光学系统偏振像差的实验分析

    目前，在进行光学系统设计时，通常都默认光瞳波面上的光振幅是一致的（或是高斯分布）且偏振状态恒定，即都假设光线服从几何光学规律。 这种假设只有在光的两正交偏振分量的振幅变化和波前差足够小，以至可以忽略时才是有效的，对于绝大多数光学系统来讲，这都是很好的近似^[1]。 对于高数值孔径 、大入射角、宽光谱的空间光学系统以及包含掠入射元件的光学系统，上述假设并不成立，此时，偏振已成为影响其光学系统性能的一个重要因素^[2]。 国外对空间光学系统中的偏振效应的研究已经起步，但国内在这方面几乎是空白。

    许多光学系统被默认均匀地传送各种偏振态。 但是， 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。这种系统偏振称作仪器偏振。仪器偏振主要来自于偏振控制元件， 如偏振器和延迟器等，也来自于透镜、反射镜、薄膜、衍射光学元件和全息图等残余偏振。 这里的残余偏振定义为那些本不应该产生偏振效应的光学器件所产生的偏振。 由于残余偏振的出现将会使两正交偏振分量之间相互耦合，因此，残余偏振是光学系统中不希望出现的偏振效应，同波前像差一样，会降低光学系统的成像能力^[3]。

    仪器偏振在入射光以大角度入射时会对光学系统产生影响，例如那些含有全息图、折叠镜、衍射光栅的光学系统。 许多薄膜，特别是多层膜会在特定的波段引入仪器偏振引起偏振像差， 从而降低成像分辨率，为此，设计高分辨光学系统，特别是在环境偏振的空间光学中，考虑偏振像差就显得不可忽略。 文中在激光数字波面干涉仪上做了实验，验证偏振像差的存在。 首先通过 CodeV 软件和 Zemax 软件对激光数字波面干涉仪系统进行模拟，分别得出普通光线追迹和偏振光线追迹情况下的 PV 值， 然后用在光源后加偏振片的方法得出两组 PV 值，验证理论上的模拟结果。

    1 偏振像差理论

    光学系统的偏振像差可以用偏振像差函数来描述：

    偏振像差函数有两种计算方式：偏振光线追迹和偏振像差函数的二次扩展式^[4-5]。 偏振像差函数的计算需要将光学界面上的薄膜计算和光线在介质传播中的几何光学计算结合起来。 下面具体讨论偏振像差函数的两种计算方式。

    1.1 偏振像差函数的二次扩展式

    将偏振像差函数进行二次扩展，得到如下结果：

    在这一偏振像差的二次扩展式中，c 矢量系数为^[4]：