆勒矩阵，m11～m33为其矩阵元素；β为第一偏振片的偏振方位角，τ为偏振片消光比。探测器只对光强敏感，且所选用偏振片的消光比大于1000，作理想偏振片处理，则有测量系统的探测方程：
Figure BDA0004124232990000072
因光谱仪自身的偏振特性在测量系统的探测方程上为固定的增益参量。改写探测方程为：
Figure BDA0004124232990000073
可以看出其为β的周期函数，可表示为傅里叶级数的形式：
I＝a0+a2cos(2β)+a4cos(4β)+b2sin(2β)+b4sin(4β)
这就建立了入射光束偏振状态(s0(λ)，s1(λ)，s2(λ))T和an、bn的关系，于是可以对系统输出的系列数据进行傅里叶分析，推算出斯托克斯矢量。
实际上，宽谱段范围内，偏振片的消光比只能达到1000:1以上，按理想偏振片对待则会带来误差。为提高精度，在数据处理中会将偏振片消光比考虑进去，考虑消光比后系统的穆勒矩阵如下：
Figure BDA0004124232990000074
探测器上得到的光强为：
Figure BDA0004124232990000081
可将其表示成I＝a0+a2Cos[2β]+a4Cos[4β]+b2Sin[2β]+b4Sin[4β]的形式。这就建立了获取信号的傅里叶级数a0～b4与光束斯托克斯参量s0～s2之间的关系。
Figure BDA0004124232990000082
Figure BDA0004124232990000083
Figure BDA0004124232990000084
Figure BDA0004124232990000085
Figure BDA0004124232990000086
可见a0～b4是s0～s2和消光比τ的函数，反解过程中，需考虑偏振片消光比τ定标误差导致s0～s2产生误差，可以对a0～b4的线性组合求τ的偏导，选取误差最小的组合方式。
最终确定a0～b4到s0～s2的反演公式如下：
Figure BDA0004124232990000087
Figure BDA0004124232990000091
Figure BDA0004124232990000092
根据下述公式可算出入射光的偏振角Ψ与线偏振度DoLP，即得到入射光的所有偏振信息：
Figure BDA0004124232990000093
Figure BDA0004124232990000094
本发明的一种光谱偏振测量系统及方法误差主要有二：光谱仪探测器的稳定性误差，偏振元件消光比误差。对于稳定性误差，本系统在第一偏振片1旋转中多次采样，设采样次数为N，光谱仪探测器漂移Δ1为1％，根据a0～b4与s0～s2的傅里叶级数关系进行适当放缩，可得由稳定性引起的系统误差δ1小于
Figure BDA0004124232990000095
偏振元件消光比误差指对偏振片消光比定标时所得消光比与真实值的偏差，根据偏振片生产厂商的定标方法，其误差
Figure BDA0004124232990000096
根据a0～b4到s2～s2的反演公式进行数值模拟，可得由偏振元件消光比误差引起的系统δ2小于0.12％，则系统总误差/>
Figure BDA0004124232990000097
本发明所提供的一种光谱偏振测量系统及方法，使用双偏振片和光谱仪实现了光束偏振特性和光谱特性的同时测量，覆盖450～2400nm光谱范围。其结构简单，易于装调。利用精密电控转台驱动第一偏振片1，实现对入射光束的强度调制，偏振片旋转中多点测量，使系统对偏振片透光轴的方向没有依赖性，同时多点测量也可降低探测器和光源稳定性误差对测量的影响；引入透光轴固定不动的第二偏振片2，任何偏振方向的光通过第二偏振片2再进入光谱仪3时，偏振方向都一致，实现不受光栅光谱仪的偏振灵敏度影响，提升了系统的测量精度。本发明所提供的一种光谱偏振测量方法，利用傅里叶分析、带入偏振片具体消光比τ的数据处理方法，实现高精度光谱偏振信息测量。
如图3所示，本发明的一种光谱偏振测量系统及方法，测量一完全线偏光所得线偏振度在光谱上的分布，可见误差控制在0.5％以内。
1)光路中先放置待测光源，第二偏振片2及光谱仪3，并使用辅助工具经纬仪进行对准。
2)控制第一偏振片2旋转180°，找到光谱仪输出最大的角度，并固定其在此角度。
3)将第一偏振片1放入光路，使用经纬仪对准。
4)使用精密电控转台使第一偏振片1旋转一周。同时设置光谱仪3扫描间隔6s，记录100组数据
5)数据处理：
①读取每组100个数据转存为.npy文件；
②使用Powell算法初步拟合傅里叶级数的0,2,4倍频系数a0～b4；
③之后使用批量梯度下降算法对数据进行训练获取更精确的傅里叶级数a0～b4；
