Панорамный поляриметр Советский патент 1992 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к приборам для измерения поляризации света протяженных объектов, и может быть использовано для проведения исследований в астрономии, а также для измерения оптических свойств различных природных и искусственных объектов

Цель изобретения - повышение точности измерений линейной поляризаци протяженных объектов при одновременном уменьшении габаритных параметров устройства.

Функциональная схема предлагаемого поляриметра изображена на фиг. 1-3 (фиг.1 - вид сбоку; фиг.2 - вид сверху, фиг.З - отдельные элементы) Тонкими линиями

обозначены непринципиальные элементы устройства. „

Поляриметр содержит расположенные по ходу луча прямоугольную диафрагму 1, осуществляющую пространственную селекцию участка небесной сферы в фокальной плоскости телескопа, систему 2 совмещения изображений, содержащую реперные источники света, расположенные по краям прямоугольной диафрагмы 1, коллиматор- ную линзу 3, поляризационный фазовый модулятор 4, поляризационную призму 5, поляризационный фазовый демодулятор 6, поляризационный лучерасщепитель 7 ахроматическую фазовую пластинку 8 (АФП) А/4, блок нейтральных светофильтров 9, блок спектральных .светофильтров 10 маску из

VI 00

4 со х| О

четырех фокусирующих линз 11 и панорамный приемник излучения 12.

Поляризационный фазовый модулятор Л представляет собой полуволновую АФП, оптическая ось которой имеет возможность вращаться с шагом 22,5° в прямом и обратном направлениях и занимать положения 0,22.5,45 и 67.5° относительно направления оптической оси поляризационной призмы 5 (углы в данном описании отсчитываются в одном выбранном направлении, например, против расовой стрелки, если смотреть по ходу луч а, от нап равления, перпендикулярного плоскости фиг.1, совпадающего в данном примере с оптической осью поляризационной призмы 5).

Поляризационная призма 5 выполнена в виде сдвоенной призмы Глана-Томпсона и обеспечивает выход двух параллельных лучей с взаимно-ортогональным направле- нием поляризации и заданным растением между лучами с соответствии с расстоянием между изображениями на панорамном приемнике излучения 12, причем плоскость выхода лучей совпадает с плоскостью фиг.1.

Поляризационный фазовый демодулятор 6 представляет собой полуволновую АФП, оптическая ось которой имеет возможность вращаться с шагом 45° в прямом и обратном направлениях и занимать поло- жения 0 и 45°. АФП б имеет диаметр в два раза больше, чем диаметр АФП 4, а ось вращения АФП 6 смещена относительно оси вращения АФП 4, как показано на фиг. 1.

Поляризационный лучерасщепитель 7 аналогичен по конструкции поляризационной призме 5, но повернут относительно нее на 90° так, что плоскость разделения лучей с взаимно-ортогона,льной поляризацией перпендикулярна плоскости фиг.1, а расстояние между лучами согласуется с расстоянием между изображениями на панорамном приемнике излучения. Размер входной грани лучерасщепителя 7 вдоль плоскости разреза в два раза превышает размер входной грани призмы 5.

Оптическая ось АФП 4 имеет возможность совершать колебания между положениями 0 и 22,5° либо между положениями 45 и 67.5° и фиксироваться на время измере- ний в этих положениях. Время переключения из одного положения в другое должно быть минимальным и определяется механической конструкцией приводов. Для уменьшения влияния переходных процессов время фиксации в заданном положении должно быть приблизительно на порядок больше времени переключения АФП из одного положения в другое.Характерное время фиксации и переключения в случае

использования механических приводов может составлять 1 и 0,1 с соответственно.

Синхронно с изменениями положения оптической оси АФП 4 оптическая ось АФП б имеет возможность совершать колебания между положениями 0 и 45°. АФП б совместно с поляризационными.призмами 5 и 7 представляет собой оптический затвор, работающий в режиме синхронного детектора, и попеременно пропускает световой поток, идущий из фокальной плоскости телескопа, то на квадранты 1-4, то на квадранты 2-3 панорамного приемника излучения (фиг.З).

