一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置

摘要

本发明提供一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，包括光谱滤光器，波片阵列，偏振片阵列和光强采集相机。太阳磁场是太阳活动爆发的驱动力和能量来源，而太阳偏振斯托克斯矢量测量是太阳磁场探测的唯一途径。本发明的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，采用微光学技术原理制作微波片阵列，在此基础上加工微偏振片阵列，并与光强采集相机光敏面贴合，仅需要一次曝光即可获取太阳偏振斯托克斯矢量信息。相对于传统装置，本发明装置结构紧凑，实时性强，无需精确调试和人为调制，光谱响应范围宽，成本低且可批量化生产，同时避免了相机不均匀响应、像差等因素引入的探测误差，并可方便扩展于其他应用领域。

权利要求

1.一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：该装置包括光谱滤光器(1-1)、波片阵列(1-2)、偏振片阵列(1-3)和光强采集相机(1-4)；

其中，光谱滤光器(1-1)位于波片阵列(1-2)之前，将进入波片阵列(1-2)的光限定在一定的光谱范围内；波片阵列(1-2)利用同一波片在相邻的2×2四个单元内加工成不同相位延迟的波片组合，如此往复，最终形成阵列；偏振片阵列(1-3)利用在相邻的2×2的四个单元内加工成不同偏振方向的偏振片组合，如此往复，最终形成阵列；波片阵列(1-2)与偏振片阵列(1-3)各单元尺寸相同，个数相对应；光强采集相机(1-4)位于太阳望远镜系统焦平面上，分别记录通过阵列各单元的光强值，其与波片阵列(1-2)、偏振片阵列(1-3)贴合在一起，做成集成装置；

该装置的数据处理过程如下所述：

首先，定义待测太阳光的斯托克斯矢量为S＝[I Q U V]T；在相邻的2×2四个单元内波片与偏振片有四种不同组合方式，分别记为a,b,c,d，波片Muller矩阵分别为Mwa,Mwb,Mwc,Mwd，偏振片Muller矩阵为Mpa,Mpb,Mpc,Mpd，组合Muller矩阵分别为Ma,Mb,Mc,Md，其中：记a单元的Muller矩阵为：

太阳光经过标记为a的波片与偏振片单元后，其出射光斯托克斯矢量为：

然后，太阳光进入光强采集相机(4)，相机采集对应的光强值为：

Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V   (3)

已知偏振片的Muller矩阵为：

其中，α为偏振片起偏角；

波片的Muller矩阵为：

其中，δ为波片产生的相位延迟，θ为波片快轴方向与坐标系X轴方向夹角；则：同理，相机分别采集2×2四个单元对应的光强值为：Ia,Ib,Ic,Id，有：通过该组光强值Ia,Ib,Ic,Id反演待测太阳光的斯托克斯矢量，

其中：

公式(5)存在唯一解的条件是：M矩阵满秩，即：

rank(M)＝4   (10)

在a,b,c,d四个单元中使α，δ，θ取不同的值，可使M矩阵满足公式(10)的条件。

2.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：光谱滤光器作用是将入射光的光谱限制在一定的带宽范围内，其使用光栅光谱仪、干涉滤光器、原子滤光器或双折射滤光器，只要满足偏振测量应用中系统要求即可。

3.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：该装置可以针对多个波长和带宽的光谱完成偏振斯托克斯矢量测量，不局限于特定波长和带宽，但受限于光强采集相机的光谱响应。

4.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：波片阵列用于对光束产生不同的相位延迟，采用压印/刻蚀方法制作。

5.根据权利要求1或4所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：波片的刻蚀或压印深度与波长和相移量有关，只要满足权利要求1中公式(7)所描述的满秩条件，均可准确测量偏振斯托克斯矢量参数。

6.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：偏振片阵列(1-3)采用不同偏振方向的偏振片单元组合而成，采用在基底上镀不同排列方向的金属线栅的方式制取，或者采用纳米压印或刻蚀方式，只要满足要求的偏振特性即可。

7.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：在相邻的2×2四个单元内采用不同的波片相位延迟和偏振片偏振方向的组合，但不限定其组合方式，只要组合后其调制矩阵M可逆即可。

8.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：光强采集相机能够采集偏振测量所需要的光强分布，其为CCD、CMOS、EMCCD或光电倍增管，只要满足光强采集功能即可。

9.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：单个波片阵列与偏振片阵列单元大小不仅能够对应于单个光电探测器单元，也能够对应任意个光电探测器单元即可。

