通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应分析与优化
1 引言
近年来,由于通道型偏振光谱仪可同时获取目标物体的空间强度、光谱信息和偏振信息,在生命科学[1-2]、大气气溶胶探测[3-5]和目标识别[6-8]等众多领域有重要的应用价值,因此构建具有高精度的通道型偏振光谱仪对大气科学、生物医学等领域的研究具有重要意义。
通道型偏振光谱仪由望远镜组、强度调制模块、成像镜组、光谱仪和探测器组成。目标光线在通道型偏振光谱仪的传输过程中,望远镜组和成像镜组均会改变光线的偏振态,导致仪器的偏振探测精度降低。经过分析,发现对入射光线具有准直功能的望远镜组对于仪器偏振探测精度的影响相较于成像镜组更为严重[9]。如果将望远镜组移除使大角度光线直接入射到强度调制模块上,光线会在强度调制模块内发生多次反射,导致光线在强度调制模块内的传输模型复杂化[10-11];而且强度调制模块内元件的尺寸会变得更大,增加系统的加工成本。所以,望远系统对于通道型偏振光谱仪来说是非常重要的。由于望远镜组的加入,一些研究人员对其偏振效应是否影响偏振光谱仪的偏振探测精度进行了分析。杨斌[9]对望远镜组施加不同的偏振效应,观察了复原后的斯托克斯矢量与理论参考值之间的相对误差。邢文赫[12]通过建立偏振辐射传输模型,得到仪器望远镜组的二向衰减与相位延迟对于系统的偏振探测影响较大。虽然上述研究表明望远镜组中的偏振效应会影响仪器的偏振探测精度,但是并未具体分析光波波长、入射角度大小对于望远镜组偏振效应的关系。另外,为保证仪器的光线透过率,望远镜组均会镀有光学薄膜,光学薄膜的偏振特性对于光线波长与入射角度比较敏感[13-14],当仪器工作视场以及波长范围变大时,经过望远模组后光线的偏振特性会发生明显的改变。现在偏振探测仪器有着向更大视场和更宽谱段的设计趋势。因此,研究光线波长与入射角度对望远镜组偏振效应以及对偏振探测精度的影响有着重要的研究意义和应用价值。
本文针对偏振仪器大视场、宽谱段的设计趋势,建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模型,并设计了低偏振效应薄膜,运用偏振光线追迹的方法仿真出不同膜系的偏振效应与光线波长和入射角度的关系。建立了不同波长和视场下望远镜组偏振效应对偏振测量精度的影响模型,通过傅里叶变换和穆勒矩阵传递法分析望远镜组偏振效应对仪器的偏振探测精度的影响。
2 基本原理
2.1 通道型偏振光谱仪的工作原理
通道型偏振光谱仪运用的是偏振光谱强度调制技术(Polarimetric Spectral Intensity Modulation,PSIM),其最早由日本学者Oka[15]和美国学者Iannarilli[16]等同时提出,工作原理如
2.2 望远镜组偏振效应影响因素
由于光学透镜属于非理想偏振元件,偏振效应主要由3部分组成:二向衰减、相位延迟和退偏效应[17]。二向衰减为介质对不同振动方向偏振光的吸收不同,即元件在不同方向上的透过率不同。二向衰减
式中,
相位延迟是元件在其本征极化(本征态)之间引入的相位差,对于折射率为
退偏效应主要发生在散射过程中,其本质上属于偏振光相干性的减退,通常其在光学系统中的影响非常微弱,可以忽略不计。
由上述理论可知,由光学透镜组成的望远镜组中的偏振效应主要来源于二向衰减与相位延迟。在实际工程中,为了满足光学仪器的透过率要求,都会在透镜表面镀上增透膜。但是增透膜不仅可以提高光线的透过率,也是引起光学界面偏振效应产生的主要来源。
透射式镜组的偏振效应主要由其透镜表面膜系而引起[18],光学薄膜材料折射率会随波长的变化而变化且光线入射角度的变化会导致光线的偏振分离,引起光线偏振态的变化。在本文中,通道型偏振光谱仪望远镜组的相位延迟主要由于非正入射光线经过光学薄膜所引起,根据矩阵法分析光学薄膜的光学特性即可得到光学薄膜的特征矩阵:
其中:
3 望远镜组偏振效应分析与优化
为说明望远镜组偏振效应对通道型偏振光谱仪偏振探测精度的影响,需要建立望远镜组偏振效应对其偏振探测精度的影响模型。本文以一个半视场为23°,工作波段为420~860 nm,光学结构如
