偏振器
查找函数-欢度国庆作文
2023年2月17日发(作者：朱彝尊)利用新型偏振器件实现方位角测量
肖茂森1，李春艳1,2，吴易明1，陆卫国1，王海霞1
(1.中国科学院西安光学精密机械研究所
，陕西
西安710119；2.中国科学院大学，
北京
100049)
摘要:为了实现偏振光信号发生单元起偏器光轴方位角的精确测量，
介绍了一种采用磁光调制技
术与利用直角棱镜和自准直仪来引出光轴方位角的装置及其工作原理
，并指出采用普通检偏棱
镜时
存在的问题。为解决该问题
，基于格兰
-泰勒棱镜的工作原理设计了一种新型偏振器件
，该
器件采用
三块材料参数完全相同的方解石晶体构成，位于两侧的晶体均可分别与中间的晶体形成一个格兰-
泰勒棱镜，使其翻转180°前后均能实现检偏功能；详细介绍了该器件的工作原理及安装和工作方式，
并系统分析了新组件在工作过程中可以实现棱镜制造及安装误差的消除
，完成光轴方位
角的测定。
最
后通过实验验证了该装置的测角精度为0.5〞，且系统具有稳定性高、精度高、可操作性强等特点。
关键词：磁光调制
；
方位角测量；自准直经纬仪；格兰-泰勒棱镜
中图分类号：TH741.2文献标志码：A文章编号：1007-2276(2015)02-0611-05
Measurementofazimuthbyusingnewpolarizer
XiaoMaosen1,LiChunyan1,2,WuYiming1,LuWeiguo1,WangHaixia1
(ˊanInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xiˊan710119,China;
sityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
Abstract:Inordertoachieveazimuthaccuratemeasurementofpolarizeraxisinthepolarizationsignal
generatingunit,adeviceanditsworkingprinciplewereintroducedwiththeuseofmagneto-optical
modulation,right-angledprismandautocollimatortoelicittheaxisazimuth,andtheordinarypolarization
peofpolarizationdevicewasdesignedbasedonGlan-Taylor
prismtosolvethisproblem,itusesthreecalcitecrystalswithidenticalmaterialcomposition,eachside
canformaGlan-Taylorprismrespectivelywiththemiddle,thatitcanbeaanalyzerwhenitisturned
180°around;theworkingprincipleofthedeviceandinstallationandwaysofworkingweredescribedin
detail,thatthenewcomponentcaneliminatetheprismmanufactureandinstallationerrorsinthework
processwasanalyzed,y,experimentresults
verifythattheanglemeasurementprecisionofthedeviceis0.5〞,andthesystemhascharacteristicsof
highstability,precisionandoperability,andsoon.
Keywords:magneto-opticalmodulation;azimuthmeasurement;autocollimationtheodolite;
Glan-Taylorprism
收稿日期：2014-06-06；修订日期：2014-07-08
基金项目：国防科研基金(JPPT-115-3-1360)
作者简介：肖茂森(1979-),男,副研究员,主要从事光学定向与定位方面的研究。Email:*************
