基于偏振光的新型照明系统设计

刘金秋 ，郑运强 ，智春艳 ，赵朝军 ，邱文旭 ，张 杰

（1.西安工业大学北方信息工程学院通识教育学院，陕西 西安 710032；2.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119）

近年来有许多学者研究照明偏振问题，实现了简单的偏振照明模式，并提出了检测方案。从照明系统的综合布局不难发现，光偏振性占据重要位置，从偏振态到纯化装置，再到偏振装置和检测光路，环环相扣，发挥着不可替代的作用。

笔者根据偏振原理，设计了一套完整的新型偏振照明系统，通过分析光束成像性质，选择不同照明模式，并配合离轴照明装置，实现了光束偏振。

1 偏振照明系统的实现

图1 为新型偏振照明系统原理图，分为4 个部分：光束传输控制系统、能量探测及控制系统、偏振控制系统、均匀照明系统。用激光光源发射光束，经扩散装置将光束扩散，达到稳定后，由起偏器传入偏振控制系统，改变偏振态及偏振模式，传输到均匀照明系统，实现光束偏振。偏振控制系统由起偏器、偏振转换装置、组合棱镜、偏振调整装置等组成，其中起偏器用于使照明光束发生偏振，改变原始光束传输方向；偏振转换装置用于实现偏振态转换，得到适合的偏振模式；组合棱镜用于传输偏振光束，防止光束发生逆转；偏振调整装置用于为偏振把关，调整偏振光束的位置，将光束传入均匀照明系统，实现照明系统偏振模式。

由图1 可以看出新型偏振照明系统的设计理念，详细展示了偏振光在照明系统中的实现过程，解决了由光束照明不均、受光位置不适宜等问题，优化了传统的照明模式，提高了人们的生活质量。

图1 新型偏振照明系统原理图

2 偏振光产生方法分析与起偏器设计

偏振光产生方法有很多，每种方法各有优缺点：一是利用双折射产生偏振光，存在造价高、面积小的缺点；二是利用晶体二向色性产生偏振光，存在吸附性太强、不易聚光或者发散的缺点；三是利用光栅光阑产生偏振光，存在操作工艺复杂的问题，而且会发生衍射现象，影响光线偏振效果[1]。

笔者改进现有方法，增加偏振调制装置，设计偏振纯化方案，充分利用偏振光产生的能量，以达到提高偏振照明效率和照明成像质量的目的。

在研究布儒斯特角出现过程的基础上，笔者设计的起偏器由多个平行薄玻璃组成，光线入射时会产生偏向角。将反射光束通过起偏器，透过第二种介质产生偏振光。该起偏器的制作过程简单、材料来源广泛且可视性强。

3 偏振纯化装置的工作原理分析与设计

为了产生偏振度较高的偏振光，笔者设计了偏振纯化装置，由两大组成部分：反射镜、1/4 波片。图2 为纯化装置工作原理图，其中1/4 波片和反射镜结合，利用重吸收作用，将反射光的能量完全吸收和利用，使利用率达到最大值。由于1/4 波片数越多，偏振度越高，偏振性能越好，因此偏振纯化装置的实现实际上是波片数目的变化。偏振纯化装置可以使偏振照明系统更稳定、更完善[2]。

4 偏振度检测方案设计

新型偏振照明系统偏振度的检测采用振幅分割法。振幅分割法是将待测光分为4 束，并同时完成对某一瞬时各斯托克斯 （Stokes）矢量的测量。采用合适的分光器件，并搭建分光光路，用4 个探测器同时测量4 个线性无关的光波功率值或光强值。这样就可以得到非奇异的系统矩阵，并存在逆矩阵，可通过四点定标法得到系统矩阵，再根据系统矩阵和输岀光的测量值就可以计算待测光的4 个Stokes 矢量。这种方法无需起偏器和延迟器，即可测定光束的全部Stokes 矢量，没有可动部分，机械稳定性好，其测量速度由探测器的响应速度决定[3]。

图2 偏振纯化装置工作原理图

5 光路检测方案设计

图3 为光路检测方案原理示意图。首先，根据穆勒矩阵定位，将检测实验器材放入实验桌；其次，用ArF 激光器作为光源，发射激光光束，垂直入射扩束装置得到扩束光，经过偏振元器件，进入分光棱镜；再次，分光棱镜将特殊模式的偏振光束进行分散，分光棱镜1 为一级分光，分光棱镜2、分光棱镜3 为二级分光；最后，在二级分光棱镜后设置两台光束灵敏探测装置，检测光照强度，根据亮度判断产生的偏振模式是否符合实际需求[4-5]。

图3 光路检测方案原理示意图

综上所述，本文详细介绍了偏振光在新型偏振照明系统中的实现过程，利用振幅分割法设计了光路检测方案。光束经过检测装置，可以检验光照强度，能观察到偏振元器件产生的偏振模式，实现了照明效果的多样化。光路检测方案使新型偏振照明系统设计更加完善，设计理念也更加有说服力，为偏振照明模式的实现起到了十分重要的作用。