CN113359069A - 一种高效率全Stokes分量偏振测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，包括：设计偏振测量装置，所述偏振测量装置包括一片λ/2微相位延迟器阵列、一片3λ/4微相位延迟器阵列、一片线性偏振片，优化得到两个微相位延迟器阵列内各微相位延迟器的快轴方位角；基于优化结果，得到两块微相位延迟器阵列和线性偏振片的排布；入射光进入偏振测量装置，对应得到4种偏振调制后的光强信号L1，L2，L3，L4；由光强信号L1，L2，L3，L4解算得到全Stokes分量(s0，s1，s2，s3)T，其中T表示向量转置符号。本发明的方法可实现线偏振分量和圆偏振分量的测量效率相同，且总体效率最大化，有利于减小测量过程中的不确定度，提升测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳磁场测量领域，特别是涉及一种高效率全Stokes分量偏振测量方法。
背景技术
在研究太阳的大气结构和太阳的各类活动现象中，磁场发挥了重要的作用，测量太阳磁场对理解太阳表面上各种活动现象的物理机制和动力学过程具有重要意义。特别是太阳磁场、太阳风对地球磁场、地球电离层作用的研究对短波无线通讯、导航***、空间器飞行安全等具有实际应用价值。
借助塞曼效应和汉勒效应，偏振测量技术可有效地对太阳磁场进行测量，并通过偏振辐射转移理论，将测量到的偏振信号转化为磁场信息，实现对太阳磁场信息的分析。因此，偏振技术的发展可有效推动太阳磁场测量水平。
太阳磁场偏振测量过程的第一步，是对太阳入射偏振测量仪器的入射光进行偏振调制。之后，利用相机对偏振调制得到的图像强度信号进行采集，最后通过数值计算，得到入射光的偏振信息，并通过辐射转移理论进一步得到磁场信息。考虑到太阳磁场测量中，Stokes分量信号通常较弱，因此需要实现高效率的全Stokes分量进行测量，以实现对太阳磁场信号进行反解。为此，本专利提出一种用于太阳磁场测量的高效率全Stokes分量偏振测量方法。
中国专利文献CN 104216135 A公开了一种获取全偏振参数的为偏振片阵列、制备方法及其应用。该发明公开了一种2x2大小微偏振片单元。但该发明所述的偏振测量方式的偏振测量效率较低，很难应用于太阳磁场测量领域。
中国专利文献CN 103063300 B公开了一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列。该发明公开一种实现全偏振成像的微偏振调制阵列，由微相位延迟器阵列和微偏振片组成。但该发明所述的偏振测量方式的偏振测量效率较低，很难应用于太阳磁场测量领域。
综上所述，在太阳磁场测量领域中，如何研发一套具有高效率、可靠性强、仪器体积更小的全Stokes分量的偏振测量方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为实现太阳磁场的高偏振效率全Stokes分量偏振测量，本发明提出一种用于太阳磁场测量的高效率全Stokes分量偏振测量方法。
本发明采用如下技术方案：
一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，包括：
步骤1：设计偏振测量装置，所述偏振测量装置包括一片λ/2微相位延迟器阵列、一片3λ/4微相位延迟器阵列、一片线性偏振片，优化得到两个微相位延迟器阵列内各微相位延迟器的快轴方位角；
步骤2：基于优化结果，得到两块微相位延迟器阵列和线性偏振片的排布；
步骤3：入射光进入偏振测量装置，对应得到4种偏振调制后的光强信号Ll,L2,L3,L4；
步骤4：由光强信号L1,L2,L3,L4解算得到全Stokes分量(s0,s1,s2,s3)T，其中T表示向量转置符号。
进一步的，线偏振分量和圆偏振分量的测量效率相同，均为
且总体效率为1，即偏振效率最大。
进一步的，所述λ/2微相位延迟器阵列的相位延迟量为λ/2，用于测量线性偏振分量s1、s2，所述3λ/4微相位延迟器阵列相位延迟量为3λ/4，用于测量圆偏振分量s3，线性偏振片作为检偏器，对全Stokes分量进行偏振调制；两片微相位延迟器阵列和线性偏振片按照顺序依次排列，对入射光进行偏振调制。
进一步的，入射光的Stokes分量与测量得到的光强信号间关系为：
本发明的有益效果及优点在于：
1、本发明所提出的高效率全Stokes分量偏振测量方法可实现线偏振分量和圆偏振分量的测量效率相同，且总体效率最大化，有利于减小测量过程中的不确定度，提升测量效率，利于太阳磁场偏振测量的开展。
2、本发明所采用的微相位延迟器阵列和线性偏振片体积较小，从而减小***装调与计算误差，便于装调，易于实现；
3、本发明可通过机械接口结构对接各类光学***后，例如望远镜、光学元件等，便于与其他光学***集成。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为本发明中λ/2微相位延迟器阵列的阵列分布示意图；
图3为本发明中3λ/4微相位延迟器阵列的阵列分布示意图。
