CN101710132B - 基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪及探测风场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪，包括四方体的分光棱镜，分光棱镜由材质相同且折射率相同的直角三棱镜a和直角三棱镜b在斜面处胶合构成，胶合面镀有半反半透膜，直角三棱镜a的一侧胶合有四方形的玻璃立方体a，玻璃立方体a另一侧贴有偏振片，偏振片的另一侧贴有LCoS反射式液晶，直角三棱镜b的一侧胶合有玻璃立方体b，玻璃立方体b的顶部镀有全反射膜，玻璃立方体b和玻璃立方体a相邻设置。本发明探测风场的方法，通过对LCoS反射式液晶施加不同的电压对入射光的相位进行调制，为不同波长的光提供步进相位，从而探测大气风场。本发明干涉仪及探测风场的方法功耗小、抗震性能好、成本可观。

Description

基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪及探测风场的方法

技术领域

本发明属于干涉法探测上层大气技术领域，具体涉及一种基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪，本发明还涉及应用该干涉仪进行大气风场探测的方法。

背景技术

现有的利用光学遥感的方法被动探测上层大气风场的理论，常采用被动探测上层大气风场的广角Michelson风成像干涉仪WINDII(WindInterferometer Imaging)，WINDII使用“四强度法”来探测上层大气风场，其关键技术是采用压电陶瓷的微位移驱动技术使Michelson干涉仪一个臂的反射镜步进移动，产生四分之一波长的步进光程差，并使用CCD获得4幅不同干涉强度的图像来反演目标大气的温度、风速和体发射率等信息，该项技术已经被成功的应用并日趋成熟。但作为星载仪器，该驱动装置的抗震性能较差、功耗较大、定标过程复杂且频繁。

另外，有两种基于WINDII设计思想的改进型Michelson干涉仪：WAMI(Waves Michelson Interferometer)和MIMI(Mesospheric Imaging MichelsonInterferometer)。WAMI将Michelson干涉仪的两个反射镜均固定，其中一个镜子被分为四个区域，各区域分别镀反射膜以产生1/4波长步进的光程差，从每一个四分区来的光线被称之为角锥棱镜(prism)聚集后发射到探测器阵列的不同区域上并分成四个区域镀反射膜实现四步进；MIMI使用了与WAMI类似的技术，设置一个4分区镀膜镜子，以便同时成像。

WAMI和MIMI对探测单谱线而言是可行的，因为Michelson干涉仪的反射镜上所镀膜的厚度与极光(气辉)的波长有关，对多波段极光(气辉)的同机探测就有一定的难度，探测精度不高，因此，设计出更具有实用性的无动镜广角Michelson干涉仪来实现风场的探测，成为该领域一直以来被关注的热点问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪，解决了现有的Michelson干涉仪进行多波段极光探测时探测精度不高的问题。

本发明的另一目的是提供一种应用上述干涉仪探测风场的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪，包括四方体的分光棱镜，分光棱镜由材质相同且折射率相同的直角三棱镜a和直角三棱镜b在斜面处胶合构成，胶合面镀有半反半透膜，直角三棱镜a的一侧胶合有折射率与直角三棱镜a、直角三棱镜b不同的玻璃立方体a，玻璃立方体a另一侧贴有偏振片，偏振片的另一侧贴有LCoS反射式液晶，直角三棱镜b的一侧胶合有折射率和直角三棱镜a、直角三棱镜b不同的玻璃立方体b，玻璃立方体b的顶部镀有全反射膜，玻璃立方体b和玻璃立方体a相邻设置。

本发明所采用的另一技术方案是，一种应用上述干涉仪探测风场的方法，具体按照以下步骤实施：

目标大气中的一束光线从直角三棱镜b入射，在半反半透膜处被分成方向不同的两束光，其中一束经过直角三棱镜a和玻璃立方体a的透射进入偏振片和LCoS反射式液晶，入射光被LCoS反射式液晶反射，通过对LCoS反射式液晶施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，调制后的反射光射出偏振片，然后经过玻璃立方体a和直角三棱镜a到达半反半透膜；同时，另一束被半反半透膜分束的入射光通过玻璃立方体b后被全反射膜反射，反射光经过玻璃立方体b和直角三棱镜a到达半反半透膜；两束反射光在半反半透膜处汇合后出射，发生干涉现象，最后通过后置光学系统以及CCD对干涉图像进行采集，运用四强度法反演出目标大气的风速。

