Панорамный поляриметр

 

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 коллиматорную 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

СО103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 21/23

ГОСУДАР СТВ Е ННОЕ ПАТЕНТ1-ЮЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4852502/25 (22) 18,07,90 (46) 30.12.92. Бюл. N 48 (71) Главная астрономическая обсерватория

АН УССР (72) В,А. Кучеров (56) S.Ì.Scarrot et al. — Mon Notio, Rey.Astron.$ос. 1983, v.204, N. 3, р.11631177.

J.0.Stenflo H.Povel,-Appl.0рт, 1985, v.24,22, р,3893 — 3998. (54) ПАНОРАМНЫЙ ПОЛЯРИМЕТР (57) 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, Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к приборам для измерения поляризации света протяженных обьектов, и может быть использовано для проведения исследований в астрономии, а также для измерения оптических свойств различных природных и искусcTBeHHblx обьектов, Цель изобретения — повышение точности измерений линейной поляризации 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.3— отдельные элементы). Тонкими линиями

БЫ,» 1?848?6 А1 искусственных объектов. Сущность изобретения состоит в том, что в поляриметре, включающем оптически связанные коллиматорную линзу, поляризационный фазовый модулятор, поляризационную призму, поляриэационный фазовый демодулятор, поляризационный лучерасщепитель, маску из четырех фокусирующих линз и панорамный приемник излучения, поляризационный фазовый модулятор выполнен с воэможностью переключения состояний поляризации в четырех изображениях, формирующихся на разных частях панорамного приемника излучения, а поляриэационная призма выполнена с возможностью вывода двух ортогонально-поляризованных лучей и возможностью управления углом и расстоянием между лучами. 3 ил. обозначены непринципиальные элементы устройства. 4

Поляриметр содержит расположенные Q) по ходу луча прямоугольную диафрагму 1, ф осуществляющую пространственную селекцию участка небесной сферы в фокальной плоскости телескопа, систему 2 совмещения изображений, содержащую реперные источники света, расположенные по краям прямоугольной диафрагмы 1, коллиматорную линзу 3, поляризационный фазовый Mo a дулятор 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

1784876

25

35

45

55 четырех фокусирующих линз 11 и панорамный приемник излучения 12.

Поляризационный фазовый модулятор

4 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 поляриэационной призмы 5 (углы в данном описании отсчитываются в одном выбранном направлении, например, против, (асовой стрелки, если смотреть по ходу луЧа, от направления, перпендикулярного плоскости фиг.1, совпадающего в данном "прймере с оптической осью поляризационной призмы 5).

Поляриэационная призма 5 выполнена в виде сдвоенной призмы Глана-Томпсона и обеспечивает выход двух параллельных лучей с взаимно-ортогональным направлением поляризации и заданным растением между лучами в 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. полувол новую

АФП, оптическая ось которой имеет возможность вращаться с шагом 45 в прямом и обратном направлениях и занимать положения 0 и 45 . АФП 6 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-ортогональной 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 измерений 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

6 имеет возможность совершать колебания между положениями 0 и 45 . АФП 6 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.3).

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 иэображений предназначена для координатного совмещения иэображений, получаемых на различных квадрантах панорамного приемника излучения, при обработке поляризационных измерений в ЭВМ. Она состоит из реперных источников света, расположенных по краям прямоугольной диафрагмы 1 и передающихся на плоскость панорамного приемника излучения одновременно с иэобра>кением исследуемого объекта (фиг.3).

Размер одного реперного источника света должен соответствовать размеру элемента разрешения панорамного приемника излучения, АФП 8 /4 предназначена для устранения влияния на измерения поляризационной чувствительности панорамного приемйика излучения. Она ориентирована под углом 45 к главным плоскостям пропускания поляризационного лучерасщепителя 7 и преобразует линейно-поляризациснный 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, вводимо-выводимый калибратор 16, содержащий неполяризованный источник света 17 с равномерной яркостью по полю и вращаю1784876

10

20

55 щуюся поляризационную призму ГланаТомпсона 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 волй.

Поляриметр работает следующим образом. Световой поток от участка небесной сферы, собираемый телескопом, образует вместе с реперными источниками света 2 иэображение 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.3). Световой поток в каждой точке исследуемого объекта характеризуется параметрами Стокса!, 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,3), 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 u Q сохраняются, а компоненты U u V меняют знак, Однако, поскольку поляризационная призма 5 имеет ориентацию главных плоскостей пропускания 0 и

90, то преобразования компонент U u V не о имеют значения, так как эти компоненты призмой не пропускаются. Из призмы 5 выйдут два параллельных линейно-поляризованных луча со взаимноортогональными плоскостями поляризации, ориентированными под углами 0 и 90, с интенсивностями — (i + Q) и — (I - Q).ÀÔÏ 6 с ориентацией

1 1

2 2 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 0-компоненту. В этом случае на выходе поляризационной призмы 5 образуются параллельные линейно-поляризованные лучи со взаимйб-opi6i04aльными" плоскостями поляризации, ориентированными под углами 0 и 90, с интенсивностями — (1+ U) о 1

1 и — (! — U) Поскольку синхронно с поворотом АФП 4 на 22,5 АФП 6 поворачивается о 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 приемника излучения, а квадранты 1 и 3 окажутся запертыми, Таким образом, за один цикл работы в первой фазе на панорамном приемнике квазиодновременно образуются четыре изображения, содержащих информацию о первых трех параметрах Стокса I, Q u U.