通讯作者：李春艳(1987-),女,博士生,主要从事光学系统设计及偏振光学应用方面的研究。Email:****************
第44卷第2期红外与激光工程2015年2月
Vol.44No.2InfraredandLaserEngineeringFeb.2015
红外与激光工程第44卷
0引言
在火箭发射系统、航天器对接和材料内应力检
测等装置中,需要实时测量上下不同平面内仪器的
空间方位角。相比传统的测角方法(如机械方法、光
学方法),采用基于偏振光的空间测角装置具有测角
精度高、无需刚性连接、测角距离远等特点,所以广
泛应用在火箭发射、材料内应力、直线度测量等领
域。方位垂直传递系统就是一种基于偏振光的空间
测角装置,其基本原理是采用处于上下不同空间平
面的两偏振棱镜正交消光的方法实现空间方位角的
垂直传递[1-2]。吴易明、董晓娜等人[3-5]提出了采用调制
偏振光用于远距离空间方位角度精密测量的实现原
理,并介绍了具体实现方案,该方案在实际应用之
前,为标定偏振光信号发生单元起偏器的光轴方向
与其他光学仪器(如自准直仪)光轴的夹角,需要高
精度测量起偏器光轴的方位,由于系统的作用距离较
远,且处于实验或工业现场等恶劣环境(-40℃~60℃)
下,采用附加码盘及转动多齿分度台的方法来测量
出射光偏振方位角时,其精度主要依赖于多齿分度
台的转动精度,目前市场上可见的最高精度多齿分
度台的转动精度为0.2〞,另外,码盘及多齿分度台的
使用有严格的条件,环境温度、地基震动都会对结果
产生0.1°以上的测量误差,进而影响方位测量的精
度。可见该方法对环境要求较高,测量操作的难度及
成本增加,同时高低温下多齿分度台的转动精度难
以保证,对测量操作的影响特别明显,难以实现高精
度方位角度测量。
针对以上所述缺点,文中基于格兰-泰勒棱镜原
理[6-10],设计了一种新型偏振器件并结合磁光调制技
术,提出了一种测量起偏器光轴方位角的新方法,该
测量方法简单,容易实现,且装置具有精度高、稳定
可靠的特点,通过实验测定,该系统测量精度能达到
0.5〞以内。
1系统测量原理
方位垂直传递系统中光电自准直仪所测方位失
准角在不同空间平面的传递靠偏振光方位传递的方
法来实现,为使方位垂直传递系统实现空间方位角
的高精度测量,传递之前须精确标定光电自准直仪
光轴与起偏器光轴的夹角,因此起偏器光轴方位角
的测量精度将直接影响其与自准直仪光轴之间角度
的标定精度。实际应用中,在标定光电自准直仪的光
轴与起偏器光轴方位的夹角时,由于光轴方位角是
一个虚拟的方位信息,必须将其转移到直观、可靠的
实物(如平面镜或直角棱镜)上,通过建立起偏器光
轴方位与反射镜反射面法线之间的关系,最终间接
获得光轴的方位角。一般选用直角棱镜作为基准信
息输入和输出装置,实现方位信息的引入和引出。
测量系统的结构图如图1所示,P
1、P2
分别为起
偏器和检偏器,设起偏器P
1
的起偏方向为x轴,晶
体光轴如图1中双箭头所示,与纸面平行。
图1测量原理结构图
Fig.1Measurementprincipleofthesystem
如图1所示,光源L、准直镜BE、起偏器P
1
共同
组成偏振光信号发生单元；磁光调制器由磁光玻璃
及螺线管组成,对偏振光信号进行调制；检偏器组件
由偏振棱镜P
2
和探测器D组成,直角棱镜S与检偏
器通过结构件固连,且共同置于精密转台上,直角棱
镜S作为方位引出器件,将检偏器P
2
的侧面(图中m
面)的方位引出,假设理想情况下S棱脊垂直于光束
传播方向且平行于m面,m面平行于P
2
光轴,因此
通过间接测量得出的m面方位角即可作为与P
2
光
轴垂直的方位,实现起偏器光轴方位角的测量。
根据马吕斯定律,当P
1、P2
光轴相互垂直时(即
两者处于消光态),从P
2
出射的光强值为零,因此可
以通过检测光强的方式确定P
1、P2
的消光位置,但该
方法精度低,目前对光轴夹角的判定仅能够达到角
分级。如果要达到更高的角度定位精度必须采取磁
612
第2期
光调制的方法,对磁光玻璃进行正弦调制,令：
=VLBsint(1)
式中：为线偏振光经过磁光调制器后振动方向的
偏转角；为调制频率；V为维尔德常数,是表征磁
光玻璃特性的常数；L为磁光玻璃的长度；B为磁感
应强度。
定义m
f
=2VLB为调制度,则通过调制后最终探
测器接收到的光强为：
I=I
0
cos2(-)=I
0
[1+(m
f
sint)+