本发明的特点还在于，

其中的通过对LCoS反射式液晶施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，具体按照以下步骤实施：对LCoS反射式液晶进行四次曝光，每一次曝光给LCoS反射式液晶上的所有像素施加相同的电压完成一次整体相位调制，施加的四次电压不同，完成对相位0、π/2、π、3π/2的四次步进调制。

其中的通过对LCoS反射式液晶施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，具体按照以下步骤实施：将LCoS反射式液晶所有像素划分为四个均等的区域，对LCoS反射式液晶进行一次曝光，在一次曝光期间同时给四个区域分别施加四个不同的电压，使得入射四个区域的光被分别调制0、π/2、π、3π/2的相位。

本发明基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪及探测方法的有益效果是：

(1)可以实现无动镜的相位四步进：在广角Michelson干涉仪一臂装配LCoS反射式液晶，通过调节不同的电压对液晶施加不同的灰度，从而可以精确调节入射光的相位；

(2)可以实现四分区相位步进，一次即可同时拍摄四幅完整的具有不同相位的干涉图：由于LCoS反射式液晶可以实现单像素的相位调制，因此，类似于WAMI和MIMI，可以将LCoS反射式液晶划分为四个分区，不同的区域施加不同的电压，从而同时获得四幅具有步进相位的干涉图；

(3)可以实现多谱线的同机探测：液晶的光谱响应范围较宽，从可见光到近红外均有较高的透过率，而且对不同波长的光均能够实现0-2π的相位调制；

(4)本发明配以实体广角Michelson干涉仪，紧密胶合在一起，抗震性能较好；

(5)LCoS本身功耗很低，为星载干涉仪的实现提供了有力的保证。

附图说明

图1是本发明基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪的结构示意图；

图2是采用本发明干涉仪进行探测时实现相位调制的一种方法的光路图；

图3是采用本发明干涉仪进行探测时实现相位调制的另一种方法的光路图；

图4是本发明干涉仪中LCoS反射式液晶的结构示意图。

图中，1.半反半透膜，2.直角三棱镜a，3.玻璃立方体a，4.偏振片，5.LCoS反射式液晶，6.直角三棱镜b，7.玻璃立方体b，8.全反射膜，9.玻璃基片，10.液晶分子层，11.反射层，12.硅层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪的结构，如图1所示，包括四方体的分光棱镜，分光棱镜由材质相同且折射率相同的直角三棱镜a2和直角三棱镜b6在斜面处胶合构成，胶合面镀有半反半透膜1，直角三棱镜a2的一侧胶合有折射率与直角三棱镜a2、直角三棱镜b6不同的玻璃立方体a3，玻璃立方体a3另一侧贴有偏振片4，偏振片4的另一侧贴有LCoS反射式液晶5，直角三棱镜b6的上方胶合有一块折射率和直角三棱镜a2、直角三棱镜b6不同的玻璃立方体b7，玻璃立方体b7的顶部镀有全反射膜8，玻璃立方体b7和玻璃立方体a3相邻设置。

本发明应用基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪探测风场的方法，如图3所示，具体按照以下步骤实施：

目标大气中的一束光线从直角三棱镜b6入射，在半反半透膜1处被分成方向不同的两束光，其中一束经过直角三棱镜a2和玻璃立方体a3的透射进入偏振片4和LCoS反射式液晶5，入射光被LCoS反射式液晶5反射，对LCoS反射式液晶5上每一个像素施加电压，通过液晶对光束的双折射效应(即寻常光与非寻常光在液晶中的折射率不同)，对反射光进行相位调制，与入射光相比反射光的相位被调制到所需要的数值(0、π/2、π、3π/2)，该数值的大小可通过调节施加在LCoS反射式液晶5上的电压值来实现，反射光再次出射偏振片4，然后经过玻璃立方体a3和直角三棱镜a2到达半反半透膜1；同时，另一束被半反半透膜1分束的入射光通过玻璃立方体b7后被全反射膜8反射，反射光经过玻璃立方体b7和直角三棱镜a6再次到达半反半透膜1。两束反射光在半反半透膜1处汇合后出射Michelson干涉仪，此时由于玻璃立方体a3和玻璃立方体b7的厚度及折射率不同导致了被分束的两束光经过Michelson干涉仪两臂后具有相应的光程差，因此将会发生干涉现象，最后通过后置光学系统以及CCD对干涉图进行采集，运用“四强度法”反演出目标大气的风速。

