CN100470217C

CN100470217C - 大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器

Info

Publication number: CN100470217C
Application number: CNB2005100431183A
Authority: CN
Inventors: 苏丽娟; 相里斌; 袁艳
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: CN1916575A

Abstract

一种大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，其使入射光入射到半透半反面上，分为反射光束和透射光束。反射光束被反射至与半透半反面平行的反射面上，再被反射至与该反射面垂直的反射面上，由透射面出射，形成一束出射光。透射光束透过半透半反面，到达与半透半反面垂直的反射面，由透射面出射，形成一束出射光。两束出射光无光程差且平行，为两束平行相干光。本发明解决了背景技术中结构紧凑但光能利用率及光谱分辨率低；或能量利用率高、结构紧凑、光谱分辨率高，但对加工技术要求过高的技术问题。本发明仅由两块玻璃组成，加工难度低，稳定性更好，光能利用率高，可产生高光谱分辨率，抗干扰能力强。

Description

大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器

技术领域

本发明涉及一种横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，主要用于横向剪切干涉仪，尤适用于高光谱分辨率的静态双光束干涉的无动镜干涉成像光谱仪。

背景技术

八十年代以来出现了许多基于静态双光束干涉仪的无动镜干涉成像光谱仪。典型的静态双光束干涉仪有：基于振幅分割的静态Michelson干涉仪，见“静态傅立叶变换光谱仪，应用光学”【M.L.Junttila，Stationary Fourier Transform Spectrometer，AppliedOptics 1992，21：4106～4112】；变形Mach-Zehnder干涉仪，见“静态傅立叶变换光谱仪的性能缺点”【M.L.Junttila，J.Kauppinen，E.Ikone，Performance Limits of StationaryFourier Spectrometers，J.O.S.A(A)，1991，9：1457～1462】；Sagnac干涉仪，见“固定的三角形傅立叶变换光谱仪，应用光学”【J.G.Hirschberg，etc.，Pentaferometer：A solidSagnac Interferometer，Applied Optics，1999，1：136～138】；基于波前分割的Fresnel双镜干涉仪，见“具有菲涅耳双棱镜和Mach-Zehnder干涉仪的光大范围边缘阵列，应用光学”【S.C.Leon，Broad Source Fringe Formation with a Fresnei Biprism and aMach-Zehnder Interferometer，Applied Optics，1987，24：5259～5265】。这些静态干涉仪产生的干涉图是空间分布的强度信号，因此无动镜干涉成像光谱仪有可能实现对时变或脉冲辐射的实时监测。没有运动部件和扫描机构，使得仪器的结构变得简单、紧凑，且稳定，同时也减小了体积和重量，降低了成本。

横向剪切分束器是横向剪切干涉仪的核心部件。Sagnac干涉仪的横向剪切分束器叫三角形循环光路横向剪切分束器，又称Sagnac分束器，其结构可以做成实体，所以结构紧凑、稳定。但是，在这种横向剪切分束器中，两束相干光要经过分束面两次，有一半光能会返回光源，光能的利用率较低。变形Mach-Zehnder干涉仪，其横向剪切分束器的原理是两束相干光都只经过分束面一次，无光能返回光源，提高了光能的利用率。但其横向剪切分束器不能做成实体，导致结构不紧凑，稳定性较差，不适于野外或干扰较大的环境使用。

上述几种无动镜干涉成像光谱仪的光谱分辨率均较低。为提高剪切量，以产生高的光谱分辨率，横向剪切分束器的体积就需做的很大。

美国喷气推进实验室JPL的研究人员提出了用大规格、宽带量子阱红外探测器阵列来接收经空间调制的干涉信号的技术方案，其面阵规格为488×640，干涉系统采用类似Sagnac干涉仪的结构，见“傅立叶变换光谱仪技术进展概况红外月刊2002(9)，38-41”。在其已实现的火星水气探测系统的原型设计中，横向剪切分束器使用了剪切分光棱镜，该仪器体积是同参数下的Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Wollaston棱镜型干涉仪的四十分之一，重约10kg，在剪切量为25mm的情况下，光谱分辨率可达1cm^-1，能量利用率也大幅度提高。但其横向剪切分束器是由3块玻璃拼装而成的，其组装、镀膜等加工技术的要求非常严格，加工难度也较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，其解决了背景技术中结构紧凑但光能利用率及光谱分辨率低；或能量利用率高，结构紧凑，光谱分辨率高，但对加工技术要求过高的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种大剪切量横向剪切分束方法，其特殊之处在于：该方法的实现步骤如下

