基于偏振光的新型照明系統設計

劉金秋 ，鄭運強 ，智春艷 ，趙朝軍 ，邱文旭 ，張 杰

（1.西安工業大學北方信息工程學院通識教育學院，陜西 西安 710032；2.中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119）

近年來有許多學者研究照明偏振問題，實現了簡單的偏振照明模式，并提出了檢測方案。從照明系統的綜合布局不難發現，光偏振性占據重要位置，從偏振態到純化裝置，再到偏振裝置和檢測光路，環環相扣，發揮著不可替代的作用。

筆者根據偏振原理，設計了一套完整的新型偏振照明系統，通過分析光束成像性質，選擇不同照明模式，并配合離軸照明裝置，實現了光束偏振。

1 偏振照明系統的實現

圖1 為新型偏振照明系統原理圖，分為4 個部分：光束傳輸控制系統、能量探測及控制系統、偏振控制系統、均勻照明系統。用激光光源發射光束，經擴散裝置將光束擴散，達到穩定后，由起偏器傳入偏振控制系統，改變偏振態及偏振模式，傳輸到均勻照明系統，實現光束偏振。偏振控制系統由起偏器、偏振轉換裝置、組合棱鏡、偏振調整裝置等組成，其中起偏器用于使照明光束發生偏振，改變原始光束傳輸方向；偏振轉換裝置用于實現偏振態轉換，得到適合的偏振模式；組合棱鏡用于傳輸偏振光束，防止光束發生逆轉；偏振調整裝置用于為偏振把關，調整偏振光束的位置，將光束傳入均勻照明系統，實現照明系統偏振模式。

由圖1 可以看出新型偏振照明系統的設計理念，詳細展示了偏振光在照明系統中的實現過程，解決了由光束照明不均、受光位置不適宜等問題，優化了傳統的照明模式，提高了人們的生活質量。

圖1 新型偏振照明系統原理圖

2 偏振光產生方法分析與起偏器設計

偏振光產生方法有很多，每種方法各有優缺點：一是利用雙折射產生偏振光，存在造價高、面積小的缺點；二是利用晶體二向色性產生偏振光，存在吸附性太強、不易聚光或者發散的缺點；三是利用光柵光闌產生偏振光，存在操作工藝復雜的問題，而且會發生衍射現象，影響光線偏振效果[1]。

筆者改進現有方法，增加偏振調制裝置，設計偏振純化方案，充分利用偏振光產生的能量，以達到提高偏振照明效率和照明成像質量的目的。

在研究布儒斯特角出現過程的基礎上，筆者設計的起偏器由多個平行薄玻璃組成，光線入射時會產生偏向角。將反射光束通過起偏器，透過第二種介質產生偏振光。該起偏器的制作過程簡單、材料來源廣泛且可視性強。

3 偏振純化裝置的工作原理分析與設計

為了產生偏振度較高的偏振光，筆者設計了偏振純化裝置，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，使利用率達到最大值。由于1/4 波片數越多，偏振度越高，偏振性能越好，因此偏振純化裝置的實現實際上是波片數目的變化。偏振純化裝置可以使偏振照明系統更穩定、更完善[2]。

4 偏振度檢測方案設計

新型偏振照明系統偏振度的檢測采用振幅分割法。振幅分割法是將待測光分為4 束，并同時完成對某一瞬時各斯托克斯 （Stokes）矢量的測量。采用合適的分光器件，并搭建分光光路，用4 個探測器同時測量4 個線性無關的光波功率值或光強值。這樣就可以得到非奇異的系統矩陣，并存在逆矩陣，可通過四點定標法得到系統矩陣，再根據系統矩陣和輸岀光的測量值就可以計算待測光的4 個Stokes 矢量。這種方法無需起偏器和延遲器，即可測定光束的全部Stokes 矢量，沒有可動部分，機械穩定性好，其測量速度由探測器的響應速度決定[3]。

圖2 偏振純化裝置工作原理圖

5 光路檢測方案設計

圖3 為光路檢測方案原理示意圖。首先，根據穆勒矩陣定位，將檢測實驗器材放入實驗桌；其次，用ArF 激光器作為光源，發射激光光束，垂直入射擴束裝置得到擴束光，經過偏振元器件，進入分光棱鏡；再次，分光棱鏡將特殊模式的偏振光束進行分散，分光棱鏡1 為一級分光，分光棱鏡2、分光棱鏡3 為二級分光；最后，在二級分光棱鏡后設置兩臺光束靈敏探測裝置，檢測光照強度，根據亮度判斷產生的偏振模式是否符合實際需求[4-5]。

圖3 光路檢測方案原理示意圖

綜上所述，本文詳細介紹了偏振光在新型偏振照明系統中的實現過程，利用振幅分割法設計了光路檢測方案。光束經過檢測裝置，可以檢驗光照強度，能觀察到偏振元器件產生的偏振模式，實現了照明效果的多樣化。光路檢測方案使新型偏振照明系統設計更加完善，設計理念也更加有說服力，為偏振照明模式的實現起到了十分重要的作用。