Коллиматорная линза 3 обеспечивает работу основных оптических элементов панорамного поляриметра в параллельном свете, а маска фокусирующих линз 11 производит построение изображения поля фокальной плоскости телескопа на 4-х квадрантах панорамного приемника излучения 12 после разделения соответствующего ему светового пучка призмами 5 и 7 на 4 части/

Система 2 совмещения изображений предназначена для координатного совмещения изображений, получаемых на различных квадрантах панорамного приемника излучения, при обработке поляризационных измерений в ЭВМ. Она состоит из ре- перных источников света, расположенных по краям прямоугольной диафрагмы 1 и передающихся на плоскость панорамного приемника излучения одновременно с изображением иссл-едуемого объекта (фиг.З). Размер одного реперного источника света должен соответствовать размеру элемента разрешения панорамного приемника излучения,

АФП 8 А/4 предназначена для устранения влияния на измерения поляризационной чувствительности панорамного приемника излучения. Она ориентирована под углом 45° к главным плоскостям пропускания поляризационного лучерасщепителя 7 и преобразует линейно-поляризационный свет на выходе лучерасщепителя в свет, поляризованный по кругу.

Блоки нейтральных 9 и спектральных 10 светофильтров предназначены для регулировки потока и спектральной селекции излучения исследуемых объектов.

Для удобства проведения измерений в оптическую схему прибора могут быть включены офсетный гид 13, состоящий из наклонного зеркала 14 и микроскопа подсмотра участка небесной сферы 15, вво- димо-выводимый калибратор 16, содержащий пеполяризованный источник света 17 с равномерной яркостью по полю и вращающуюся поляризационную призму Глана- Томпсона 18, затвор 19, перекрывающий световой поток на время считывания информации с панорамного приемника излучения 12.

Использование ахроматических элементов в поляризационной схеме прибора позволяет проводить наблюдения небесных объектов в широкой области длин волн.

Поляриметр работает следующим образом. Световой поток от участка небесной сферы, собираемый телескопом, образует вместе с реперными источниками света 2 изображение в фокальной плоскости телескопа, которое коллиматорной линзой 3 и маской фокусирующих линз 11 передается на плоскость панорамного приемника излучения 12, квазиодновременно образуя 4 изображения на его квадрантах, соответствующие различным состояниям поляризации исследуемого объекта (фиг.З). Световой поток в каждой точке исследуемого объекта характеризуется параметрами Стокса I, Q, U и V. Полный цикл работы поляриметра состоит из двух фаз.

В первой фазе работы оптическая ось АФП 4 последовательно занимает положения 0 и 22,5°, а оптическая ось АФП 6 - соответственно 0 и 45° (фиг.З), затем этот цикл многократно повторяется до накопления необходимого сигнала на панорамном приемнике излучения, т.е. АФП 4 и АФП 6 совершают синхронные колебания.

При прохождении излучения через полуволновую АФП 4 с ориентацией оптической оси 0° в исходном векторе Стокса компоненты I и Q сохраняются, а компоненты U и V меняют знак. Однако, поскольку поляризационная призма 5 имеет ориентацию главных плоскостей пропускания 0 и 90°, то преобразования компонент U и V не имеют значения, так как эти компоненты призмой не пропускаются. Из призмы 5 выйдут два параллельных линейно-поляризованных луча со взаимноортогональными плоскостями поляризации, ориентирован- ными под углами 0 и 90°, с игтенсивностями

1(1 + Q) и 1 (1 - 0.).АФП 6 с ориентацией

оптической оси 0° не изменит состояния поляризации этих лучей, но поскольку призмы 5 и 7 имеют взаимно-ортогональную орй- ентацию, эти лучи пройдут только на квадранты 1 и 4 панорамного приемника излучения, а квадранты 2 и 3 окажутся запертыми.

