基于偏振光的新型照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉金秋 ，鄭運(yùn)強(qiáng) ，智春艷 ，趙朝軍 ，邱文旭 ，張 杰

（1.西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院通識(shí)教育學(xué)院，陜西 西安 710032；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

近年來有許多學(xué)者研究照明偏振問題，實(shí)現(xiàn)了簡單的偏振照明模式，并提出了檢測(cè)方案。從照明系統(tǒng)的綜合布局不難發(fā)現(xiàn)，光偏振性占據(jù)重要位置，從偏振態(tài)到純化裝置，再到偏振裝置和檢測(cè)光路，環(huán)環(huán)相扣，發(fā)揮著不可替代的作用。

筆者根據(jù)偏振原理，設(shè)計(jì)了一套完整的新型偏振照明系統(tǒng)，通過分析光束成像性質(zhì)，選擇不同照明模式，并配合離軸照明裝置，實(shí)現(xiàn)了光束偏振。

1 偏振照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖1 為新型偏振照明系統(tǒng)原理圖，分為4 個(gè)部分：光束傳輸控制系統(tǒng)、能量探測(cè)及控制系統(tǒng)、偏振控制系統(tǒng)、均勻照明系統(tǒng)。用激光光源發(fā)射光束，經(jīng)擴(kuò)散裝置將光束擴(kuò)散，達(dá)到穩(wěn)定后，由起偏器傳入偏振控制系統(tǒng)，改變偏振態(tài)及偏振模式，傳輸?shù)骄鶆蛘彰飨到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光束偏振。偏振控制系統(tǒng)由起偏器、偏振轉(zhuǎn)換裝置、組合棱鏡、偏振調(diào)整裝置等組成，其中起偏器用于使照明光束發(fā)生偏振，改變?cè)脊馐鴤鬏敺较?；偏振轉(zhuǎn)換裝置用于實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，得到適合的偏振模式；組合棱鏡用于傳輸偏振光束，防止光束發(fā)生逆轉(zhuǎn)；偏振調(diào)整裝置用于為偏振把關(guān)，調(diào)整偏振光束的位置，將光束傳入均勻照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)偏振模式。

由圖1 可以看出新型偏振照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，詳細(xì)展示了偏振光在照明系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過程，解決了由光束照明不均、受光位置不適宜等問題，優(yōu)化了傳統(tǒng)的照明模式，提高了人們的生活質(zhì)量。

圖1 新型偏振照明系統(tǒng)原理圖

2 偏振光產(chǎn)生方法分析與起偏器設(shè)計(jì)

偏振光產(chǎn)生方法有很多，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：一是利用雙折射產(chǎn)生偏振光，存在造價(jià)高、面積小的缺點(diǎn)；二是利用晶體二向色性產(chǎn)生偏振光，存在吸附性太強(qiáng)、不易聚光或者發(fā)散的缺點(diǎn)；三是利用光柵光闌產(chǎn)生偏振光，存在操作工藝復(fù)雜的問題，而且會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，影響光線偏振效果[1]。

筆者改進(jìn)現(xiàn)有方法，增加偏振調(diào)制裝置，設(shè)計(jì)偏振純化方案，充分利用偏振光產(chǎn)生的能量，以達(dá)到提高偏振照明效率和照明成像質(zhì)量的目的。

在研究布儒斯特角出現(xiàn)過程的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)的起偏器由多個(gè)平行薄玻璃組成，光線入射時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏向角。將反射光束通過起偏器，透過第二種介質(zhì)產(chǎn)生偏振光。該起偏器的制作過程簡單、材料來源廣泛且可視性強(qiáng)。

3 偏振純化裝置的工作原理分析與設(shè)計(jì)

為了產(chǎn)生偏振度較高的偏振光，筆者設(shè)計(jì)了偏振純化裝置，由兩大組成部分：反射鏡、1/4 波片。圖2 為純化裝置工作原理圖，其中1/4 波片和反射鏡結(jié)合，利用重吸收作用，將反射光的能量完全吸收和利用，使利用率達(dá)到最大值。由于1/4 波片數(shù)越多，偏振度越高，偏振性能越好，因此偏振純化裝置的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是波片數(shù)目的變化。偏振純化裝置可以使偏振照明系統(tǒng)更穩(wěn)定、更完善[2]。

4 偏振度檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

新型偏振照明系統(tǒng)偏振度的檢測(cè)采用振幅分割法。振幅分割法是將待測(cè)光分為4 束，并同時(shí)完成對(duì)某一瞬時(shí)各斯托克斯 （Stokes）矢量的測(cè)量。采用合適的分光器件，并搭建分光光路，用4 個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量4 個(gè)線性無關(guān)的光波功率值或光強(qiáng)值。這樣就可以得到非奇異的系統(tǒng)矩陣，并存在逆矩陣，可通過四點(diǎn)定標(biāo)法得到系統(tǒng)矩陣，再根據(jù)系統(tǒng)矩陣和輸岀光的測(cè)量值就可以計(jì)算待測(cè)光的4 個(gè)Stokes 矢量。這種方法無需起偏器和延遲器，即可測(cè)定光束的全部Stokes 矢量，沒有可動(dòng)部分，機(jī)械穩(wěn)定性好，其測(cè)量速度由探測(cè)器的響應(yīng)速度決定[3]。

圖2 偏振純化裝置工作原理圖

5 光路檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

圖3 為光路檢測(cè)方案原理示意圖。首先，根據(jù)穆勒矩陣定位，將檢測(cè)實(shí)驗(yàn)器材放入實(shí)驗(yàn)桌；其次，用ArF 激光器作為光源，發(fā)射激光光束，垂直入射擴(kuò)束裝置得到擴(kuò)束光，經(jīng)過偏振元器件，進(jìn)入分光棱鏡；再次，分光棱鏡將特殊模式的偏振光束進(jìn)行分散，分光棱鏡1 為一級(jí)分光，分光棱鏡2、分光棱鏡3 為二級(jí)分光；最后，在二級(jí)分光棱鏡后設(shè)置兩臺(tái)光束靈敏探測(cè)裝置，檢測(cè)光照強(qiáng)度，根據(jù)亮度判斷產(chǎn)生的偏振模式是否符合實(shí)際需求[4-5]。

圖3 光路檢測(cè)方案原理示意圖

綜上所述，本文詳細(xì)介紹了偏振光在新型偏振照明系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過程，利用振幅分割法設(shè)計(jì)了光路檢測(cè)方案。光束經(jīng)過檢測(cè)裝置，可以檢驗(yàn)光照強(qiáng)度，能觀察到偏振元器件產(chǎn)生的偏振模式，實(shí)現(xiàn)了照明效果的多樣化。光路檢測(cè)方案使新型偏振照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加完善，設(shè)計(jì)理念也更加有說服力，為偏振照明模式的實(shí)現(xiàn)起到了十分重要的作用。