10.根据权利要求1所述的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，其特征在于：该装置中波片阵列(1-2)、偏振片阵列((1-3)与光强采集相机((1-4)贴合在一起，为集成装置，其为独立器件，通过胶合或压合方式结合在一起，或者在同一基片的两面分别加工。

说明书

一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及偏振测量领域，特别涉及一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置。

背景技术

[0002] 太阳磁场是太阳活动爆发的驱动力和能量来源，而太阳偏振斯托克斯矢量测量是太阳磁场探测的唯一途径。传统的太阳偏振测量常采用分时调制(如图2所示)和分振幅同时调制(如图3所示)的方式。分时调制包括旋转波片，调制波片相位延迟，调制波片光轴方向等。

[0003] 图2(a)所示为旋转波片的方式，其中2-1为1/4波片，2-2为电动角旋转台，2-3为偏振片，2-4为光强采集相机，2-5为控制器。控制器控制旋转台旋转，进而调制波片快轴方向，光强采集相机依次记录波片处于不同快轴方向时的光强值，由测得的光强值和波片快轴方向角，可以反演待测太阳光斯托克斯矢量。

[0004] 图2(b)所示为调制波片相位延迟的方式，其中2-6为电光晶体，2-3为偏振片，2-4为光强采集相机，2-5为控制器。在外界电场的作用下，电光晶体的双折射性质会发生变化，其相位延迟量随外加电压而改变，而其快轴方向不发生变化。控制器通过对电光晶体外加不同电压从而对其相位延迟进行调制，光强采集相机依次记录电光晶体不同相位延迟时的光强值，由测得的光强值和波片相位延迟量，可以反演待测太阳光斯托克斯矢量。

[0005] 图2(c)所示为调制波片光轴方向的方式，其中2-7为FLC晶体，相位延迟为1/2波长，2-8为FLC晶体，相位延迟为1/4波长，2-3为偏振片，2-4为光强采集相机，2-5为控制器。在外界电场的作用下，FLC晶体光轴方向发生旋转而其相位延迟不变。控制器通过对FLC晶体外加不同电压使其光轴方向在特定两个角度之间切换，光强采集相机依次记录FLC晶体不同光轴方向时的光强值，由测得的光强值和FLC晶体光轴方向角，可以反演待测太阳光斯托克斯矢量。

[0006] 图3所示为分振幅同时调制的方式，其中3-1为分光棱镜，3-2为1/4波片，3-3为偏振片，3-4为光强采集相机，3-5为控制器。分光棱镜将光束分为4束，在每个光路中添加不同旋转方向的波片和偏振片，控制器控制4台光强采集相机对各光路的光强值进行同时采集，利用4台相机采集的光强值和波片与偏振片的调制方式，可以反演出待测太阳光斯托克斯矢量。

[0007] 然而受环境影响，在光强采集相机两次曝光周期内，进入偏振测量装置的太阳光存在光强闪烁，因此分时调制的方式测量精度受到限制。并且，旋转波片的方式存在机械振动，且调制频率低，为达到较高的系统稳定性，对角旋转台有较高要求，成本高；调制波片相位延迟的方式因电光晶体相位延迟量对温度较敏感，往往需要额外的恒温设备，系统复杂。调制波片光轴方向的方式因FLC光轴方向同样对温度较敏感，且加工困难，成本较高，对某些系统难以满足使用要求；分振幅同时调制的方式将光路分为4束，系统复杂，且各相机之间存在不均匀性，影响测量精度。

[0008] 针对以上问题，本发明的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，采用微光学技术原理制作的微波片阵列，并在此基础上加工微偏振片阵列，并与光强采集相机光敏面贴合，仅需要一次曝光即可获取太阳偏振斯托克斯矢量信息。相对于传统装置，本发明装置结构紧凑，实时性强，无需精确调试和人为调制，光谱响应范围宽，成本低且可批量化生产，同时避免了相机不均匀响应等因素，可方便扩展于其他应用领域。本发明实用性强，创新性明显。

发明内容

[0009] 本发明要解决的技术问题是：对太阳偏振态进行全斯托克斯矢量参数的实时测量。

[0010] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，包括光谱滤光器、波片阵列、偏振片阵列和光强采集相机，[0011] 其中，光谱滤光器位于波片阵列之前，将进入波片阵列的光限定在一定的光谱范围内；波片阵列利用同一波片在相邻的2×2四个单元内加工成不同相位延迟的波片组合，如此往复，最终形成阵列；偏振片阵列利用在相邻的2×2的四个单元内加工成不同偏振方向的偏振片组合，如此往复，最终形成阵列；波片阵列与偏振片阵列各单元尺寸相同，个数相对应；光强采集相机位于太阳望远镜系统焦平面上，分别记录通过阵列各单元的光强值，其与波片阵列、偏振片阵列贴合在一起，做成集成装置；