1)入射光I_R入射到与水平光轴成45度角的半透半反面DG上；

2)半透半反面DG将入射光I_R分为反射光束I_F0和透射光束I_T0；

(1)反射光束I_F0

①反射光束I_F0被反射至位于反射光束I_F0光路上、与半透半反面DG平行的反射面AB上；

②被反射面AB反射出的反射光束I_F1，被反射至位于反射光束I_F1光路上、与反射面AB成90度角的反射面(BC)上；

③被反射面(BC)反射出的反射光束I_F2，由透射面DF出射，形成出射光I_FC；

(2)透射光束I_T0

①透射光束I_T0透过半透半反面DG，到达位于透射光束I_T0光路上、与反射面BC平行的反射面EF；

②被反射面EF反射出的反射光束I_T1，由透射面DF出射，形成出射光I_TC；

3)反射面AB的顶点B和反射面EF的顶点E等高，使反射光束I_F0、反射光束I_F1、反射光束I_F2的光程和透射光束I_T0、反射光束I_T1的光程和无光程差；反射光束I_F2与反射光束I_T1平行；

4)出射光I_FC和出射光I_TC为两束平行相干光。

一种实现上述大剪切量横向剪切分束方法的横向剪切分束器，由厚度相等的光学玻璃拼装构成，其特殊之处在于：所述的光学玻璃包括一块梯形玻璃1和一块三角形玻璃2；所述的梯形玻璃1为直角梯形，其斜腰ADA′D′与下底CDC′D′的夹角为45度；所述的三角形玻璃2为等腰直角三角形；

所述梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的一个腰DED′E′胶合为一体，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′与三角形玻璃2的底DFD′F′垂直；

所述梯形玻璃1的斜腰ADA′D′为入射面ADA′D′，其上设有入射光I_R的入射区域MNM′N′；所述梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的腰DED′E′粘合的部位是镀有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和镀有增透膜的增透面CGC′G′，所述半透半反面DGD′G′的位置与入射区域MNM′N′相应；所述梯形玻璃1的上底ABA′B′是镀有反射膜的反射面ABA′B′，其直角腰BCB′C′是镀有反射膜的反射面BCB′C′；所述三角形玻璃2的另一个腰EFE′F′是镀有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′为透射面DFD′F′。

上述梯形玻璃1的较合理尺寸比例是上底ABA′B′长与其直角腰BCB′C′长相等，下底CDC′D′长是上底ABA′B′长的两倍。

上述梯形玻璃1和三角形玻璃2玻璃的厚度与限定入射光I_R的狭缝的长度相应，即由入射光I_R的狭缝的长度确定。

上述梯形玻璃1和三角形玻璃2玻璃的厚度不小于限定入射光I_R的狭缝的长度。

上述入射光I_R的光轴OO′以位于所述入射区域MNM′N′的中心，并且垂直于所述入射面ADA′D′为宜。

上述半透半反面DGD′G′的大小可与入射光I_R的最大视场角相应，即由入射光I_R的最大视场角确定。

上述入射区域MNM′N′的中心高度应使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′。

上述入射区域MNM′N′的宽度可由限定入射光I_R的狭缝与入射面ADA′D′的间距及入射光I_R的视场角确定。

本发明具有以下优点：

1.采用本发明的方法，横向剪切分束器的结构可以做成实体，且结构更简单、紧凑，重量更轻，成本也相对较低。

2.在相同的剪切量要求下，其用于横向剪切干涉仪，体积是Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Wollaston棱镜型干涉仪的四十分之一。

3.两束相干光只经过分束面一次，无光能返回光源，光能利用率较Sagnac干涉仪的横向剪切分束器可提高一倍。

4.可以产生很大的横向剪切量，从而可产生高光谱分辨率。

5.本发明的横向剪切分束器由两块玻璃组装而成，对加工技术、加工设备的要求相对较低。

6.由两块玻璃组装的结构，加工难度较低，技术参数更易确保实现，从而具有更好的稳定性。

7.抗干扰能力强，适用于野外或干扰较大的环境。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明横向剪切分束器的结构示意图；

