光照度计偏振特性的实验研究

孙鼎文

1　前言

　　国际照明委员会(CIE)的69号文件“Methods of Characterizing Illuminance Meters and Luminance Meters”和国际法制计量组织(OIML)文件“International Recommendation——Illuminance Meters”(First predraft),都对照度计的偏振特性提出了要求,并规定:照度计要用非偏振光校准。为此,作者对光源偏振度的测量、消除偏振的方法以及照度计探测器的偏振特性进行了试验研究。

2　原理

　　如所周知,光波是电磁波的一种, 电磁波是纯粹的横波(振动方向与波的传播方向垂直),所以光波也是横波,具有偏振性。由于电矢量与磁矢量具有单一的对应关系,并且是同步的,而且实验证明对人眼和光探测器起作用的是电矢量,因此可用电矢量的波动代表光的波动,对其偏振性进行研究。
　　由自然光(电矢量的振动在各个方向上对时间的平均值是相等的光)产生偏振光(电矢量的振动只限于某一确定方向的光称为线偏振光; 在某一确定方向上有最强的光称为部分偏振光)的方法很多,作者用光在折射率不同的两个介质分界面的反射与折射产生偏振光的方法,对光源及照度计探测器的偏振特性进行了实验研究。
　　用偏振度p和偏振误差ε来评价光源及照度计的偏振特性。p及ε的定义式如下:

　　（1）

　　式中，F_∥和F_⊥分别为平行于和垂直于入射面振动的光信号。p=0时为自然光，p =1时为线偏振光（即完全偏振的光 ）,0<p<1时为部分偏振光。

　　（2）

　　式中：E_max和E_min分别为当探测器对着线偏振光测量时的最大输出和最小输出。ε越小，说明照度计受偏振光的影响越小。

3　测量方法

　图1　光源偏振度的测量

　　A——光源;F₁、F₂、 F₃——挡屏;B——起偏器;C——接收器;D——显示器
　　整个试验在暗室的光轨上进行。严格屏蔽杂散光和仔细调整光路是必需的先决条件。

　　3．1 光源消偏振的方法
　　3.1.1 光源偏振度的测量
　　一般地说,光源发出的光是部分偏振光,为测得光源的偏振度p,光路按图1设置。
　　光源A由支架支撑,装在光轨的一端,并使灯丝平面与光轴垂直;起偏器B和接收器C通过可绕垂直轴旋转的平台装在光轨上。以上3个支撑均可进行上、下、左、右、前、后的调节。为得到更好的起偏效果, 起偏器B由3片性能良好的偏振片组合而成,并装在有360°刻度的起偏器座里,以便当B绕光轴旋转时可读出旋转角度。 接收器C是无窗硅光电二极管(对偏振光不敏感)。光电流用三位半光电流计显示。
　　光源A发出的光经挡屏F₁、F₂、F₃严格屏蔽杂散光,透过起偏器B后,由C接收、D显示。为了得到满意的结果,必须仔细调节光路:使光源A的灯丝平面的中心与起偏器B和硅光电二极管C的中心等高,B和C的受光面与光轴垂直, 受光面的中心在支撑平台的中心垂直轴上。
　　由起偏器的性质决定,在入射到其上的光中,垂直于入射面振动的电矢量几乎全部被反射,而平行于入射面振动的电矢量则几乎全部透射。因此,当起偏器B绕光轴旋转时,透过它的光强度会发生变化,显示值也随之变化。 当B绕光轴转90°时,原来垂直于入射面振动的电矢量变成平行于入射面振动的电矢量,从全部反射变为全部透射;而原来平行于入射面振动的电矢量变成垂直于入射面振动的电矢量, 从全部透射变为全部反射。因此,通过旋转B可以得到最大显示值F_∥和最小显示值F_⊥,从而可以计算出光源的偏振度。作者测了1000瓦溴钨灯和BDQ₃,BDQ₈光强标准灯的偏振度p值,测量结果见表1。

表1　1000瓦溴钨灯和BDQ₃、BDQ₈光强标准灯的偏振度的测量结果

　　注: 溴钨灯为3次测量的平均值, BDQ为2次测量的平均值。
　　3.1.2 光源偏振度的消除
　　用图2的光路设置消除光源的偏振度。图2与图1相比除多了检偏器E外,还多了一块K₈玻璃,它的作用是抵消光源发射光的偏振性。K₈玻璃装在带刻度的可调平台上,使玻璃的中心处于平台的中心垂直轴上,当平台绕该轴转动时,K₈玻璃可随之转动,并可从刻读盘上读出转角θ值来。 K₈玻璃还可以前后倾仰, 倾仰角φ可从另一刻读盘上读出。

图2　消除光源的偏振的光路简图

　　试验时,仔细旋转K₈玻璃,总会找到某一角度θ与φ,使得此时光源的偏振度p为最小(p越小,偏振消除得越好,但p=0是非常困难的,也几乎是不可能的),即可认为透过K₈玻璃的光为自然光,固定K₈玻璃的位置。为了验证这一点,在起偏器B与接收器C之间加进检偏器E(由两片偏振片组成),E由调节平台支撑在光轨上,中心在平台的中心轴线上,并与起偏器B的中心等高,其受光面与光轴垂直。然后使其绕水平轴旋转,读出最大输出F_∥与最小输出F_⊥,按式(1)计算p值,其值越大越好(但p=1是不可能的)。
　　1000瓦溴钨灯消偏振后的偏振度p的测量结果见表2。

表2　1000瓦溴钨灯消偏振后的偏振度p的测量结果

　　3.2照度计偏振误差的测量
　　光路设置见图3。在图2的光路中,将检偏器E移出光路,用光照度计的探测器C′代替C,显示器D′代替D,即为图3设置。从前面的试验已知,透过K₈玻璃的光为近似的自然光,通过起偏器B后几乎成为线偏振光,由探测器C′接收, D′显示。至此,已符合CIE文件中规定的测量照度计偏振误差的入射条件。

图3　照度计偏振误差测量简图

　　试验时,将载有探测器C′的小平台绕垂直轴旋转某一角度β时,绕光轴旋转起偏器B一周(转角为α),得到最大读数E_max和最小读数E_min,代入式(2)便可求出光照度计的偏振误差。共测了A、B两台照度计,结果见表3。

表3　A、B两台照度计的偏振误差ε(%)

4　说明及结语

　　(1) CIE及OIML的文件中只要求照度计要用非偏振光校准,而没有明确规定偏振度为多少时才算非偏振光,我们是将光源的偏振度消至p=0.0025时进行的试验(文献3中的p=0.002)。
　　(2) 照度计的偏振误差ε是按CIE文件中的要求在线偏振光下测得的(p=0.97),CIE文件中亦未规定p为多大时才算线偏振光。
　　(3) 实际光源多为部分偏振光,本试验中所测的3种光源p<0.10,远离线偏振光,对照度计的影响会更小。
　　(4) 在实验室中标定照度计时,光是垂直入射的(表3中,β=0°),再加上光源的偏振度在0.10以内,偏振光给照度计带来的误差是很小的。

作者单位：（中国计量科学研究院 北京 100013）

参考文献：

［1］　R.Hasse und J.Krochmann. ber den Einflu polarisierter Strahlung auf die Empfindlichkeit photoelektronischer Bauelemente［J］. ATM Blatt,1972,45(2):433.
［2］　龙槐生,张仲先,谈恒英.光的偏振与应用［M］.　北京:　机械工业出版社,　1989.
［3］　母国光,战元龄.光学［M］. 北京: 人民教育出版社, 1978.