专利名称：一种光束方位和偏振角度共光路检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及光束方位、偏振角度检测技术，具体涉及一种采用光电位置传感器检 测光束方位和偏振角度的共光路检测装置及检测方法，它应用在量子通信、激光通信、目标 跟踪或角度动态测量中。
背景技术：
在国外，1945年，A. Rothen首次设计出一种椭圆偏振测量仪用于测定薄膜表面光 学性质。自此，基于偏振光测量技术的各种测量仪器开始陆续出现并趋于成熟，形成了椭 圆偏振测量术这一分支。起偏器-被测系统-补偿器-检偏器(PSCA)结构成为椭偏仪设 计中常见的结构。1969年，Cahan, Spanier等研究了旋转检偏器椭偏仪(RAE)，这种椭偏 仪让检偏器A以恒定角速度绕光轴旋转，将输出信号作傅里叶变换测量出偏振旋转角，不 足的是这种结构不能测量偏振光的旋光性；同年，Jasperson等人研究了偏振调制型椭偏 仪(PME)，在光路上对光束偏振态进行调制，利用探测器光电流谐波分量分析待测光学系统 信息[1]。1973年，J. Monin和G. A. Boutry提出了利用法拉第盒旋光器取代补偿器的PSRA 型椭偏仪，也称为MBE椭偏仪，引入了交流电信号对偏振光进行调制；同年，Hazebroek和 Holscher提出了干涉型椭偏仪，简称IE椭偏仪，可以避免窗口双折射引起的误差[2]。1977 年，Azzam和Bashara合作出版了第一部椭偏光测量术著作，开辟了椭偏测量学分支[3]。 1993年、1997年、2003年国际上分别召开了三次国际椭偏会议，对偏振光测量技术进行了 理论探讨和技术规范。到目前为止，各种类型的椭偏仪渐趋成熟，主要应用在薄膜厚度测 量、材料组成分析、溶液浓度检测等领域，在自由空间光通信中实现偏振角测量的椭偏仪目 前还未见报道M。在国内，1975年，中山大学莫党等人研制出了我国第一台单波长消光式椭偏仪 TP-75。1987年，西安交大研制成功了单波长自动椭偏仪，检偏器角度的分辨率为6度。1988 年，上海技物所的张克奇，严义埙对旋转椭偏仪的精度进行了分析M。1995年，复旦大学研 制了 RPA自动椭偏仪，采用同步旋转起偏器和检偏器进行偏振测量，用于薄膜厚度分析[6]。 1997年，华南师范大学研制出了 HST-I型消光式智能椭偏仪，具有ISA接口，起偏器和检偏 器角度分辨率达到0. 05度，但处理一次需要几分钟时间[7]。2000年，中科院力学所勒刚等 人研制出我国第一台椭偏光成像仪，可进行纳米精度测量。上述椭偏仪的应用，主要集中在 物理教学、薄膜厚度测量、溶液浓度分析和化学组分检测中，探测器多采用硅光电池、光电 倍增管和雪崩二极管，检测时间多在秒级以上，很难直接应用在自由空间光通信中，进行偏 振角度的动态检测，更不能实现信标光光束位置的同步测量。2001年，西安光机所的申小 军、马彩文研究了一种无机械连接的方位测量同步系统，实现了单一角度传递M。2006年， 北京邮电大学的范玲、宋菲君等开始研究调制偏振光空间正交方位信息的传递，考虑用偏 振光实现空间角度的测量M。2008年，中科院西安光机所的吴易明、高立民、陈良益等对调 制偏振光在方位信息传递中的应用进行了探讨，所设计装置初步实现了小范围信标光光束 方位值的传递检测，但偏振角度的测量还未见诸报道[1°’11]。
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通过上述分析可以发现，到目前为止，各种椭偏仪产品主要还是应用在物理实验 教学、实验室中的材料组成分析、薄膜厚度测量和光学参数检测中，还没有可以直接应用在 自由空间光通信并同时可以进行光束方位和偏振角度同步检测的椭偏仪出现[12’13]。因此， 本发明基于光电位置传感器的光束方位-偏振角度共光路检测方法及装置，能满足在自由 空间光通信时同时进行偏振角度和光束位置同步检测的需要，弥补传统椭偏仪应用设计领 域中的空白。以上所涉及的参考文献如下1.RMA阿查姆，N M巴夏拉，“椭圆偏振测量术和偏振光” [M].