对被LCoS反射式液晶5反射后的反射光进行相位调制，具体方法有两种：

一种方法如图2所示，用LCoS反射式液晶5来取代现有的压电陶瓷动镜装置，第一次曝光期间给LCoS反射式液晶5上的所有像素施加相同的电压完成一次整体相位调制，然后用同样的方法在接下来的三次曝光中给LCoS反射式液晶5上的所有像素施加电压，四次电压不同，完成对相位0、π/2、π、3π/2的四次步进调制，最终通过成像系统得到四幅强度不同的干涉图；

另一种方法如图3所示，对LCoS反射式液晶5所有像素人为地划分为四个均等的区域(I、II、III、IV)，在一次曝光期间同时给四个区域分别施加四个不同的电压，使得入射四个区域的光被分别调制0、π/2、π、3π/2的相位，被调制的光线出射干涉仪后，经过四面角锥棱镜的分光(四面角锥棱镜的锥面与LCoS反射式液晶5的四个区域相对应)及成像系统的作用，可以在CCD的一次拍摄中得到四幅强度不同的干涉图。

本发明基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪的干涉原理：利用了液晶的双折射效应，使寻常光(o光)的折射率固定，而非寻常光(e光)的折射率随电压变化，导致在出射液晶时相位出现延迟现象，而这一相位的延迟可以通过所加电压的不同进行适当的调节，因此这种调节寻常光和非寻常光折射率不同导致相位变化的方法与一般成像干涉仪直接改变光程差的方法有着很大的区别。

本发明基于LCoS的广角迈克尔逊干涉仪用于实现“四强度法”探测上层大气风场的原理：

(1)“四强度法”测风的原理

目标大气被划分为网格状与CCD像素一一对应，每一个网格中的光线进入仪器的光学系统后，被调整为平行光束进入广角Michelson干涉仪，由于每束平行光与广角Michelson干涉仪的轴线夹角不同，导致CCD感光面上出现干涉图，因此CCD接收到的光强信息是通过目标大气进入光学系统的张角一一对应，最终借助“四强度”方法反演出大气温度、风速等信息。

CCD各像素所接收到的干涉强度为：

I＝I₀(1+Vcosφ)                                    (1)

其中V为调制度，包含目标大气的温度信息：

V＝exp(-QTΔ²)                                     (2)

其中

σ₀为零风速的波数。

若不考虑干涉仪的运动，则静止时Michelson干涉仪的相位，亦即(1)式中的φ为：

φ＝φ_θ+φ_v+φ′＝2πσ₀Δ_θ(1+v/c)+2πσ₀Δ′    (3)

其中，φ_θ为Michelson干涉仪的固定光程差导致的相位；

φ_v为风速引起的相位，v为视线方向的风速：

${\mathrm{\φ}}_v=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}\·\frac{v}{c}---\left(4\right)$

φ′为步进光程差引起的相位：

φ′＝2πΔ′/λ₀                                  (5)

总光程差为Δ＝Δ_θ+Δ′，其中Δ_θ为基准光程差，Δ′为步进光程差。

假设步进光程差能够Δ′从Δ′＝0以λ/4的步进递增4次，也即Δ′所对应的相位能够以π/2的步进从0到3π/2递增4次，就可以分别得到每一步的强度为：

I₁＝I₀(1+Vcosφ)                                   (6)

I₂＝I₀(1-Vsinφ)                        (7)

I₃＝I₀(1-Vcosφ)                        (8)

I₄＝I₀(1+Vsinφ)                        (9)

由式(6)～(9)可得

I₀＝(I₁+I₃)/2＝(I₂+I₄)/2                (10)

V＝[(I₁-I₃)²+(I₄-I₂)²]^1/2/2I₀           (11)

tanφ＝(I₄-I₂)/(I₁-I₃)                  (12)