该望远镜组由3部分组成,按照光线传播顺序依次为前置望远镜组、强度调制模块和后置望远镜组。杨斌[9]对前置望远镜组和后置望远镜组所引起的偏振效应对于仪器偏振探测精度的影响进行分析,得到前置望远镜组偏振效应严重影响仪器的偏振探测精度的结论。本文针对前置望远镜组展开分析与优化工作。
3.1 望远镜组偏振效应对偏振精度的影响模型
通道型偏振光谱相机应用场景在自然光下,通常琼斯矩阵只能作用于纯偏振态,例如激光和偏振片出射的光束,不适合表述自然光源出射的部分偏振光和非偏振光。本文通过穆勒矩阵来描述望远镜组光学元件的偏振特性,为此需要了解光学透镜界面的穆勒矩阵表达方法。在均匀和各向同性界面透射玻璃上,有S光和P光本征偏振,并且透射界面极化是二向衰减和相位延迟的组合,特征极化与S和P平面对齐。以S光振动方向为
对于有光学薄膜的透射界面,根据菲涅尔公式可知,当光线非正入射至光学界面时
随后构建望远镜组偏振效应对偏振测量精度影响模型,设目标光线的斯托克斯矢量为
式中:
随后接收探测器的光强数据并进行傅里叶逆变换。出射光线的斯托克斯矢量会在光程差域上分开,然后采用带通滤波实现频域截取并通过傅里叶变换,得到目标光线的斯托克斯矢量。根据斯托克斯矢量计算得到光线的偏振度(Degree of polarization,DOP)。DOP是国际上常用的用于衡量偏振光学仪器系统偏振测量精度的典型参量,其定义如
3.2 膜系的偏振效应影响
由
表 1. 不同膜系的膜层结构
Table 1. Film structure of different film systems
|
不同膜系的二向衰减值与入射角度的关系如
图 3. 不同膜系的二向衰减与入射角度的关系
Fig. 3. Relationship between diattenuation and incident angle of different film systems
3.3 膜系的偏振效应对仪器偏振探测精度的影响
偏振探测精度是衡量通道型偏振光谱仪的关键参数,其精度受其望远镜组偏振效应的影响,通过计算仪器的偏振探测精度可以得到望远镜组不同膜系所产生的偏振效应对于通道型偏振光谱仪偏振探测精度的影响。
本文模拟仿真30°线偏振光作为入射至系统的目标光,使用偏振光线追迹法[19-22]计算望远镜头模组在420~860 nm波长和0°~23°视场下各界面的二向衰减和相位延迟值,随后带入望远镜组偏振效应对偏振测量精度的影响模型,通过复原后的斯托克斯矢量计算引入望远镜组偏振效应后的仪器偏振探测精度。仿真时,忽略强度调制模块的方位角安装误差及偏振效应。
镀不同膜系望远镜组的偏振探测精度如
图 5. 镀不同膜系望远镜组的偏振探测精度
Fig. 5. Polarization inversion accuracy of telescope groups coated with different thin films
表 2. 不同膜系的偏振探测精度
Table 2. Polarization detection accuracy of different films
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由
4 结论
望远镜组的作用是将入射到强度调制模块的光线准直,是保证通道型偏振光谱仪正常工作不可或缺的一部分。但其在镀膜后所引入的偏振效应会改变入射至强度调制模块光线的偏振态,导致仪器偏振探测精度降低。另外,现在偏振光谱仪器大视场和宽谱段的设计趋势更加增大了对镀膜后望远镜组偏振效应分析的复杂性,所以有必要从视场与波长两个方面分析望远镜组偏振效应对仪器偏振探测精度的影响。本文分析了望远镜组偏振效应的影响因素,建立了镜组偏振效应对偏振测量精度的影响模型。在降低膜系偏振效应的要求下,进行了膜系设计和迭代。运用偏振光线追迹的方法研究了两种膜系在不同波长和视场范围下的偏振效应。最后,带入望远镜组偏振效应对偏振测量精度的影响模型,计算了在不同视场和不同波段下仪器的偏振探测精度。仿真结果表明,420 nm边缘视场下的偏振探测精度提高了3.22%。使用设计的低偏振效应膜系可以降低由望远镜组的偏振效应,有效提高通道型偏振光谱仪的偏振探测精度。
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