DE19547553C1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung.

Der überwiegende Teil der optischen Strahlung, der das menschliche Auge oder Detektoren erreicht, entsteht durch Streuung oder Reflexion an der Oberfläche des zu beobachtenden Objektes. Durch die Reflexion kann die optische Strahlung polarisiert werden, was allgemein für elektromagnetische Strahlung gilt. Die Art und das Ausmaß der Polarisation sind eine Funktion des Einfallswinkels, der Oberflächenstruktur und des Materials. Zur Bestimmung der Polarisation elektromagnetischer Strahlung sind die verschiedensten Vorrichtungen bekannt.

So ist z. B. aus der GB-PS 14 72 854 eine Vorrichtung bekannt, die aus zwei Fernsehkameraröhren als bildgebende Sensoren besteht, die Licht über einen Strahlteiler empfangen. Der Strahlteiler besteht aus einem teilweise reflektierenden Spiegel und Polarisatoren, deren Polarisationsrichtungen bzw. Azimute rechtwinklig zueinander eingestellt werden. Nach einer Gammakorrektur zur Kompensation von Nichtlinearitäten des Kamerasystems werden die Videosignale kombiniert, um ein für die Polarisation repräsentatives Bildsignal zu erzeugen. Bei einer anderen Kameravorrichtung kann an Stelle der beiden Kameraröhren eine einzige Röhre benutzt werden, die zwei getrennte lichtempfindliche Schirme besitzt, oder es kann eine einzige Kamera mit einem einzigen Schirm in Verbindung mit einem Polarisator benutzt werden, z. B. mit einer rotierenden Polarisationsplatte oder einem elektrooptischen Kristall, wodurch periodisch die Polarisationsrichtung des von der Kamera empfangenen Lichtes geändert wird, wobei eine Signalverzögerungsvorrichtung die während der jeweiligen Perioden abgenommene Signale in Synchronismus bringt.

Aus der DE 38 24 968 A1 ist eine Vorrichtung mit einem bildgebenden Sensor bekannt, welche ein Linsensystem benutzt, das eine optische Achse hat und einfallende Strahlung von einer betrachteten Szene empfängt und ein fokussiertes Bild hiervon erzeugt. Der Detektor, der auf der optischen Achse an der Stelle des fokussierten Bildes angeordnet ist und ein linearer Polarisator und eine Verzögerungsvorrichtung sind beide auf der optischen Achse angeordnet und haben jeweils eine maximale elektrische Vektorrichtung quer zur optischen Achse. Es ist wenigstens eine Vorrichtung vorgesehen, um die Eigenschaften dieses Systems zu ändern, indem

• - die Richtung des elektrischen Vektors des Polarisators relativ zum Detektor gedreht wird,
• - die Richtung des elektrischen Vektors der Verzögerungsvorrichtung relativ zum Detektor gedreht wird oder
• - die Verzögerung der Verzögerungseinrichtung eingestellt wird.

Aus der DE 38 24 968 A1 ist ein weiterer bildgebender Sensor bekannt (zitiert als GB-A 81 25 282) ist ein bildgebender Sensor bekannt, der Polarisationsmittel umfaßt, um optische Strahlung von einer Szene zu empfangen und um Bilder der jeweiligen Szene zu erzeugen, welche durch Strahlungskomponenten gebildet werden, die sich in Bezug auf die Polarisation unterscheiden. Dabei sind zwei ladungsgekoppelte Abbildungsvorrichtungen vorgesehen, um elektrische Bildsignale zu erzeugen, die diesen Bildern entsprechen und es sind weiter Mittel vorgesehen, um die Bildsignale zu kombinieren und ein Signal zu erzeugen, das eine Information über die Polarisation der optischen Strahlung der Szene enthält.

Aus der US-PS 5,440,390 ist eine Vorrichtung zur Kontrolle von Werkstücken und Herstellungsprozessen bekannt, bei der das zu kontrollierende Werkstück mit einem polarisierten Lichtstrahl fester bekannter Orientierung bestrahlt wird. Aufgrund der Werkstoffeigenschaften wird die Polarisationsrichtung der reflektierten bzw. transmittierten Lichtstrahlung geändert. Zur Auswertung der Änderung der Polarimetrie wird in den Strahlengang ein Bündel Glasfaserkabel angeordnet, wobei jedes einzelne Glasfaserkabel einen anderen Azimut aufweist, d. h. nur Licht mit bestimmter Polarisationsrichtung durchläßt. Jedem Glasfaserkabel ist ein Segment einer CCD-Matrix zugeordnet, so daß aufgrund der empfangenen Intensitätsunterschiede von den einzelnen Glasfaserkabeln Rückschlüsse auf die Polarisation der vom Werkstück reflektierten Strahlung gezogen werden können.