[0012] 该装置的数据处理过程如下所述：

[0013] 首先，定义待测太阳光的斯托克斯矢量为S＝[I Q U V]T；在相邻的2×2四个单元内波片与偏振片有四种不同组合方式，分别记为a,b,c,d。波片Muller矩阵分别为Mwa,Mwb,Mwc,Mwd，偏振片Muller矩阵为Mpa,Mpb,Mpc,Mpd。组合Muller矩阵分别为Ma,Mb,Mc,Md。其中：

[0014]

[0015] 记a单元的Muller矩阵为：

[0016] 太阳光经过标记为a的波片与偏振片单元后，其出射光斯托克斯矢量为：

[0017]

[0018] 然后，太阳光进入光强采集相机(4)，相机采集对应的光强值为：

[0019] Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V  (13)

[0020] 已知偏振片的Muller矩阵为：

[0021]

[0022] 其中，α为偏振片起偏角。

[0023] 波片的Muller矩阵为：

[0024]

[0025] 其中，δ为波片产生的相位延迟，θ为波片快轴方向与坐标系X轴方向夹角。

[0026] 则：

[0027]

[0028] 同理，相机分别采集2×2四个单元对应的光强值为：Ia,Ib,Ic,Id，有：

[0029]

[0030] 通过该组光强值Ia,Ib,Ic,Id反演待测太阳光的斯托克斯矢量，

[0031]

[0032] 其中：

[0033]

[0034] 公式(5)存在唯一解的条件是：M矩阵满秩，即：

[0035] rank(M)＝4  (20)

[0036] 在a,b,c,d四个单元中使α，δ，θ取不同的值，可使M矩阵满足公式(10)的条件。

[0037] 其中，光谱滤光器作用是将入射光的光谱限制在一定的带宽范围内，其可以使用光栅光谱仪、干涉滤光器、原子滤光器以及双折射滤光器，只要满足偏振测量应用中系统要求即可。

[0038] 其中，本装置可以针对多个波长和带宽的光谱完成偏振斯托克斯矢量测量，不局限于特定波长和带宽，但受限于光强采集相机的光谱响应。

[0039] 其中，光谱滤光器的作用是将入射光的光谱限制在一定的带宽范围内，其可以使用光栅光谱仪、干涉滤光器、原子滤光器以及双折射滤光器等，只要满足偏振测量应用中系统要求即可。

[0040] 其中，波片阵列用于对光束产生不同的相位延迟，可以采用压印、刻蚀等方法制作。

[0041] 其中，波片的刻蚀或压印深度与波长和相移量有关，只要满足权利公式(14)所描述的满秩条件，均可准确测量偏振斯托克斯矢量参数。

[0042] 其中，偏振片阵列采用不同偏振方向的偏振片单元组合而成，可以采用在基底上镀不同排列方向的金属线栅的方式制取，也可以采用纳米压印、刻蚀等方式，只要满足本发明要求的偏振特性即可。

[0043] 其中，本装置在相邻的2×2四个单元内采用不同的波片相位延迟和偏振片偏振方向的组合，但不限定其组合方式，只要组合后其调制矩阵M可逆即可。

[0044] 其中，光强采集相机能够采集偏振测量所需要的光强分布，其可以为CCD、CMOS、EMCCD、光电倍增管等，只要满足光强采集功能即可。

[0045] 其中，单个波片阵列与偏振片阵列单元大小不仅能够对应于单个光电探测器单元，也能够对应任意个光电探测器单元，只要能够对通过各阵列单元的光分别采集即可。

[0046] 其中，本装置中波片阵列、偏振片阵列与光强采集相机贴合在一起，为集成装置，其可以为独立器件，通过胶合或压合等方式结合在一起，也可以在同一基片的两面分别加工，只要满足本专利描述的偏振测量功能即可。

[0047] 本发明的原理在于：

[0048] 斯托克斯矢量可以完全表示光的偏振信息，光学元件对斯托克斯矢量的传递可以用Muller矩阵表示。假定待测太阳光的斯托克斯矢量为S＝[I Q U V]T，已知偏振片的Muller矩阵为：

[0049]