附图标记：100：偏振测量装置；101：接口机械机构；102：测量装置壳体；103：图像传感器；110：λ/2微相位延迟器阵列；120：3λ/4微相位延迟器阵列；130：线性偏振片；111：快轴112.5°方向λ/2微相位延迟器；112：快轴157.5°方向λ/2微相位延迟器；121：快轴112.5°方向3λ/4微相位延迟器；122：快轴67.5°方向3λ/4微相位延迟器。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，以详细说明技术方案。
本发明所述方法包括高效率偏振测量方法设计，以及一套偏振测量装置。本发明所提出的偏振效率测量方法可使线偏振分量和圆偏振分量的测量效率相同，均为
且总体效率为1，即偏振效率最大。这样的设计可以降低测量过程中的不确定度，提升测量效率，利于太阳磁场偏振测量的开展。
本发明所提出的偏振测量装置使用两块微相位延迟器阵列，和一块线性偏振片作为偏振调制器件。其中一片微相位延迟器阵列相位延迟量为λ/2，可用于测量线性偏振分量s1、s2。另一片微相位延迟器阵列相位延迟量为3λ/4，可用于测量圆偏振分量s3。线性偏振片可作为检偏器，对全Stokes分量进行偏振调制。两片微相位延迟器阵列和线性偏振片按照顺序依次排列，可实现对入射光的偏振调制。
本实施例中，偏振测量装置的具体结构如图1所示。偏振测量装置100由机械接口结构101、测量装置壳体102、图像传感器103、λ/2微相位延迟器阵列110、3λ/4微相位延迟器阵列120、线性偏振片130组成。
机械接口结构101可将偏振测量装置100对接到各类光学***后。测量装置壳体102可用于固定机械测量装置100内的各元器件。
λ/2微相位延迟器阵列110、3λ/4微相位延迟器阵列120、线性偏振片130用于对入射光进行偏振调制，图像传感器103用于采集与记录偏振调制后的光强信号。λ/2微相位延迟器阵列110的相位延迟量为λ/2。λ/2微相位延迟器阵列120的相位延迟量为3λ/4。线性偏振片130的快轴方位角为0°。
其中，λ/2微相位延迟器阵列110的阵列分布如图2所示。λ/2微相位延迟器阵列110中，每4个微相位延迟器为一组，呈周期性分布，其中，右上角和左上角为快轴112.5°方向λ/2微相位延迟器111，左下角和右下角为快轴157.5°方向λ/2微相位延迟器112。
其中，3λ/4微相位延迟器阵列120的阵列分布如图3所示。3λ/4微相位延迟器阵列120中，每4个微相位延迟器为一组，呈周期性分布，其中，左上角和右下角为快轴112.5°方向3λ/4微相位延迟器121，左下角和右上角为快轴67.5°方向3λ/4微相位延迟器122。
在安装过程中，λ/2微相位延迟器阵列110、3λ/4微相位延迟器122、线性偏振片130、图像传感器103的水平和垂直位置完全相同，四者相对位置之间无偏移，以保证入射光能够完全被偏振调制，且入射光均能进入图像传感器103中。
采用微相位延迟器阵列的优点包括：减少冗余机械固定结构，便于偏振测量装置的轻量化、小型化设计；减少偏振调制过程中产生的像旋现象，降低调制信号解算难度；相比于液晶偏振器件，微相位延迟器阵列的光学性质更为稳定，不容易受到环境影响。另外，若对全Stokes的4个分量进行测量，至少需要对偏振信号进行4次调制。因此，两块微相位延迟器阵列均以4个微相位延迟器为一个周期。
经过数值计算，可得到太阳入射光的Stokes分量与测量得到的光强信号间关系为：
从而实现全Stokes分量的快速计算。
本发明的理论依据如下：
太阳入射光带有一定的偏振信号，入射光的Stokes分量为(s0,s1,s2,s3)T。偏振调制过程可将入射光的Stokes分量调制为光强强度信号，进而可以被图像传感器采集。
本发明选用两块微相位延迟器阵列110、120，和一块线性偏振片130作为偏振调制器件。λ/2微相位延迟器阵列110的相位延迟量为λ/2，可用于测量线性偏振分量s1、s2。3λ/4微相位延迟器阵列120的相位延迟量为3λ/4，可用于测量圆偏振分量s3。线性偏振片130可作为检偏器，对全Stokes分量进行偏振调制。微相位延迟器阵列110、120、线性偏振片130按照顺序依次排列，可实现对入射光的偏振调制。
采用微相位延迟器阵列的优点包括：减少冗余机械固定结构，便于偏振测量装置的轻量化、小型化设计；减少偏振调制过程中产生的像旋现象，降低调制信号解算难度；相比于液晶偏振器件，微相位延迟器阵列的光学性质更为稳定，不容易受到环境影响。另外，若对全Stokes的4个分量进行测量，至少需要对偏振信号进行4次调制。因此，两块微相位延迟器阵列均以4个微相位延迟器为一个周期。
太阳入射光的Stokes分量为(s0,s1,s2,s3)T。入射光经过λ/2微相位延迟器阵列110、3λ/4微相位延迟器120、线性偏振片130后，光强被进行四次偏振调制。偏振测量装置的快轴方位角基准为相机底部水平方向基线。微相位延迟器的Mueller矩阵记为Mij(θij,φi)，其中i＝1,2分别对应微延迟器阵列110和微延迟器阵列120，j＝1,2,3,4分别对应四个微相位延迟器，θij为快轴方位角，φi是相位延迟量。线性偏振片130的Mueller矩阵记为MP(0°)，括号内0°为线性偏振片的快轴方位角。上述三个器件共同产生的四次偏振调制作用可表示为MP(0°)·M2j(θ2j,3λ/4)·M1j(θ1j,λ/2)。取四次偏振调制作用的矩阵乘积第一行元素，可组成一个新的4×4仪器调制矩阵M。阵列中每个单元组合对应得到的光强信号为(L1,L2,L3,L4)T与太阳入射光的Stokes分量的关系为(L1,L2,L3,L4)T＝M·(s0,s1,s2,s3)T。