北京科学出版社， 19852. J. Monin and G. A. Boutry, Nouv, Rev. Optique，4，159 (1973)3.Treichel Rainer, Sesselmann Rainer, Krieger Joachim,"Optical sensor for measurement of roll+pitch+yaw angles over large distances with high accuracy" [J]. Proceedings of SPIE,1999，Vol.3824，199-2074.任成，谈宜东，张书练，“正交偏振激光角度测量技术综述” [J].光学技术，2010， 36(2) :193-1995.张克奇，严义埙，“提高旋转检偏器式椭偏仪准确度的方法” [J].光学学报， 1988,8(3) :228-2346.冯星伟，“可变入射角波长扫描RPA型椭偏仪的研制” [J].光学学报，1995(4) 220-2237.张恒，“基于光度法及混合法的自动椭偏仪研究”，华南师范大学硕士研究生论 文，20058.申小军，马彩文，董晓娜，“一种无机械连接的方位测量同步系统” [J].光子学 报，2001,30(11) :1389-13919.范玲，宋菲君，“基于调制偏振光的空间正交方位信息传递系统”[J].光学技术， 2006，32(Zl) :166-16810.吴易明，高立民，陈良益，“基于偏振光的精密角度测量及传递技术” [J].红外 与激光工程，2008，37 (3) =525-52911.范淑华，徐丽珊，刘琳霞，“平面偏振光微小偏转角的精密测量” [J].华中科技 大学学报(自然科学版)，2007,35( =122-12412.陶卫，浦昭邦，孙运斌，“角度测量技术的发展” [J].激光杂志，2002，23 O) 5-713.陈立刚，洪津，乔延利等，“新型偏振特性因子及其传递关系的研究” [J].光电 工程，2007，34 (9) 66-69

发明内容
本发明是为保证自由空间星-地量子光通信中光学发射系统和光学接收系统处 于严格的对准和跟瞄状态而设计的一种光学检测装置，能够同时对光学发射系统的方位 角、俯仰角和偏振角进行同步在线测量，实现三种姿态角度同时在线检测的目的。在自由空间星-地量子光通信中，偏振基矢测量、保持问题一直难以解决，若采用在运动环节增加姿态传感器被动测量各轴姿态信息的变化，则各轴姿态数据在累计求和并 做修正时将产生累积误差。星载设备工作年限一般是以年计，这种误差积累会使这种修正 过程不适合仪器的长期工作需要。因此，设计一种开环的偏振基矢测量装置测量信标光偏 振基矢的变化，成为自由空间星-地量子光通信中的关键。另外，在自由空间星-地量子光 通信中，信标光基准的获取是光电跟踪系统(ATP)设计中的重点。在已经实用化的光电跟 踪系统中，信标光基准的获取主要采用CCD或CMOS相机、四象限传感器(QD)、电视制导技 术、红外摄像技术或上述几种技术的组合。其中，以CXD相机或CMOS相机的应用最为普遍。 由于一款高精度、高帧频的CCD相机制造费用高昂、开发周期长，并且购买途径受限，而一 般的CCD相机又很难满足快速跟踪的需要。因此，如何解决这个矛盾也成为光电跟踪系统 设计中需要解决的问题。在考虑上述两种需求的同时，寻找一种能够同时满足信标光束偏振基矢测量和方 位角度检测的装置和方法，成为实现星-地量子光通信中系统小型化、模块化设计中的迫 切需要。针对星-地量子光通信中偏振基矢保持和信标光光束位置检测的需要，本发明利 用偏振光调制技术和PSD光电转换技术设计一套开环的偏振光基矢测量系统，利用光电转 换效应测出信标光偏振基矢的变化，控制光学接收单元旋转，实现在量子光通信时两端光 路在偏振基矢方向上保持一致，完成空间偏振基矢方位的同步传递功能；利用PSD传感器 的光电位置检测功能和高速实时响应特性，设计基于PSD的信标光跟随系统，实现信标光 光束位置检测功能。本发明为实现上述功能采取的技术方案是利用PSD传感器的光电转换和位置探 测特性，设计双光路平行正交偏振光测量系统，实现信标光光束偏振基矢和两维姿态数据 同时传递的目的。其中，偏振基矢的测量利用马吕斯原理实现，信标光光束位置测量利用 PSD传感器的横向光电效应实现。基于光电位置传感器横向光电效应的偏振基矢测量原理，参考说明书附