[0050] 其中，θ为偏振片起偏角。

[0051] 波片的Muller矩阵为：

[0052]

[0053] 其中，δ为波片产生的相位延迟，θ为波片快轴方向与坐标系X轴方向夹角。

[0054] 待测太阳光依次经过波片和偏振片后，其斯托克斯矢量为：

[0055]

[0056] 在特定的波片与偏振片调制状态a下，假定其Muller矩阵为：

[0057]

[0058] 相机采集的光强值为：

[0059] Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V  (19)

[0060] 同样，在b,c,d状态下相机采集光强为Ib,Ic,Id，有：

[0061]

[0062] 通过该组光强值Ia,Ib,Ic,Id反演待测太阳光的斯托克斯矢量

[0063]

[0064] 其中：

[0065]

[0066] 选择波片阵列(2)与偏振片阵列(3)在相邻的2×2四个单元内的组合方式，使调制矩阵M可逆，即：

[0067] rank(M)＝4  (23)

[0068] 本发明与现有技术相比有如下优点：

[0069] (1).本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，实现了对太阳偏振态进行实时测量，不需要分时调制，只需要一次曝光就可以计算目标全斯托克斯矢量参数，避免了传统分时测量光强闪烁的影响，有效提高探测精度和灵敏度。

[0070] (2).本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，无需分光元件和中继光学系统即可完成单次光强采集实现太阳光偏振斯托克斯矢量实时测量，其结构大大缩小，结构紧凑性大大提高，系统稳定性增强。

[0071] (3).本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，无需中继光学系统和额外分光元件，对透射元件的色散性能要求不高，提高有效探测光谱范围。同时，大大降低系统像差和光谱串扰，提高偏振斯托克斯矢量探测的精度和灵敏度。

[0072] (4).本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，采用集成光微光学器件实现了传统几何光学器件的功能，无需精确调试和人为调制，操作方便。其工序清楚，可重复性和程序化程度高，有利于测量器件的标准化和批量化生产，大大降低批量化生产的成本。

[0073] (5).本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，其仅需要测量一幅强度分布图像即可完成偏振斯托克斯矢量测量，实时性强，可用于高速运动目标的偏振测量。对环境要求低，有效扩展偏振斯托克斯矢量探测器件的应用领域和应用范围。

[0074] 总之，依靠本发明提出的一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的新型装置，突破传统调制方式，仅需要一次曝光即可获取太阳偏振斯托克斯矢量信息。相对于传统装置，本发明装置结构紧凑，实时性强，无需精确调试和人为调制，光谱响应范围宽，成本低且可批量化生产，同时避免了相机不均匀响应等因素，可方便扩展于其他应用领域。本发明实用性强，创新性明显。

附图说明

[0075] 图1为一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置。其中，1-1为光谱滤光器，1-2为波片阵列，1-3为偏振片阵列，1-4为光强采集相机。

[0076] 图2为分时调制偏振测量装置，其中，图2(a)为旋转波片的方式，图2(b)为调制波片相位延迟的方式，图2(c)为调制波片光轴方向的方式。其中，2-1为1/4波片，2-2为电动角旋转台，2-3为偏振片，2-4为光强采集相机，2-5为控制器，2-6为电光晶体，2-7、2-8为FLC晶体。

[0077] 图3为分振幅同时调制偏振测量装置。其中，3-1为分光棱镜，3-2为1/4波片，3-3为偏振片，3-4为光强采集相机，3-5为控制器。

[0078] 图4为波片阵列加工方式。

[0079] 图5为偏振片阵列加工方式。

[0080] 图6为波片阵列、偏振片阵列与光强采集相机的集成，其中，6-1为波片阵列，6-2为偏振片阵列，6-3为CCD相机。

[0081] 图7为本装置采集图像示例。

[0082] 图8为由本装置采集图像反演斯托克斯示例分布示意图，其中，图8(a)为入射光斯托克斯参量I分布示意图，图8(b)为入射光斯托克斯参量Q分布示意图，图8(c)为入射光斯托克斯参量U分布示意图，图8(d)为入射光斯托克斯参量V分布示意图。

具体实施方式

[0083] 下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。

[0084] 本发明的基本思想在于提供一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置，由光谱滤光器1-1，波片阵列1-2，偏振片阵列1-3，光强采集相机1-4组成，如图1所示。