При прохождении излучения через АФП 4 с ориентацией оптической оси 22,5° плоскость поляризации исходного света поворачивается на 45° преобразуя U-компоненту в Q-компоненту В этом случае на выходе поляризационной призмы 5 образуются параллельные линейно-поляризованные лучи со взайШгоЧфтбгоналШыми плоско- стями поляризации, ориентированными под

углами 0 и 90°, с интенсивностями - (I + U)

и 2 (I - U). Поскольку синхронно с поворо0 том АФП 4 на 22.5° АФП 6 поворачивается на 45°, то плоскости поляризации лучей, выходящих из призмы 5, после прохождения элемента 6 повернутся на 90° и лучи пройдут только в квадранты 2 и 3 панорамного при5 емника излучения, а квадранты 1 и 3 окажутся запертыми,

Таким образом, за один цикл работы в первой фазе на панорамном приемнике квазиодновременно образуются четыре изо0 бражения, содержащих информацию о первых трех параметрах Стокса I, Q и U. Многократное повторение рассмотренного цикла позволяет закапливать эти изображения, что приводит к повышению точности

5 измерений. Отметим, что при этом панорамный приемник излучения работает в фотометрическом режиме.

Путем деления интенсивностей, накопленных в 1 и 4 квадрантах панорамного при0 емника можно получить информацию о нормированном 2-м параметре Стокса q Q/l, а путем деления интенсивностей, накопленных во 2 и 3 квадрантах - информацию о нормированной 3-м параметре

5 Стокса u U/ . Результат деления свободен от влияния атмосферных флуктуации, поскольку изображения в диагональных квадрантах панорамного приемника накапливаются одновременно за счет использова0 ния двух лучей с ортогональной поляризацией на выходе поляризационной призмы 5. Однако, если панорамный приемник излучения обладает неравномерной чувствительностью по полю, то результат деления будет

5 содержать ошибку, вызванную различными коэффициентами чувствительности в квадрантах.

Чтобы компенсировать это различие чувствительностей, проводится вторая фаза

0 наблюдений, при котором оптическая ось АФП 4 совершает колебания в диапазоне углов 45-67,5°, а АФП 6 работает в том же режиме, что и в фазе I (фиг.З). При этом компоненты Q и U в исходном векторе Сто5 кса меняют знак на обратный, в результате чего поляризационные изображения в квадрантах меняются местами. Алгоритм работы поляриметра во второй фазе аналогичен алгоритму работы поляриметра в первой фазе. Путем деления изображений, накопленных

в первой и ьо второй фазе работы панорамного поляриметра можно исключить ошибку чувствительности по полю в нормированных компонентах вектора Стокса.

Пусть ,/И ,/Й л(5 - отсчеты, накопленные на соответствующем элемента панорамного приемника излучения в первом, втором, третьем и четвертом квадрантах соответственно в первой фазе работы поляриметра, а/32 ,J$L ,/й и ffi - те же величины для второй фазы работы прибора. Далее, пусть ai, 32, аз и 34 есть величины, являющиеся произведением коэффициентов чувствительности приемника излучения в различных квадрантах на коэффициенты пропускания четырех измерительных каналов оптического тракта панорамного поляриметра. Наконец, пусть а°, а22 5, а45 и а67 5 - интегральные коэффициенты прозрачности атмосферы за время накопления измерений при положениях оптической оси АФП 4 в углах 0, 22,5, 45, 67,5°. При таких обозначениях параметры Стокса исследуемого излучения оказываются связанными с введенными величинами следующим образом

4 a°ai(l +Q):

(D

$ Ла22 5а2(1+и), (2) (1-и), (3)

a°a4(l-Q);(4)

a45ai(l-Q);(5)

$ a67 5a2(l-U); (6) $ a67 5a3(l+U); (7)

a45 a4(l+Q); (8)

Влияние атмосферных флуктуации прозрачности исключается путем деления выражений, соотве/гствующих диагональным квадрантам панорамного прием.шка излучения

y341//Si1 N(1-q)(1+q); (9) /5i2/ a i(1-q) /ta4(1+g); (Ю)