(m
f
sint)](2)
式中：为P
2
光轴与P
1
光轴的夹角。对上式运用第
一类贝塞尔函数进行展开,并忽略二阶以上的贝塞
尔函数,则探测信号的基频分量为：
V
1f
=kI
0
J
1
(m
f
)sin2(3)
式中：k为光电转换系数。由上式可知,当基频信号
V
1f
=0、探测光强最小时,可判断检偏器相对起偏器处
于消光位置,此时二者晶体光轴垂直,=90°。目前,
采用磁光调制的方法改测量光强信号为测量频率信
号,可以大大的提高光轴角度定位精度,达0.3〞。
当P
1
光轴与P
2
光轴垂直时,P
2
光轴与纸面垂
直,如图1中圆点所示,此时P
1
光轴平行于m面,即
可将m面所在方位认为P
1
光轴的方位,这样自准直
经纬仪通过瞄准直角棱镜S获得S所处方位角,就
可间接得到检偏器m面的方位,进而完成偏振光信
号发生单元起偏器光轴方位角的测量。
由以上分析可知,探测器处于消光状态时,检偏
器光轴垂直于起偏器光轴,处于y轴,由于偏振镜加
工时无法保证侧面m绝对平行于晶体光轴,且直角
棱镜S的棱脊由于装配误差难以和m面绝对平行,
设侧面m偏离检偏器光轴的方位角为,直角棱镜
S的棱脊与y轴的夹角为,如图2所示。
图2直角棱镜及检偏器光轴偏离角
Fig.2Deviationanglesofright-angledprismandanalyzeraxis
由图2可知,经纬仪对直角棱镜S自准测量时,
得出S所在方位
0
--(
0
为经纬仪瞄准m面时的
示值,经纬仪顺时针旋转方位角示值变大,逆时针旋
转方位角示值变小),系统采用直角棱镜的目的是为
间接引出m面的方位,便于后续的测量工作。
因此探测器处于消光状态时,利用直角棱镜S
与m面之间的关系,将起偏器光轴所在的方位角间
接从m面引出时,只能测出S所在方位
0
--,而
得不出起偏器光轴x轴的真实方位
0
-。
理想情况下,当检偏器不存在加工误差时=0°,
直角棱镜没有装配误差时,其棱脊与P
2
光轴、m面
的夹角=0°,则S所在方位即可代表起偏器光轴的
方位角。由于偏振晶体加工时,采用X射线衍射图
案观测法对其晶轴定向,定向精度一般可达5ˊ,这样
从晶体侧面m面引出的方位信息也是同等精度量
级,显然不能满足测量精度要求；且装配过程中无法
保证直角棱镜棱脊与检偏器P
2
光轴绝对平行。由分
析结果还可以看出,测量误差随直角棱镜安装误差
线性增大,可见选用普通的检偏棱镜难以实现偏振
光信号发生单元起偏器光轴方位角的精确测量。
2新型偏振器件的设计
2.1新型偏振器件的结构及安装方式
为解决以上问题,文中设计了新型偏振器件,如
图3所示。
图3新型偏振器件
Fig.3Newpolarizer
新型偏振器件是基于格兰-泰勒偏振棱镜的工
作原理,由三块材料、参数完全相同的方解石晶体制
成,其中位于中间的方解石晶体记为B,位于两侧的
方解石晶体分别记为A、C；则B具有上下通光面,
A、C均为楔形,且A具有下通光面、C具有上通光
面；A、C分别与B形成的斜向胶合面相互平行；各
晶体的光轴均如图3中双箭头所示。
使用过程中,为了引出检偏器m面所在方位,
以比较方便地对起偏器光轴的方位进行测量,设置
肖茂森等：利用新型偏振器件实现方位角测量
613
红外与激光工程第44卷
直角棱镜与该偏振器件固连(为说明问题,该节先假
设直角棱镜弦面的法线方向与B部分m侧面垂
直),其连结方式简图参考图1、图3,如图4所示。
图4直角棱镜与新型偏振器件连结方式(俯视图)
Fig.4Connectionofright-angledprismwithnewpolarizer
(thetopview)
图4中,直角棱镜S固连于偏振器件的侧面,并
使其棱脊垂直于光束传播方向,与新型偏振器件光
轴方向平行(图4中,A部分处于B的下方、C部分处
于B上方)。
2.2新型偏振器件的工作原理
新型偏振器件是基于格兰-泰勒棱镜的原理进
行设计的,在系统中当做检偏器使用,其工作原理如
图5所示。
图5新型偏振器件的工作原理
Fig.5Workingprincipleofnewpolarizer
图5中,线偏振光束沿z轴入射至新型偏振器
件的B部分,A、B两部分构成一个格兰-泰勒棱镜,
旋转偏振器件,当线偏振光的偏振方向与A、B的光
轴方向垂直时,探测器探测到的光强为零,此时处于
消光状态,将新型偏振器件绕x轴与固连的直角棱