[0085] 其中，光谱滤光器1-1位于波片阵列1-2之前，使进入波片的光为一定带宽的准单色光；波片阵列1-2利用同一波片在相邻的2×2四个单元内加工成不同相位延迟的波片组合，如此往复，最终形成阵列；偏振片阵列1-3利用在相邻的2×2的四个单元内加工成不同偏振方向的偏振片组合，如此往复，最终形成阵列；波片阵列1-2与偏振片阵列1-3各单元尺寸相同，个数相对应；光强采集相机1-4位于太阳望远镜系统焦平面上，分别记录通过阵列各单元的光强值，其与波片阵列1-2、偏振片阵列1-3贴合在一起，做成集成装置。

[0086] 该装置的数据处理过程如下所述：

[0087] 首先，定义待测太阳光的斯托克斯矢量为S＝[I Q U V]T；在相邻的2×2四个单元内波片与偏振片有四种不同组合方式，分别记为a,b,c,d。波片Muller矩阵分别为Mwa,Mwb,Mwc,Mwd，偏振片Muller矩阵为Mpa,Mpb,Mpc,Mpd。组合Muller矩阵分别为Ma,Mb,Mc,Md。其中：

[0088]

[0089] 记a单元的Muller矩阵为：

[0090] 太阳光经过标记为a的波片与偏振片单元后，其斯托克斯矢量为：

[0091]

[0092] 然后，太阳光进入光强采集相机1-4，相机采集对应的光强值为：

[0093] Ia＝a11I+a12Q+a13U+a14V  (26)

[0094] 同理，相机分别采集2×2四个单元对应的光强值为：Ia,Ib,Ic,Id，有：

[0095]

[0096] 通过改变波片相位延迟、快轴方向、偏振片起偏角，只需使调制矩阵M可逆，即其秩为4，即可通过该组光强值Ia,Ib,Ic,Id反演待测太阳光的斯托克斯矢量。

[0097] 其中：

[0098]

[0099] 已知波片的Muller矩阵为：

[0100]

[0101] 其中，δ为波片产生的相位延迟，θ为波片快轴方向与坐标系X轴方向夹角。

[0102] 已知波片相位延迟为：

[0103]

[0104] 其中no,ne分别为o光和e光在晶体中的折射率，对于特定材料，特定波长，no,ne恒定，相位延迟δ为晶体厚度d的函数，通过改变晶体厚度d，可以调制相位延迟δ。波片阵列1-2采用方解石材料，其晶体光轴与入射光垂直，将快轴方向固定为-45°。将方解石材料刻蚀加工为波片阵列，加工方式如图4a所示。a,b,c,d四个单元选用波片相位延迟组合为表1所示：

[0105] 表1

[0106]

[0107]

[0108] 如附图4b所示,对于波长为656.3纳米的光，no＝1.6544,ne＝1.4846，将方解石加工为1/4波片，以满足b,c单元的相位延迟。在a,d单元将波片刻蚀，刻槽深度d＝966.284纳米，以满足其相位延迟。

[0109] 已知偏振片的Muller矩阵为：

[0110]

[0111] 其中，θ为偏振片起偏角。

[0112] 如图5b所示，偏振片阵列1-3采用在基底上镀金属线栅的方式，偏振片偏振方向与金属线栅排列方向互相垂直。如图5b所示，a,b,c,d单元偏振片偏振方向组合为表2所示：

[0113] 表2

[0114]序列 a b c d
起偏角θ 0° 0° 45° -45°

[0115] 此时偏振调制矩阵为：

[0116]

[0117] 相机6-3位于太阳望远镜系统焦平面上，其像元大小及数量等特性满足太阳望远镜观测要求。波片阵列6-1与偏振片阵列6-2与相机6-3靶面贴合在一起，如图6所示。太阳望远镜所成图像经过光谱设备和波片阵列及偏振片阵列后用相机采集，用相邻的2×2的四个像素记录光强值：

[0118]

[0119] 利用采集的四个光强值及偏振调制矩阵计算入射光斯托克斯矢量：

[0120] S＝M-1·I′  (33)

[0121] 为更直观显示本装置使用效果，我们进行了模拟仿真。模拟中假定入射太阳光为部分偏振光，各像点处斯托克斯参量为随机值。当待测太阳光经过本装置调制采集后，获得图像如图7所示。经过反演运算后，得出入射光各斯托克斯参量分布如图8所示。其中，图8(a)为入射光斯托克斯参量I分布示意图，图8(b)为入射光斯托克斯参量Q分布示意图，图8(c)为入射光斯托克斯参量U分布示意图，图8(d)为入射光斯托克斯参量V分布示意图。

[0122] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。