Многократное повторение рассмотренного цикла позволяет закапливать эти изображения, что приводит к повышению точности измерений. Отметим, что при этом панорамный приемник излучения работает в фотометрическом режиме.

Путем деления интенсивностей, накопленных в 1 и 4 квадрантах панорамного приемника можно получить информацию о нормированном 2-м параметре Стокса q =

Q/1, а путем деления интенсивностей, накопленных во 2 и 3 квадрантах — информацию о"нормировайноа 3-м параметре

Стокса u = О! I. Результат деления свободен от влияния атмосферных флуктуаций, поскольку изображения в диагональных квадрантах панорамного приемника накапливаются одновременно за счет использования двух лучей с ортогональной поляризацией на выходе поляризационной призмы 5, Однако, если панорамный приемник излучения обладает неравномерной чувствительностью по полю, то результат деления будет содержать ошибку, вызванную различными коэффициентами чувствительности в квадрантах.

Чтобы компенсировать это различие чувствительностей, проводится вторая фаза 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 1 (фиг,3). При этом компоненты Q u U в исходном векторе Стокса меняют знак на обратный, в результате чего поляризационные изображения в квадрантах меняются местами. Алгоритм работы поляриметра во второй фазе аналогичен anгоритму работы поляриметра в первой фазе.

Путем деления изображений, накопленных

1784876

PI =- а а1(1+С1);

30 (2) p3 = — а225 аг (I + u ); ф = — 1 a2ã,5 a3 (! — u ): (3) p) = — ao a4 (! — О ); (4)

Pj — 1 а45 а„(Q ) (5) 40.ф = — à a2(I — 0); (6)

45 ф = — а67 a3(I+u); (7) р =,45a4(i+a); (8)

2 50

Влияние атмосферных флуктуаций ripoзрачности исключается путем деления выражений, соответствующих диагональнымквадрантам панорамного приемника излу- 55 чения

f41/ pI = (a4(1 - q))/(àI(1 + q); (9)

pI / p4 = (a I (1 — ц) ) /(а4 (1 + ц)); (10) в первой и во второй фазе работы панорамного поляриметра можно исключить ошибку чувствительности по полю в нормированных компонентах вектора Стокса.

Пусть P), Я, ф и Pj — отсчеты, накопленные на соответствующем элемента панорамного приемника излучения в первом, втором, третьем и четвертом квадрантах соответственно в первой фазе работы поляри10 метра, а Р1, j5, Рз и Pj — те нсе величины для второй фазы работы прибора, Далее, пусть а1, аг, аз и а4 есть величины, являющиеся произведением коэффициентов чувствительности приемника излучения в различных квадрантах на коэффй @Манты пропускания четырех измерительных каналов оптического тракта панорамного поляриметра. Наконец, пусть а, а, а и а о 22 5 45 67,5 — интегральные коэффициенты прозрачно- 20 сти атмосферы эа время накОпления измерений при положениях оптической оси АФП

4 в углах О, 22,5, 45, 67,5 . При таких обозначениях параметры Стокса исследуемого излучения оказываются связанными с вве- 25 денными величинами следующим образом

/33 / f6 = (аз (1 — u) )/(a2 (1 + u) ); (11) р2 /p3 =(а2(1 — и))/(аз(1+ U)). (12) Анализ выражений (9) — (12) позволяет исключить коэффициенты aI — А4 в нормированных выражениях для параметров Стокса

q =(1+ (фЯ)/(Plô))/ (13) /(1 й

Ф) )/ и =(1+ (14) /(1 +

Знаки выбираются из условий I ц I < 1 и ! и I < 1. Интенсивность может быть получена с точностью до коэффициентов чувствительности приемника и коэффициентов пропускания измерительных каналов простым суммированием изображений в диагональных квадрантах. 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 обьектов, однако он имеет oIIределенные преимущества по компактности схемы. В предлагаемом устройстве максимально упрощена конструкция модулятора, отсутствует фазовый ключ как дополнительный элемент конструкции (роль фазового ключа выполняет АФ П 4 модулятора) и поляризационный светоделитель (роль поляризационного светоделителя выполняет поляриэационная 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 вращатели, а вместо сдвоенных поляризационных призм Глана-Томпсона— другие типы поляризационных лучерасщепителей. 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 воэможность работать в режиме накопле10

1784876

Формула изобретения

Панорамный поляриметр, содержащий оптически связанные коллиматорную линзу, поляризационный фазовый модулятор, 1g 1g г, 11 12

Составитель В,Кучеров

Техред М.Моргентал К РР Р М.Ткач

Редактор Т.Горячева

Заказ 4360 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагаринэ, 101 ния поляризационных изображений на панорамном приемнике излучения и полностью устраняет влияние атмосферных флуктуаций 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, поляризационную призму, поляризационный фазовый демодулятор, поляризационный лучерасщепитель, маску из 4-х фокусирующих линз и панорамный прием5 никизлучения,отличающийся тем, что, с целью повышения то яости измерений линейной поляризации протяженных объектов при одновременном уменьшении габаритов, поляризационный фазовый моду10 лятор выполнен в виде переключателя состояний поляризации в 4-х изображениях, формирующихся на разных частях панорамного приемника излучения, а поляризацион ная призма выполнена с возможность выюйца

15 двух ортогонально поляризованных лучей,