穆勒矩阵测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种穆勒矩阵的测量装置及其测量方法。穆勒矩阵的测量装置，包括起偏光路、检偏光路和传递光路，传递光路包括分光组件、第一透镜组、小孔光阑和平面反射镜。待检测光学系统放置在传递光路中的小孔光阑和平面反射镜之间，并使得待检测光学系统的焦点与第一透镜组的焦点重合，平面反射镜的口径大于待测光学系统的有效通光口径。穆勒矩阵的测量装置通过增加传递光路来实现对大口径、非平面的复杂光学系统偏振特性的测量。在该测量装置及其测量方法中，采用普通口径的偏振光学元件即可实现大口径复杂光学系统偏振特性的测量。本发明专利技术的自准直光路设计确保了光线均正入射到平面反射镜，减小了平面反射镜引入的测量误差，提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
穆勒矩阵测量装置及其测量方法
本专利技术属于光学
，具体涉及一种穆勒矩阵的测量装置及其测量方法。
技术介绍
穆勒矩阵椭偏仪能够测量得到目标的穆勒矩阵。穆勒矩阵是一个4×4矩阵，它可以表征样本自身的全部偏振性质，包括二向衰减、相位延迟和退偏。近年来越来越多的研究人员通过测量样本的穆勒矩阵来获取薄膜的折射率和厚度、微纳结构的特征尺寸和光学常数、生物组织的散射特性等重要信息，使得穆勒矩阵椭偏仪广泛应用于通信光电子、光伏太阳能、光学薄膜、微纳器件、集成电路、生物组织等领域。随着对地遥感、天文观测等水平的提高，望远镜的非理想偏振特性逐渐成为一个重要的系统误差源，限制了类地行星观测、太阳望远镜、空间目标探测、偏振激光雷达和偏振光谱遥感等
的进一步发展。因此，上述应用中均迫切需要精确掌握望远镜的偏振特性。然而，望远镜的大口径和非平面光学系统属性大幅度增加了精确获取其穆勒矩阵的难度。现有的穆勒矩阵椭偏仪中起偏臂和检偏臂关于待测样品轴线对称布置，起偏臂出射光经过待测目标后直接进入检偏臂，导致可检测的样品只能是平面。即便存在能够测量曲面的椭偏仪，但是其原理是通过减小起偏臂出射光斑的口径，以多次小口径平面检测的方式覆盖整个待测曲面样品，本质上依然属于平面测量。更重要的是，现有穆勒矩阵椭偏仪中待测样品的口径与起偏臂和检偏臂中偏振光学元件的口径相当。然而，目前技术条件下，高精度、大口径偏振光学元件很难制造，因此现有的穆勒矩阵椭偏仪均只能针对小口径的样品进行测量，无法实现大口径、复杂光学系统的偏振特性测量。<br>
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种穆勒矩阵的测量装置；本专利技术还提供了使用该穆勒矩阵的测量装置进行测量的方法，以解决现有技术缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供了一种穆勒矩阵的测量装置，包括起偏光路和检偏光路，还包括位于所述起偏光路光束出射方向的传递光路；所述传递光路包括依次沿光路方向设置的分光组件、第一透镜组、位于所述第一透镜组焦点处的小孔光阑、平面反射镜；待检测光学系统放置于所述小孔光阑和所述平面反射镜之间，所述待测光学系统的焦点与所述第一透镜组的焦点重合；所述起偏光路发出偏振态被调制的光束，经过所述分光组件分光，透射光束经第一透镜组汇聚于所述待测光学系统的焦点处，再经所述小孔光阑入射至所述待测光学系统，变为平行光束后经所述平面反射镜自准直反射，沿原光路返回，依次通过所述小孔光阑和第一透镜组后，经所述分光组件反射进入所述检偏光路，通过计算获得待测光学系统的穆勒矩阵。进一步地，平面反射镜的口径大于待检测光学系统的有效通光口径。进一步地，所述小孔光阑的通光口径大于待测光学系统的艾利斑直径其中R、f和D分别为待测光学系统的艾利斑直径、有效焦距和有效通光口径，λ为有效光谱范围内的最大波长。进一步地，所述分光组件包括分光面相互正交放置的第一分光棱镜和第二分光棱镜；经所述平面反射镜反射沿原光路返回的光束经所述第一分光棱镜反射折转至所述第二分光棱镜，再经所述第二分光棱镜的反射折转进入所述检偏光路。进一步地，所述第一透镜组经消偏振处理，以降低所述第一透镜组对光束偏振态的改变。进一步地，所述起偏光路包括依次沿光路方向设置的光源、第二透镜组、起偏器、第一相位补偿器；所述光源发出光强、偏振态、波长稳定的光束，经所述第二透镜组准直后，经所述起偏器变为线偏振光束，所述线偏振光束进入所述第一相位补偿器被调制后，入射至所述传递光路。进一步地，所述检偏光路包括依次沿光路方向设置的第二相位补偿器、检偏器、第三透镜组、接收光强信号的光电探测器；经所述平面反射镜反射沿原光路返回的光束，经所述分光组件折转进入所述第二相位补偿器，其偏振态被调制后，进入所述检偏器，经所述第三透镜组汇聚至所述光电探测器进行光强探测。