④通过傅里叶级数a0～b4算出斯托克斯参量s0、s1、s2，进一步可以算出偏振角和偏振度。
实施例1
1、已使用本系统测量XX-2卫星主要载荷宽幅高光谱温室气体监测仪的重要光学元件退偏器的偏振特性，具体实施光路图如图2所示。测量流程如下：
1)调节偏振光源7的光路，打开积分球5光源，等待光源稳定。
2)调节好偏振光谱分析部分4的光路。
3)将退偏器8安装在样品台上，使退偏器8在系统平行光路中。
4)转动偏振片6，每间隔10°，采集一组数据；偏振片6转180°，采集完成，共获取18组数据。
则退偏器8的退偏度D＝DOLP输出-DOLP光源。在18组数据中，选取退偏度最小值来表征该退偏器的退偏性能。
2、在测量前使用一完全线偏振光源对系统精度进行验证，结果如图3所示，精度优于0.5％。
本发明的一种光谱偏振测量系统及方法，选用光谱仪作为探测器，能以最高3nm的光谱分辨率探测光谱辐亮度；靠近光谱仪的第二偏振片固定透光轴方向，用以消除光谱仪的偏振灵敏度；远离光谱仪的第一偏振片安装于精密转台上，对入射光进行强度调制。第一偏振片旋转一周，多次测量并对系列数据进行傅里叶分析，即得到光束在光谱上的斯托克斯参量。此系统可以同时测量450-2400nm波长范围光束的线偏振态以及光学元件的偏振灵敏度。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光谱偏振测量系统用光偏振态测量方法，包括以下步骤：
步骤一，被测光顺序经过第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，驱动第一偏振片连续旋转，对入射光的调制用斯托克斯矢量和穆勒矩阵描述如下：
Figure FDA0004124232980000011
其中Sin为入射光的斯托克斯矢量，s0～s2是入射光的斯托克斯矢量的分量；Sout为到达探测器时的斯托克斯矢量；M1(β)为第一偏振片的穆勒矩阵；M2为第二偏振片的穆勒矩阵；M3为光栅光谱仪自身偏振的穆勒矩阵，m11～m33为其矩阵元素；β为第一偏振片(1)的偏振方位角，τ为偏振片消光比；
步骤二，通过第一偏振片的连续旋转，等间隔多次采样，将光谱仪的输出值组成系列数据I＝{I1，I2，I3，······，IN}，建立入射光束偏振状态(S0，S1，S2)T和an、bn的关系，获取信号的傅里叶级数与光束斯托克斯参量之间的关系：
通过Powell算法和批量梯度下降算法对系列数据进行傅里叶分析得到a0、a2、a4、b2、b4I＝a0+a2cos(2β)+a4cos(4β)+b2sin(2β)+b4sin(4β)
其中：
Figure FDA0004124232980000012
Figure FDA0004124232980000013
Figure FDA0004124232980000014
Figure FDA0004124232980000015
Figure FDA0004124232980000016
其中a0、a2、a4、b2、b4为0、2、4级傅里叶级数；
步骤三，根据下述公式计算入射光的斯托克斯参量，获得偏振态：
Figure FDA0004124232980000021
Figure FDA0004124232980000022
Figure FDA0004124232980000023
步骤四，通过入射光的偏振角Ψ与线偏振度DoLP，得到入射光的所有偏振信息：
Figure FDA0004124232980000024
Figure FDA0004124232980000025
2.使用权利要求1所述的光谱偏振测量系统，其特征在于：包括同轴安装的光谱仪、光谱仪前放置第一偏振片和第二偏振片，被测光顺序经过旋转的第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，由光谱仪输出信号，经对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。
3.如权利要求2所述的光谱偏振测量系统，其特征在于：所述第一偏振片和第二偏振片为宽带线栅偏振片，在450～2400nm波段消光比大于1000：1；第二偏振片的透光轴的方向是固定不动，且固定在光谱仪输出最大时的角度；远离光谱仪的第一偏振片能够绕系统光轴360°转动。
4.如权利要求3所述的光谱偏振测量系统，其特征在于：第一偏振片安装于电控转台，通过电控转台实现持续旋转。
5.如权利要求2所述的光谱偏振测量系统，其特征在于：所述光谱仪为光栅分光光谱仪，覆盖450～2400nm波段，光谱分辨率为450～1000nm波段3nm，1500nm波段8nm，2100nm波段6nm。
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