镜同时翻转180°,线偏振光束沿z轴依然入射至偏
振器件的B部分,此时B、C两部分构成一个格兰-
泰勒棱镜,探测器位置不变,然后精确旋至P
1
光轴
与B、C光轴相互垂直时,探测器再次处于消光状
态。可见新型偏振器件的作用就是在翻转前后均可
实现格兰-泰勒棱镜的功能。
2.3新型偏振器件的应用
由于检偏器组件中直角棱镜与新型偏振器件是
固连在一起的,因此同时分析直角棱镜棱脊及新型
偏振器件m面与晶体光轴夹角对测量结果的影响,
如图6所示,新型偏振器件m面偏离晶体光轴的夹
角为,直角棱镜棱脊与y轴的夹角为。
图6各误差角度关系
Fig.6Relationoferrorangles
新型偏振器件和直角棱镜存在加工和装配误差、时,根据第一节的分析,得第一次测量的直角棱
镜的方位角：
1
=
0
--(4)
绕x轴翻转180°之后,继续旋转检偏器组件,当
线偏振光的偏振方向与B、C(B、C二者组成一个格兰-
泰勒棱镜)的光轴方向垂直时,探测器探测到的光强
为零,处于消光状态,自准直经纬仪瞄准直角棱镜,
测得方位角：
2
=
0
-2++(5)
两次测量求和平均,即可得出x轴方位值(即起
偏器光轴的方位角)：
=(
1
+
2
)/2=
0
-(6)
由公式(6)可知,通过测量翻转前后直角棱镜的
方位值,并对测量结果求取平均值的方法可以得出
x轴的真实方位,完成了偏振光信号发生单元起偏
器光轴真实方位角的测量。采用这种方法进行测量
时,虽然标准偏振棱镜B部分是决定检测精度的关
键,需要仔细设计和加工,但是该方法通过两次检测
平均消除了用于方位信息输出的直角棱镜棱脊与偏
振镜侧面之间的方位差,光轴定位精度对测量结果
的影响也得到消除,并且偏振方位角的测量精度不
受器件加工差异性(光轴定位差异性)的影响,即消
除了偏振器组件加工和装配时的误差,系统使用高
精度自准直经纬仪自准测量检偏器侧面的直角棱
镜,避免了使用转动多齿分度台自身并读数引起的
614
第2期
误差,提高了测量精度,可以完成偏振光信号发生单
元起偏器光轴方位角的高精度测量,且该方法具有
很强的可操作性。
3实验
为了验证系统使用新型偏振器件的实际方位角
测量精度,对这种测角方法做了实验并获得了实验
数据,将偏振光信号发生单元架设于检偏器组件测
量装置之上并调平,两次旋转检偏器至消光状态,并
分别采用自准直经纬仪瞄准测量与新型偏振器件一
起翻转180°前后的直角棱镜,将两次测量的结果求
取平均值。为验证系统的测角精度,采用将偏振光信
号发生单元旋转一定角度并依次测量,其中将偏振
光信号发生单元未旋转时(=0°)的位置经过反复多
次测量并求取平均值,得出=215°6ˊ4.5〞,以此值作
为参考真值,测角数据如表1所示。
为偏振光信号发生单元旋转角度；
1
为经纬
仪第一次测量所得的方位值；
2
为将偏振器组件翻
转180°后测得的方位值；为计算得出的平均值。
表1实验数据表
Tab.1Experimentdata
由表1可知采用该方法得出的起偏器光轴方位
角测量精度达0.5〞。实验表明：采用所设计的新型偏
振器件可以有效消除器件加工及装配等误差对测量
结果的影响,达到高精度起偏器光轴方位角的测量。
4结论
文中基于格兰-泰勒棱镜原理设计了一种新型
偏振器件,并采用新型偏振器组件实现了偏振光信
号发生单元起偏器光轴方位角的测量,与传统的检
偏棱镜相比,消除了复杂的读数转动机构及器件加
工误差对测量精度的影响。系统具有可靠性高、精度
高、操作方便等特点。在实际系统实验中达到了0.5〞
的测量精度。随着偏振光技术的发展越来越成熟,文
中的工作对偏振器件在工业和民用测量领域的应用
具有很大的指导意义。
参考文献：
[1]WangYueyong,GuoXiqing,pmenttrend
ofazimuthaimingsystemofballisticmissilesabroad[J].Optics
andPrecisionEngineering,2002,10(1):31-35.(inChinese)
[2]LuWeiguo,WuYiming,GaoLimin,of
polarizedlighttorealizetherapidmeasurementofthespatial
azimuth[J].OpticsandPrecisionEngineering,2013,21(3):
539-545.(inChinese)