微相位延迟器的快轴方位角设计需要满足以下条件：快轴方位角之间差值相差45°，以便于加工；偏振测量装置对Stokes圆偏振分量和线偏振分量的测量效率相同。考虑到以上两点，λ/2微相位延迟器阵列110中，右上角和左上角为快轴112.5°方向λ/2微相位延迟器111，左下角和右下角为快轴157.5°方向λ/2微相位延迟器112；3λ/4微相位延迟器阵列120中，左上角和右下角为快轴112.5°方向3λ/4微相位延迟器121，左下角和右上角为快轴67.5°方向3λ/4微相位延迟器122。
采用上述配置，偏振测量装置的调制矩阵可表示为：
对应地，偏振测量装置的解调矩阵可表示为：
偏振测量装置的测量效率可表示为：
式中，i＝1,2,3,4分别对应Stokes的I,Q,U,V分量。对应求解，得到
即线性偏振分量测量效率为
圆偏振分量测量效率为
整体测量效率为
达到最大值。从而实现高效率测量。这样的设计可以降低测量过程中的不确定度，提升测量效率，利于太阳磁场偏振测量的开展。
阵列中每个单元组合对应得到的光强信号为L1,L2,L3,L4，分别对应右上角、左上角、左下角、右下角。光强信号与Stokes分量间的关系可表示为：
经过数值计算，可得到太阳入射光的Stokes分量为：
在实施应用中，本发明可通过偏振测量装置100完成对太阳入射光的全Stokes分量测量，具体实现步骤如下：
步骤1：对偏振测量装置的高效率测量方案进行设计，设计基于一片λ/2微相位延迟器阵列，一片3λ/4微相位延迟器阵列，一片线性偏振片进行，优化得到两个微相位延迟器阵列内各微相位延迟器的快轴方位角；
步骤2：基于设计结果，得到两块微相位延迟器阵列和线性偏振片的排布，并对应搭建偏振测量装置；
步骤3：入射光进入偏振测量装置，对应得到4种偏振调制后的光强信号L1,L2,L3,L4；
步骤4：由光强信号L1,L2,L3,L4解算得到全Stokes分量(s0,s1,s2,s3)T，其中T表示向量转置符号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，其特征在于，包括：
步骤1：设计偏振测量装置，所述偏振测量装置包括一片λ/2微相位延迟器阵列、一片3λ/4微相位延迟器阵列、一片线性偏振片，优化得到两个微相位延迟器阵列内各微相位延迟器的快轴方位角；
步骤2：基于优化结果，得到两块微相位延迟器阵列和线性偏振片的排布；
步骤3：入射光进入偏振测量装置，对应得到4种偏振调制后的光强信号L1,L2,L3,L4；
步骤4：由光强信号L1,L2,L3,L4解算得到全Stokes分量(s0,s1,s2,s3)T，其中T表示向量转置符号。
2.根据权利要求1所述的一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，其特征在于，线偏振分量和圆偏振分量的测量效率相同，均为
且总体效率为1，即偏振效率最大。
3.根据权利要求1所述的一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，其特征在于，所述λ/2微相位延迟器阵列的相位延迟量为λ/2，用于测量线性偏振分量s1、s2，所述3λ/4微相位延迟器阵列相位延迟量为3λ/4，用于测量圆偏振分量s3，线性偏振片作为检偏器，对全Stokes分量进行偏振调制；两片微相位延迟器阵列和线性偏振片按照顺序依次排列，对入射光进行偏振调制。
4.根据权利要求1所述的一种高效率全Stokes分量偏振测量方法，其特征在于，入射光的Stokes分量与测量得到的光强信号间关系为：
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| Title |
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| DEQING REN等: "A High-Efficiency and High-Accuracy Polarimeter for Solar Magnetic Field Measurements", 《SOLAR PHYS》, 6 August 2020 (2020-08-06), pages 1 - 23 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113359069B (zh) | 2022-06-07 |
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Legal Events
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