图1进行 说明。在图1中，由激光器2产生一束高强度的部分线偏振光，经侧向位移偏振分光棱镜4 起偏后输出两束光强分别为Itl和Hltl的正交平行偏振光，其中η为光源中正交偏振光强 度的比值。两个光学系统在进行光通信对准前，接收光学系统的检偏器5处于原始位置，与 侧向位移偏振分光棱镜4出射的信标光主偏振基矢相差为0°。则当信标光束接收系统15 开始运动(如跟随卫星、气车、热气球等运动载体变化)时，检偏器5与信标光主偏振基矢 方向将产生角度为θ的动态偏差。此时不考虑系统光学透镜和几何损耗，进入PSD传感器 8的总光强应该满足
权利要求
1.一种光束方位和偏振角度共光路检测装置，它包括信标光电源(1)、激光器O)、准 直透镜(3)、侧向位移偏振分光棱镜G)、检偏器(5)、带编码器的旋转电机(6)、透镜(7)、 PSD传感器(8)、PSD处理电路(9)、方位角显示器(10)、俯仰角显示器(11)、偏振基矢角显 示器(12)、接收系统电源(13)、两维跟踪转台(16)、转台控制器(17)和上位机(18)，其特 征在于所述的装置中采用了 PSD传感器(8)来检测光束方位和偏振角度；激光器( 发出 的部分线偏振光经准直透镜C3)整形后输出到侧向位移偏振分光棱镜中，侧向位移偏 振分光棱镜(4)将光束分解成光束A和光束B两束正交平行偏振光，两束正交偏振光束经 长距离传输后在空间交叠，携带了光学发射系统的方位、偏振信息，通过检偏器(5)进行调 制检偏，调制检偏后的信标光经透镜(7)会聚到PSD传感器( 上，PSD传感器(8)根据入 射光强分别利用其横向光电效应检测信标光点的实际位置，利用光电转换效应测量其信标 光点产生的总的光生电流，光生电流经PSD处理电路(9)处理后输出三维角度信息，测量数 据处理后送方位角显示器(10)、俯仰角显示器(11)和偏振基矢角显示器(1 显示，并通过 串口总线方式送转台控制器(17)完成两维跟踪转台(16)的跟踪调节功能，另外将数据送 上位机(18)做后续记录处理。
2.一种基于权利要求1所述装置的光束方位和偏振角度共光路检测方法，其特征在于光束的偏振基矢角θ ^通过PSD传感器(8)按以下方法获得 L· =^cosie0(1)其中屯是常数项系数，Ista为标准输出电流值，该电流信号经电流-电压变化后送ADC 模块采样，通过反三角函数变换或利用查表法即可输出与偏振基矢角θ ^相关的测量角度 数值；光束的方位角按以下方法获得作为信标光光束的光束A和光束B通过透镜(7)成像到位于焦平面上的PSD传感器 (8)上，PSD传感器(8)测量出成像光点所在的实际位置X，将其与透镜(7)的焦距f做三 角运算即可得到信标光光束与接收系统光轴的实际姿态偏差角度，就是目标光学系统的方 位角和俯仰角ρ 方位=arctan,<炉俯仰=arc tan $f (2)其中，χ、y为PSD传感器检测出的信标光光点距离传感器中心的位移。
全文摘要
本发明公开了一种基于光电位置传感器的光束方位-偏振角度共光路检测装置及方法，利用侧向偏移偏振分光棱镜对入射光束进行整形，输出光强成比例的正交平行偏振光，实现非接触的空间位置姿态传递功能；接收系统利用自带编码器的旋转电机带动检偏器以恒定角速度旋转检测信标光偏振，利用PSD横向光电效应测量信标光光点成像位置，根据成像原理反推信标光束方位坐标；利用入射光强在PSD表面会聚产生的光电流检测入射光强度，与旋转电机瞬时反馈的角度比较，经相敏检波处理后获得信标光束同步偏振角信息，完成信标光跟踪与基矢角调节在同一光路、同一器件上、同时检测的功能，本发明有益效果是结构简单、器件精简，适合多维角度测量需要。
文档编号G01B11/26GK102109330SQ20101056430
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者刘瑾, 吴金才, 张亮, 强佳, 杨海马, 王建宇, 胡以华, 贾建军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所