光学系统的偏振像差分析

　　1　引　言

　　在一般的光学系统设计中,都是假设光线服从几何光学的规律,认为系统会均匀地传播所有的偏振态。但只有在光的两个正交偏振分量的振幅变化和波前差足够小,以致可以忽略时,这种假设才成立。对于某些光学系统来说,包括椭圆仪、椭偏仪、干涉计、高精度辐射计、偏振显微镜、遥感平台、光学计算机、日光磁力记录计、条形码读卡机、具有大角度入射的光学系统以及在宽光谱范围内工作的光学系统等,上述的假设并不成立,此时偏振已成为影响光学系统性能的一个重要因素。

　　2　偏振像差的理论

　　关于偏振像差的研究从20世纪50年代就开始了。最初的分析只是简单的讨论了仪器偏振对某些具体的光学系统的影响,并没有进行系统的分析[1~6];20世纪80年代后,偏振像差的理论开始得到了系统的分析,采用了偏振光线追迹的方法,并涉及到了薄膜设计对偏振像差的影响[7~9];从20世纪90年代开始至今,都致力于对偏振像差的进一步研究。国际光学工程学会(SPIE)专门成立了偏振技术研究组。因此光学系统偏振现象的研究得到了全面的进展。

　　在光学界面上非正入射的光是引起偏振像差的主要原因。由于所有的光学界面都会使非正入射光波的偏振态发生变化,所以从某种程度上来说,所有的光学系统都会改变光波的偏振态。偏振像差就是光线通过光学系统时光的偏振态发生变化,它是在光学界面上以及光在媒质中传播时产生的。偏振像差是几何光学中波像差的扩展,并且在所有的光学系统中都存在[7~9]。

　　光学系统的偏振称为仪器的偏振。如果一个光学系统是对偏振有严格要求的光学系统,则仪器偏振就是非常有害的残余偏振像差。残余偏振像差与波像差一样,都会降低光学系统的成像质量。仪器偏振主要来自于偏振控制元件,例如偏振器和延迟器以及来自于透镜、反射镜、薄膜、衍射光学元件、全息图的残余偏振。偏振器是一种传递固定偏振态的光学元件,这种传递不依赖于入射偏振态,例如二色性偏振器(人造偏光板)或Glan-Thompson偏振棱镜。偏振元件是一些可以改变任何入射光偏振态的光学元件,例如偏振器、延迟器、全息图、衍射光栅和镀有薄膜的界面。偏振元件几乎包括了所有的光学元件,包括理想的偏振器和延迟器。因此,偏振器只是偏振元件中的一种。二次衰减是指由光学元件导致光的两正交偏振态的振幅发生变化,它是一种强度传递的特性,这种传递不依赖于入射偏振态,例如电介质界面和偏振器都有这种特性。延迟指的是两个正交偏振态的相位发生变化,它改变光路的长度或相位特性,不依赖于入射偏振态,例如金属表面的反射或延迟器。偏振指的是偏振态发生的变化。