图3为采用本发明的横向剪切干涉仪的实施例示意图。

附图标号说明：1—梯形玻璃，2—三角形玻璃，3—横向剪切分束器，4—傅立叶变换透镜，5—柱面镜，6—CCD探测器，7—目标，8—前置辅助光学系统，9—前置透镜，10—狭缝，11—计算机处理系统。

具体实施方式

本发明可将入射光分为两束平行相干光。

参见图1，本发明的横向剪切分束方法实现步骤如下

1.入射光I_R入射到与水平光轴成45度角的半透半反面DG上。

2.半透半反面DG将入射光I_R分为反射光束I_F0和透射光束I_T0。

1)反射光束I_F0

(1)反射光束I_F0被反射至位于反射光束I_F0的光路上、与半透半反面DG平行的反射面AB上。即，反射膜面AB与水平光轴亦成45度角。

(2)被反射面AB反射出的反射光束I_F1，被反射至位于反射光束I_F1的光路上、与反射面AB成90度角的反射面BC上。即，反射膜面BC与半透半反膜面DG垂直。

(3)被反射面BC反射出的反射光束I_F2，由透射面DF出射，形成出射光I_FC。

2)透射光束I_T0

(1)透射光束I_T0透过半透半反面DG，到达位于透射光束I_T0的光路上、与反射面BC平行的反射面EF。即，反射膜面EF与半透半反膜面DG垂直。

(2)被反射面EF反射出的反射光束I_T1，由透射面DF出射，形成出射光I_TC。

3.反射光束I_F0、反射光束I_F1、反射光束I_F2的光程和与透射光束I_T0、反射光束I_T1的光程和无光程差；反射光束I_F2与反射光束I_T1平行。

4.出射光I_FC和出射光I_TC为两束平行相干光。

参见图2，实现本发明方法的横向剪切分束器，主要由两块厚度相等的光学玻璃拼装构成，即一块梯形玻璃1和一块三角形玻璃2。玻璃的厚度由横向剪切分束器入射光I_R的狭缝的长度确定。梯形玻璃1为直角梯形，较合理的结构是上底ABA′B′长与直角腰BCB′C′长相等，下底CDC′D′长是上底ABA′B′长的两倍。三角形玻璃2为等腰直角三角形。

梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的一个腰DED′E′粘合为一体，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′与三角形玻璃2的底DFD′F′垂直。

梯形玻璃1的斜腰ADA′D′为入射面ADA′D′，其上设有允许光入射的入射区域MNM′N′。入射区域MNM′N′的宽度由狭缝2与入射面ADA′D′的间距及入射光I_R的视场角决定，入射区域MNM＇N′的中心高度应使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′，且边缘视场角光线的透射光线不会直接到达透射面DFD′F′透射出去。

梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的腰DED′E′相粘合的部位上，是镀有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和镀有增透膜的增透面CGC′G′。半透半反面DGD′G′的位置与入射区域MNM＇N′相应，半透半反面DGD′G′的大小，由入射光I_R的最大视场角决定。梯形玻璃1的上底ABA′B′为镀有反射膜的反射面ABA′B′，直角腰BCB′C′为镀有反射膜的反射面BCB′C′。

三角形玻璃2的另一个腰EFE＇F′为镀有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′为透射面DFD′F′。

光轴OO′位于入射面ADA′D′的入射区域MNM′N′的中心，且垂直于入射面ADA′D′。

梯形玻璃1和三角形玻璃2的尺寸大小，应保证被半透半反面DGD′G′分出的反射光束I_F0和透射光束I_T0，在由透射面DFD′F′出射时不产生光程差。

参见图1、2，本发明的工作过程如下：

1.入射光I_R照射到入射面ADA′D′的允许入射区域MNM′N′上。

2.入射光I_R通过入射区域MNM′N′到达半透半反面DGD′G′，被分为反射光束I_F0和透射光束I_T0。

1)反射光束I_F0：被反射到反射面ABA′B′；又被反射到反射面BCB′C′，再被反射至增透面CGC′G′，通过增透面CGC′G′到达透射面DFD′F′，最后，通过透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光I_FC。

2)透射光束I_T0：透过半透半反面DGD′G′，到达反射面EFE′F′，被反射到透射面DFD′F′，通过透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光I_TC。