[3]WuYiming,GaoLimin,ionmeasurement
andtransmissionofazimuthalinformationbasedon
polarizationmodulatedlight[J].InfraredandLaser
Engineering,2008,37(3):525-529.(inChinese)
[4]DongXiaona,GaoLimin,ShenXiaojun,g
azimuthverticallywiththetechniqueofmagnetooptic
modulation[J].ActaPhotonicaSinica,2001,30(11):1389-
1391.(inChinese)
[5]YangZhiyong,ZhouZhaofa,ementof
transmittingspatialazimuthbasedonsinewavemagneto-
opticmodulation[J].OpticsandPrecisionEngineering,
2012,20(4):692-698.(inChinese)
[6]ZhuHuafeng,SongLianke,PengHandong,bution
oftransmittedlightofaGlan-Taylorprism[J].Acta
PhotonicaSinica,2005,34(12):1881-1884.(inChinese)
[7]ZhaoTingsheng,LiGuohua,PengHandong,
designforGlan-Taylorprismwithoutinterferenceeffect[J].
OptoelectronicsLetters,2007,3(5):0372-0375.
[8]TangHengjing,WuFuquan,ittance
comparisonofGlan-TaylorprismandGlan-Foucaultprism
[J].LaserTechnology,2006,30(2):215-217.(inChinese)
[9]zationOptics[M].Beijing:SciencePress,
2003:184-211.(inChinese)
[10]ShiShunxiang,WangXueen,alOptics
andApplicationOptics[M].Xiˊan:XidianUniversityPress,
2008:26-40,216-251.(inChinese)
ε/(°)1
/(〞)
2°217°5ˊ21〞
4°219°5ˊ22〞
2
/(〞)
217°6ˊ47〞
219°6ˊ47〞
/(〞)
217°6ˊ4〞
219°6ˊ4.5〞
6°221°5ˊ21〞221°6ˊ47〞221°6ˊ4〞
8°223°5ˊ23〞223°6ˊ45〞223°6ˊ4〞
9°224°5ˊ21〞224°6ˊ49〞224°6ˊ5〞
-2°213°5ˊ20〞213°6ˊ49〞213°6ˊ4.5〞
-4°211°5ˊ22〞211°6ˊ46〞211°6ˊ4〞
-6°209°5ˊ22〞209°6ˊ47〞209°6ˊ4.5〞
-8°207°5ˊ24〞207°6ˊ46〞207°6ˊ5〞
肖茂森等：利用新型偏振器件实现方位角测量
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利用新型偏振器件实现方位角测量
作者：肖茂森，李春艳，吴易明，陆卫国，王海霞，XiaoMaosen，LiChunyan，WuYiming，LuWeiguo
，WangHaixia
作者单位：肖茂森,吴易明,陆卫国,王海霞,XiaoMaosen,WuYiming,LuWeiguo,WangHaixia(中国科学院西安光学精密
机械研究所,陕西西安,710119)，李春艳,LiChunyan(中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安
710119;中国科学院大学，北京100049)
刊名：
红外与激光工程
英文刊名：InfraredandLaserEngineering
年，卷(期)：2015(2)
引用本文格式：肖茂森.李春艳.吴易明.陆卫国.王海霞.ixia利用新型偏振器
件实现方位角测量[期刊论文]-红外与激光工程2015(2)