#1/021- аз(1-и)(1 + и); (11) а2(1-и)(1 i-u). (12)

5Анализ выражений (9)-(12) позволяет

исключить коэффициенты ai-A4 в нормированных вырэжениях для пэраметров Стокса

+

Ус/ад )/(

)$/32 )/();

03)

и и+Уоад )/($$)/

15

/ 1±У/ад)/($/ГП;

(14)

Знэки выбирзются из условий I q I 1 и

и I S 1. Интенсивность может быть получе- нз с точностью до коэффициентов чувствительности приемника и коэффициентов пропускания измерительных каналов простым суммированием изображений в диагонзльных квэдрзнтах. При более тщательном анализе соответствующие коэффициенты должны быть определены путем применения калибратора 16 и использования стандартов на небесной сфере,

Предлагаемый поляриметр позволяет измерять только линейную поляризацию протяженных объектов, однзко он имеет определенные преимуществе по компзктно- сти схемы. В предлэгаемом устройстве

максимально упрощенэ конструкция моду- ляторэ, отсутствует фазовый ключ как дополнительный элемент конструкции (роль фазового ключа выполняет АФП 4 модулятора) и поляризационный светоделитель (роль

поляризационного светоделителя выполняет поляризационная призма 5). Поляриметр собран по схеме с параллельным ходом лучей и использует только один панорамный приемник излучения.

В качестве фазовых элементов, вращающих плоскость поляризации, могут быть использованы немеханические поляризационные врэщатели, в вместо сдвоенных поляризационных призм Глана-Томпсона другие типы поляризационных лучерасще- пителей. Кроме того, схема поляриметра, использующего оптическую демодуляцию сигнала, может быть сопряжена не только с панорамным приемником излучения, но и с

любым другим инерционным фотоприемником.

Таким образом, предлагаемый поляриметр, использующий технологию оптической демодуляции сигнала, имеет возможность работать в режиме накопления поляризационных изображений на панорамном приемнике излучения и полностью устраняет влияние атмосферных флуктуации и влияние неравномерности чувствительности панорамного приемника излучения по полю, что приводит к повышению точности измерений. Благодаря упрощенной схеме поляриметр может быть использован для наблюдений слабых астрономических объектов.

Формула изобретения Панорамный поляриметр, содержащий оптически связанные коллиматорную линзу, поляризационный фазовый модулятор,

0

5

поляризационную призму, поляризационный фазовый демодулятор, поляризационный лучерасщепитель, маску из 4-х фокусирующих линз и панорамный приемник излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения тоуиости измере ний линейной поляризации протяженных объектов при одновременном уменьшении габаритов, поляризационный фазовый модулятор выполнен в виде переключателя состояний поляризации в 4-х изображениях, формирующихся на разных частях панорам ного приемника излучения, а поляризацией ная призма выполнена с возможность выв&да двух ортогонально поляризованных лучей.

Использование, в области оптического приборостроения, а именно приборов для измерения поляризации света протяженных объектов при проведении исследований в астрономии, а также для измерения оптических свойств различных природных и искусственных объектов Сущность изобретения состоит в том, что в поляриметре, включающем оптически связанные колли- маторную линзу, поляризационный фазовый модулятор, поляризационную призму, поляризационный фазовый демодулятор, поляризационный лучерасщепитель, маску из четырех фокусирующих линз и панорамный приемник излучения, поляризационный фазовый модулятор выполнен с возможностью переключения состояний поляризации в четырех изображениях, формирующихся на разных частях панорамного приемника излучения, а поляризационная призма выполнена с возможностью вывода двух ортогонально-поляризованных лучей и возможностью управления углом и расстоянием между лучами. 3 ил. (Л

16

19

.-13и |1 Ю jf

13

,IZJL 5в 5

Фаг,

8 9 10 11

ФигЗ