3.出射光I_FC和出射光I_TC即为两束平行的相干光。

参见图3，采用本发明的横向剪切干涉仪的工作原理如下：

1.来自目标7的平行光束通过前置透镜9，会聚到狭缝10处。如果目标7的光为非平行光，需经前置辅助光学系统8将其转化为平行光。狭缝10位于前置透镜9的焦点位置。

2.通过狭缝10的光束照射到横向剪切分束器3上。

3.横向剪切分束器3将入射光分为两束平行的相干光。

4.两束平行相干光经傅立叶变换透镜4傅氏变换，经柱面镜5会聚，被CCD探测器6接收，形成目标7的干涉光谱图，经计算机处理系统11变换还原成目标7的图像。

Claims

1.一种大剪切量横向剪切分束方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下

1)入射光I_R入射到与水平光轴成45度角的半透半反面DG上；

2)半透半反面DG将入射光I_R分为反射光束I_F0和透射光束I_T0；

(1)反射光束I_F0

②被反射面AB反射出的反射光束I_F1，被反射至位于反射光束I_F1光路上、与反射面AB成90度角的反射面BC上；

③被反射面BC反射出的反射光束I_F2，由透射面DF出射，形成出射光I_FC；

(2)透射光束I_T0

3)反射面AB的顶点B和反射面EF的顶点E等高，使反射光束I_F0、反射光束I_F1、反射光束I_F2的光程和透射光束I_T0、反射光束I_T1的光程和无光程差；反射光束I_F2与反射光束I_T1平行；”

4)出射光I_FC和出射光I_TC为两束平行相干光。

2.一种实现权利要求1所述大剪切量横向剪切分束方法的横向剪切分束器，由厚度相等的光学玻璃拼装构成，其特征在于：所述的光学玻璃包括一块梯形玻璃(1)和一块三角形玻璃(2)；所述的梯形玻璃(1)为直角梯形，其斜腰ADA′D′与下底CDC′D′的夹角为45度；所述的三角形玻璃(2)为等腰直角三角形；

所述梯形玻璃(1)的下底CDC′D′与三角形玻璃(2)的一个腰DED′E′胶合为一体，且梯形玻璃(1)的斜腰ADA′D′与三角形玻璃(2)的底DFD′F′垂直；

所述梯形玻璃(1)的斜腰ADA′D′为入射面ADA′D′，其上设有入射光I_R的入射区域MNM′N′；所述梯形玻璃(1)的下底CDC′D′与三角形玻璃(2)的腰DED′E′粘合的部位是镀有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和镀有增透膜的增透面CGC′G′，所述半透半反面DGD′G′的位置与入射区域MNM′N′相应；所述梯形玻璃(1)的上底ABA′B′是镀有反射膜的反射面ABA′B′，该梯形玻璃(1)的直角腰BCB′C′是镀有反射膜的反射面BCB′C′；所述三角形玻璃(2)的另一个腰EFE′F′是镀有反射膜的反射面EFE′F′，该三角形玻璃(2)的底DFD′F′为透射面DFD′F′。

3.根据权利要求2所述的横向剪切分束器，其特征在于：所述梯形玻璃(1)的上底ABA′B′长与其直角腰BCB′C′长相等，该梯形玻璃(1)下底CDC′D′长是上底ABA′B′长的两倍。

4.根据权利要求2或3所述的横向剪切分束器，其特征在于：“所述梯形玻璃(1)和三角形玻璃(2)玻璃的厚度不小于限定入射光I_R的狭缝的长度”。

5.根据权利要求4所述的横向剪切分束器，其特征在于：所述入射光I_R的光轴OO′位于所述入射区域MNM′N′的中心，且垂直于所述入射面ADA′D′。

6.根据权利要求5所述的横向剪切分束器，其特征在于：“所述的半透半反面DGD′G′的大小，与入射光I_R的的最大视场角边缘光线到达该面的大小相等”。

7.根据权利要求6所述的横向剪切分束器，其特征在于：所述的入射区域MNM′N′的中心位于使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′位置。

8.根据权利要求7所述的横向剪切分束器，其特征在于：所述的入射区域MNM′N′的宽度由限定入射光I_R的狭缝与入射面ADA′D′的间距及入射光I_R的视场角确定。