本专利技术还提供一种穆勒矩阵测量的方法，包括如下步骤：S1、起偏光路发出的偏振光束进入传递光路；所述偏振光束经过所述传递光路的分光组件后被分光，其中透射光束依次经第一透镜组、小孔光阑、待测光学系统、平面反射镜，经平面反射镜自准直反射后再沿原光路返回，进入检偏光路，其偏振态被解调，最后被光电探测器接收；S2、旋转所述起偏光路中第一相位补偿器和所述检偏光路中第二相位补偿器，使第一相位补偿器和第二相位补偿器保持固定的转速比；S3、重复步骤S2，使用光电探测器进行数据采集，获取频率在0倍到2×(u+v)倍范围内的光强信号，重复次数不少于16次，计算获得经待测光学系统在自准直光路中的穆勒矩阵M；S4、根据经待测光学系统在自准直光路中的穆勒矩阵M，计算获得待测光学系统的穆勒矩阵M0。进一步地，步骤S3中计算获得经待测光学系统在自准直光路中的穆勒矩阵M的具体方法如下：起偏光路的矩阵公式为：g＝R1(δ1,θ1(t))P1(α1)；检偏光路的矩阵公式为：a＝P2(α2)R2(δ2,θ2(t))；式中，P1、P2分别表示起偏器、检偏器的穆勒矩阵；R1、R2分别表示第一相位补偿器、第二相位补偿器的穆勒矩阵；α1，θ1，θ2和α2分别表示起偏器、第一相位补偿器、第二相位补偿器和检偏器的方位角；δ1和δ2分别是第一相位补偿器、第二相位补偿器的相位延迟量，光电探测器采集的Q次光强信号IQ表示为：式中，aq,j表示起偏光路穆勒矩阵第一行的各个元素，mj,k(j,k＝1,2,3,4)表示待测光学系统在自准直光路中的穆勒矩阵M的各个元素，gq,k表示检偏光路穆勒矩阵第一列的各个元素，WQ＝(wq,1,1,wq,1,2,wq,1,3,···,wq,4,4)＝(aq,1gq,1,aq,1gq,2,aq,1gq,3,···,aq,4gq,4)；M＝(m11,m12,m13,m14,···,m44)T；其中WQ表示第Q次测量时的仪器矩阵，T表示矩阵的转置运算，待检测光学系统在自准直光路中表现出的穆勒矩阵通过伪逆求解：M＝(WT·W)-1·WT·I。进一步地，步骤S4中计算获得待测光学系统的穆勒矩阵M0的计算公式如下所示：本专利技术所提供的一种穆勒矩阵的测量装置及其测量方法，通过增加传递光路来实现对大口径、非平面的复杂光学系统偏振特性的测量。在该测量装置及其测量方法中，由于平面反射镜与待检测光学系统构成了自准直光路，光线均为正入射到平面反射镜，减小了平面反射镜引入的测量误差，提高了穆勒矩阵测量精度。附图说明图1是本专利技术提供的穆勒矩阵的测量装置的第一结构示意图；图2是本专利技术提供的穆勒矩阵的测量装置的第二结构示意图；图3是本专利技术提供的测量穆勒矩阵的方法的流程示意图。具体附图标记包括：分光组件1、第一分光棱镜101、第二分光棱镜102、第一透镜组2、小孔光阑3、平面反射镜4、光源5、第二透镜组6、起偏器7、第一相位补偿器8、第二相位补偿器9、检偏器10、第三透镜组11、光电探测器12、待测光学系统13。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穆勒矩阵的测量装置，包括起偏光路和检偏光路，其特征在于，还包括位于所述起偏光路光束出射方向的传递光路；/n所述传递光路包括依次沿光路方向设置的分光组件(1)、第一透镜组(2)、位于所述第一透镜组(2)焦点处的小孔光阑(3)、位于待测光学系统(13)的光束出射端的平面反射镜(4)；/n所述待检测光学系统(13)放置于所述小孔光阑(3)和所述平面反射镜(4)之间，所述待测光学系统(13)的焦点与所述第一透镜组(2)的焦点重合；/n所述起偏光路发出偏振态被调制的光束，经过所述分光组件(1)分光，透射光束经第一透镜组(2)汇聚于所述待测光学系统(13)的焦点处，再经所述小孔光阑(3)入射至所述待测光学系统(13)，变为平行光束后经所述平面反射镜(4)自准直反射，并沿原光路返回，依次通过所述小孔光阑(3)和所述第一透镜组(2)后，经所述分光组件(1)反射进入所述检偏光路，通过计算获得所述待测光学系统(13)的穆勒矩阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种穆勒矩阵的测量装置，包括起偏光路和检偏光路，其特征在于，还包括位于所述起偏光路光束出射方向的传递光路；
所述传递光路包括依次沿光路方向设置的分光组件(1)、第一透镜组(2)、位于所述第一透镜组(2)焦点处的小孔光阑(3)、位于待测光学系统(13)的光束出射端的平面反射镜(4)；
所述待检测光学系统(13)放置于所述小孔光阑(3)和所述平面反射镜(4)之间，所述待测光学系统(13)的焦点与所述第一透镜组(2)的焦点重合；
所述起偏光路发出偏振态被调制的光束，经过所述分光组件(1)分光，透射光束经第一透镜组(2)汇聚于所述待测光学系统(13)的焦点处，再经所述小孔光阑(3)入射至所述待测光学系统(13)，变为平行光束后经所述平面反射镜(4)自准直反射，并沿原光路返回，依次通过所述小孔光阑(3)和所述第一透镜组(2)后，经所述分光组件(1)反射进入所述检偏光路，通过计算获得所述待测光学系统(13)的穆勒矩阵。


