Панорамный поляриметр

,БЯ 51)5 С 01 й 2 ОСУДАРСТВЕ ННОЕ ПАТЕНТ ЮЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ЕТЕН ото, 163 МЕТР и оптического приборов для ета протяжении исследовадля измерения х природных и ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬС(71) Главная астрономическая обсерваторАН УССР(57) Использование: в областприборостроения, а именноизмерения поляризации свных объектов при проведенний в астрономии, а такжеоптических свойств различны, 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 искусственных 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 искусственных обьектов. 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, поляриэационный 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 д устройства. 4Поляриметр содержит расположенные Со по ходу луча прямоугольную диафрагму 1, ф осуществляющую пространственную селек- р цию 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 мо- а дулятор 4, поляризационную призму 5, поляризационный фазовый демодулятор 6, поляризационный лучерасщепитель 7, ахроматическую фазовую пластинку 8 (АФП) Л/4, блок нейтральных светофильтров 9, блок спектральных, светофильтров 10, маску из5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 расовой стрелки, если смотреть по ходу луЧа, от направления, перпендикулярного плоскости фиг.1, совпадающего в данном "ирймере 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 с 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.З).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 иэО- бракением исследуемого объекта (фиг.3). Размер одного реперного источника света должен соответствовать размеру элемента разрешения панорамного приемника излучения,АФП 8 А/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 вращаю55 щуюся поляризационную призму Глана- Томпсона 18, затвор 19, перекрывающийсветовой 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, образуетвместе 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 4изображения на его квадрантах, соответствующие различным состояниям поляризации исследуемого объекта (фиг.З), Световойпоток в каждой точке исследуемого объектахарактеризуется. параметрами Стокса, О, О и Ч. Полный цикл работы поляриметра состоит из двух фаз,В первой фазе работы оптическая осьАФП 4 последовательно занимает положения 0 и 22,5 О, а оптическая ось АФП 6 - соответственно 0 и 45 (фиг,З), 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 Оо в исходном векторе Стокса компоненты 1 и 0 сохраняются, а компоненты О и Ч меняют знак, Однако, поскольку поляризационная призма 5 имеет ориентацию главных плоскостей пропускания 0 и 90, то преобразования компонент О и Ч неоимеют 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 - (1 + О) и - (1 - 0).АФП 6 с ориентацией 1 12 2оптической 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 приемникаизлучения, 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 О-компо 5 10152025 30 35 40 45 50 ненту в 0-компоненту. В этом случае на выходе поляризационной призмы 5 образуются параллельные линейно-поляризованные лучи со взаимйб-ортбгойальными "плоскостями поляризации, ориентированными под углами 0 и 90, с интенсивностями - (1+ О)о 121и - ( - О). Поскольку синхронно с поворотом АФП 4 на 22,5 АФП 6 поворачиваетсяона 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 1, 0 и О, Многократное повторение рассмотренного цикла позволяет закапливать эти изображения, что приводит к повышению точности измерений. Отметим, что при этом панорамный приемник излучения работает в фото- метрическом режиме.Путем деления интенсивностей, накопленных в 1 и 4 квадрантах панорамного приемника можно получить информацию о нормированном 2-м параметре Стокса ц = О/1, а путем деления интенсивностей, накопленных во 2 и 3 квадрантах - информацию о" нормировайноа 3-м параметре Стокса в = И 1. 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 О, а АФП 6 работает в том же режиме, что и в фазе 1 (фиг,З). При этом компоненты 0 и О в исходном векторе Стокса меняют знак на обратный, в результате чего поляризационные изображения в квадрантах меняются местами, Алгоритм работы поляриметра во второй фазе аналогичен алУгоритму работы поляриметра в первой фазе. Путем деления изображений, накопленных(6) 675 аЗ( +О) ( Влияние атмосферны ости исключается и йй, соответствующ антам панорамного флуктуаций протем деления вых диагональным- прием;1 ика излузрачн раженквадр чения= ан(1 - с)/а 1(1+ с); (9)в первой и во второй фазе работы панорамного поляриметра можно исключить ошибку чувствительности по полю в нормированных компонентах вектора Стокса.Пусть ф,ф,ф иф - отсчеты, накопленные на соответствующем элемента панорамного приемника излучения в первом, втором, третьем и четвертом квадрантах соответственно в первой фазе работы поляри 10 метра, а /Я, /6, ф и ф - те нсе величины для второй фазы работы прибора, Далее, пусть а 1, аг, аз иа 4 есть величины, являющиеся произведением коэффициентов чувствительности приемника излучения в различных квадрантах на коэффт 1 цйбнты пропускания четырех измерительных каналов оптического тракта панорамного поляриметра. Наконец, пусть а, а , а и ао 22 5 45 67,5 - интегральные коэффициенты прозрачно сти атмосферыэа время накопления измерений при положениях оптической оси АФП 4 в углах О, 22,5, 45, 67,5, При таких обозначениях параметры Стокса исследуемого излучения оказываотся связанными с вве денными величинами следующим образомРз / Д =аз (1 - ц) /а 2 (1+ ц) ; (11) А /Рз =а 2(1 - ц)Иаз(1+ ц). (12) Анализ выражений (9) - (12) позволяет исключить коэффициенты а 1 - А 4 в нормированных выражениях для параметров Стокса ф с =1+ (Дфоп)/(файф)/(14Знаки выбираются из условийс1 иц1, 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 определенные 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 поля ризационный светоделитель (роль поляризационного светоделителя выполняет поляриэационная призма 5). Поляриметр собран по схемес 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 накопле,18 иг,З Составитель В,Кучер Техред М.Моргентал орректор М.Ткач дакто чев Заказ 4360 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5У ГКНТ СССР оизводственно-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,Формула изобретения Панорамный поляриметр, содержащий оптически связанные коллиматорную линзу, поляризационный фазовый модулятор,поляризационную призму, поляризационный фазовый демодулятор, поляризационный лучерасщепитель, маску из 4-х фокусирующих линз и панорамный прием никизлучения,отличающийся тем,что, с целью повышения тояости измерений линейной поляризации протяженных объектов при одновременном уменьшении габаритов, поляризационный фазовый моду 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 выела 15 двух ортогонально поляризованных лучей,