Aus der US-PS 5,438,414 ist eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Erfassung von zwei Polarisationsrichtungen der sich von schnell bewegenden Objekte emittierten Strahlung. Oberhalb einer CCD-Matrix ist dazu ein doppelbrechendes Material, wie z. B. TiO₂ angeordnet. Auf der CCD-Matrix werden jeweils zwei benachbarte CCD-Elemente zu einem Bildpunkt zusammengefaßt. Die nun einfallende Strahlung wird am doppelbrechenden Material in zwei zueinander senkrecht stehende linearpolarisierte Anteile zerlegt, wobei der jeweilige Anteil auf das dazugehörige CCD-Element gelenkt wird. Zur Vermeidung von Beeinflussungen benachbarter Bildpunkte sind auf dem doppelbrechenden Material lichtundurchlässige Streifen aufgebracht. Dadurch wird verhindert, daß von einem Bildpunkt herrührende Strahlung von dem zum benachbarten Bildpunkt zugehörigen CCD-Element empfangen wird.

Nachteilig bei allen diesen Vorrichtungen ist, daß entweder die Polarisation der elektromagnetischen Strahlung nicht simultan bestimmt werden kann, mehrere Detektoren verwendet werden, bewegbare Komponenten notwendig sind, oder aber eine zu große Fehleranfälligkeit aufweisen, was insbesondere die Verwendung dieser Vorrichtungen in der Raumfahrttechnik erschwert.

Der Erfindung liegt von daher das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung, insbesondere auch des sichtbaren und des nahen infraroten Spektralbereiches zu schaffen, die mit nur einem Detektor ohne bewegte Komponenten bei geringer Störanfälligkeit auskommt.

Die Lösung dieses Problemes ergibt sich aus den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die matrixförmige oder zeilenförmige Aufteilung des Detektors für die elektromagnetische Strahlung und der gleichmäßig abwechselnden Zuordnung von Polarisatoren unterschiedlichen Azimuts zu den Matrixfeldern bzw. Zeilenfeldern ist die simultane Bestimmung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung ohne bewegte Komponenten mit nur einem Detektor möglich. Dazu werden benachbarte Matrixfelder bzw. matrixartig auswertbare Zeilen einer oder mehrerer Spalten, denen unterschiedliche Polarisatoren zugeordnet sind, zu einem oder mehreren übergeordneten Detektorelement zusammengefaßt. An diesem übergeordneten Detektorelement kann gleichzeitig der Polarisationszustand gemessen werden. Durch die Verwendung einer CCD-Matrix oder eines CCD-Zeilen-Sensors ist durch die Technologie der Mikroelektronik eine besonders kompakte Bauweise möglich, mit der es insbesondere einfach möglich ist, den Detektor matrix- oder zeilenförmig aufzubauen. Durch die Anordnung der Polarisatoren an oder auf dem Detektor kann die Kompaktheit der Vorrichtung weiter erhöht werden. Durch die Vorschaltung eines wellenlängendispersiven Elementes kann die spektrale Abhängigkeit des Polarisationszustandes von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ausgemessen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier schematischer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Vorrichtung mit einer CCD-Matrix als Detektor für die elektromagnetische Strahlung und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung mit einem CCD-Zeilen-Sensor als Detektor für die elektromagnetische Strahlung.

Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine CCD-Matrix 1 als Detektor für die elektromagnetische Strahlung. Die CCD-Matrix 1 ist in eine Vielzahl von Matrixfeldern 2 unterteilt, wobei ein Matrixfeld 2 aus einem oder mehreren CCD-Bauelementen bestehen kann. Auf die einzelnen Matrixfelder 2 sind, vorzugsweise als Polarisationsfolien ausgebildete, Polarisatoren 3, 4, 5 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Die Polarisatoren 3, 4, 5 weisen unterschiedliche Azimute auf und sind abwechselnd regelmäßig angeordnet. Die Polarisatoren 3 weisen z. B. einen Azimut von 0°, die Polarisatoren 4 von 60° und die Polarisatoren 5 von 120° auf. Die Polarisatoren 3 mit einem Azimut von 0° lassen nur 0° bzw. 180° linear polarisierte elektromagnetische Strahlung zu den zugeordneten Matrixfeldern 2 durch. Die Polarisatoren 4 mit einem Azimut von 60° lassen nur 60° bzw. 240° linear polarisierte elektromagnetische Strahlung zu den entsprechenden Matrixfeldern 2 durch. Die Polarisatoren 5 mit einem Azimut (Durchlaßrichtung) von 120° lassen nur linear polarisierte elektromagnetische Strahlung mit einer Polarisation von 120° bzw. 300° zu den zugeordneten Matrixfeldern 2 durch. Unter Azimut wird in diesem Zusammenhang der Winkel zwischen dem elektrischen Feldstärkevektor und der Vorzugsrichtung des Polarisationselementes verstanden. Um nun den Polarisationszustand von elektromagnetischer Strahlung über die gesamte CCD-Matrix 1 zu ermitteln, werden jeweils drei benachbarte Polarisatoren 3, 4, 5 unterschiedlichen Azimuts zu einem übergeordneten Bildelement 6 zusammengefaßt. Durch Auswertung der an den einzelnen Matrixfeldern gemessenen optischen Strahlung eines übergeordneten Bildelementes 6 läßt sich der Polarisationszustand bezüglich des linear polarisierten Anteiles der optischen Strahlung im Bereich des übergeordneten Bildelementes 6 bestimmen. Durch Auswertung aller übergeordneten Bildelemente 6 läßt sich der Polarisationszustand über die gesamte momentan von der CCD-Matrix 1 aufgenommenen Strahlung bestimmen. Durch Variation der Matrixfelder, die zusammen zu einem übergeordneten Bildelement 6 zusammengefaßt werden, lassen sich mögliche Fehler durch die Diskretisierung minimieren.

Mittels Zuordnung eines wellenlängendispersiven, wellenlängenselektierenden Bauelementes zu der CCD-Matrix 1 kann die spektrale Abhängigkeit des Polarisationszustandes von der Wellenlänge der optischen Strahlung bestimmt werden. Als wellenlängenselektierendes Bauelement kann z. B. ein Verlaufsinterferenzfilter vor der CCD-Matrix 1 oder die CCD-Matrix 1 in der Fokalebene eines abbildenden Spektrometers angeordnet werden. Das wellenlängenselektierende Bauelement kann so ausgewählt werden, daß jeweils genau der interessierende Wellenlängenbereich (also wellenlängenspezifisch) der optischen Strahlung passieren kann, so daß auch der CCD-Matrix 1 nur dieser Wellenlängenbereich der optischen Strahlung zur Bestimmung seines Polarisationszustandes zugeführt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen von gegebenenfalls mehreren benachbarten CCD-Zeilen-Sensoren 7 mit Zeilen 8. Auf die Zeilen 8 sind gleichmäßig abwechselnd Polarisatoren 13, 14, 15 unterschiedlichen Azimuts aufgebracht. Jeweils drei benachbarte Zeilen 8 mit Polarisatoren 13, 14, 15 unterschiedlichen Azimuts werden zu einem übergeordneten Bildelement 16 zusammengefaßt. Die Auswertung des Polarisationszustandes erfolgt dann analog der Auswertung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Alternativ ist es ebenso möglich Zeilen benachbarter Sensoren zur gemeinsamen Auswertung heranzuziehen. Vorzugsweise werden auch dabei jeweils drei Zeilen, die unterschiedlichen Azimuten zugeordnet sind, ausgewertet. Zur spektralen Auswertung des Polarisationszustandes der optischen Strahlung kann dem CCD-Zeilen-Sensor 7 auch hier ein wellenlängenselektives Element zugeordnet werden. Die Auswertung erfolgt analog dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung, umfassend mindestens einen Detektor für die elektromagnetische Strahlung und mindestens zwei Polarisatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die elektromagnetische Strahlung matrixartig oder zeilenförmig oder spaltenförmig angeordnete Felder aufweist und benachbarten einzelnen Feldern (2; 8) Polarisatoren (3, 4, 5; 13, 14, 15) unterschiedlichen Azimuts gleichmäßig abwechselnd zugeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die elektromagnetische Strahlung als bildgebender Sensor, insbesondere als CCD-Matrix (1) oder CCD-Zeilen-Sensor (7), ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren (3, 4, 5; 13, 14, 15) auf dem Detektor für die elektromagnetische Strahlung angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren mittels einer Zwischenabbildung im Abbildungsstrahlengang auf die Oberfläche des Detektors für die elektromagnetische Strahlung abgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor für die elektromagnetische Strahlung ein wellenlängenselektierendes Element zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenselektierende Element als Verlaufsinterferenzfilter, Beugungsgitter, Prisma oder sonstiges wellenlängenspezifisches Filter ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für die elektromagnetische Strahlung in der Fokalebene eines abbildenden Spektrometers angeordnet ist.