2.根据权利要求1所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，平面反射镜(4)的口径大于待检测光学系统(13)的有效通光口径。


3.根据权利要求1所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，所述小孔光阑(3)的通光口径大于待测光学系统(13)的艾利斑直径其中R、f和D分别为待测光学系统(13)的艾利斑直径、有效焦距和有效通光口径，λ为有效光谱范围内的最大波长。


4.根据权利要求1所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，所述分光组件(1)包括分光面相互正交放置的第一分光棱镜(101)和第二分光棱镜(102)；
经所述平面反射镜(4)反射沿原光路返回的光束经所述第一分光棱镜(101)反射折转至所述第二分光棱镜(102)，再经所述第二分光棱镜(102)的反射折转进入所述检偏光路。


5.根据权利要求1所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，所述第一透镜组(2)经消偏振处理，以降低所述第一透镜组(2)对光束偏振态的改变。


6.根据权利要求1-5中任意一项所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，所述起偏光路包括依次沿光路方向设置的光源(5)、第二透镜组(6)、起偏器(7)、第一相位补偿器(8)；
所述光源(5)发出光强、偏振态、波长稳定的光束，经所述第二透镜组(6)准直后，经所述起偏器(7)变为线偏振光束，所述线偏振光束进入所述第一相位补偿器(8)被调制后，入射至所述传递光路。


7.根据权利要求6所述的穆勒矩阵的测量装置，其特征在于，
所述检偏光路包括依次沿光路方向设置的第二相位补偿器(9)、检偏器(10)、第三透镜组(11)、接收光强信号的光电探测器(12)；
经所述平面反射镜(4)反射沿原光路返回的光束，经所述分光组件(1)反射折转进入所述第二相位补偿器...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗敬，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22