因此，只需要知道Michelson干涉仪固定光程差，并能够精确提供四个精准的步进光程差，那么根据(11)、(2)式可以得到大气温度，通过(12)、(4)、(3)式可以获得大气的风速，这就是“四强度法”测风的原理。

(2)基于大气风场探测的LCoS广角Michelson干涉仪的光程差

普通Michelson干涉仪的光程差会随入射夹角的增大而剧烈变化，表现为条纹数的大量增加。探测风场时要求光程差要大，这样才能够将微小的多普勒频移捕捉到，但大光程差导致条纹数过多，探测器无法实现对高级次条纹的精确采集，因此需要使用广角Michelson干涉仪对风场进行探测。

广角Michelson干涉仪是通过视场补偿技术使光程差随入射角变化的趋势减缓，完满的视场补偿是在任何视场角情况下都保持零光程差，这在实际中做不到，常用的方法是用一块折射率较大的玻璃取代普通Michelson干涉仪一臂的平面镜，从而改变一臂的光程，本发明采用4块折射率不同的玻璃胶合在一起，并配以LCoS反射式液晶，从而构成一个实体广角Michelson干涉仪，如图1、图2所示，直角三棱镜a2和直角三棱镜b6的材质和形状相同，折射率都为n₁和直角边长为a，玻璃立方体a3的厚度和折射率分别为b和n₂，玻璃立方体b7的厚度和折射率分别为e和n₅，偏振片厚度和折射率分别为c和n₃，LCoS反射式液晶的有效厚度和折射率分别为d和n₄。则通过计算可得本发明基于大气风场探测的LCoS广角Michelson干涉仪的固定光程差为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\θ}}=2(n_{2}b+n_{3}c+n_{4}d-n_{5}e)+{\sin }^2\mathrm{\θ}(\frac{b}{n_2}+\frac{c}{n_3}+\frac{d}{n_4}-\frac{e}{n_5})+\frac{{3\sin }^4}{4}(\frac{b}{n_2^3}+\frac{c}{n_3^3}+\frac{d}{n_4^3}-\frac{e}{n_5^3})---\left(13\right)$

要实现视场补偿，就要减小光程差随入射角的变化趋势，也就是将(13)式中的sin²θ和sin⁴θ尽可能的减小，由于入射角较小的情况下可以忽略sin⁴θ的影响，只需令

$\frac{b}{n_2}+\frac{c}{n_3}+\frac{d}{n_4}-\frac{e}{n_5}=0---\left(14\right)$

便可以满足视场补偿的条件，但在实际制作过程中，不论怎样选择，(14)式都不可能完全为0，只能让其尽可能地减小，因此(14)式可以作为选择依据对合适的玻璃以及厚度进行搭配，从而确定Michelson干涉仪的固定光程差所导致的相位φ_θ。

(3)步进相位的实现

对于(3)式中步进相位φ′的实现，本发明采用了LCoS反射式液晶5这一器件对入射光的相位进行调制。之所以选取LCoS液晶作为本发明的关键部件，是因为与传统TFT器件相比LCoS的驱动电路制作在像素的后方，可以增加像素的有效利用面积和光能利用率(市面上的LCoS反射式液晶的透过率能够达到93％左右)，有更多的空间集成相应的驱动设备，可以利用现有的CMOS工艺制作显示芯片，在成熟的LCD生产线上进行封装，从而有效地缩小器件的体积。因此，LCoS反射式液晶5在光能利用率、集成度、可靠性方面具有巨大的优势。

LCoS反射式液晶5的结构如图4所示，最顶层为偏振片4，玻璃基片9与反射层11之间夹着液晶分子层10，而硅层12紧贴反射层11位于最底层。利用液晶的双折射效应及旋光效应，通过对硅层12中CMOS器件的每一个像素施加不同的电压，使得液晶分子的扭曲角度发生变化，从而改变入射光出射偏振片4时的相位，而施加不同的电压会得到不同的相位变化，电压与相位的关系由下式给出：

${\mathrm{\φ}}^{\′}={\tan }^{-1}[-\frac{4\mathrm{\δ\β}\sin \left(2\mathrm{\α}\right){\sin }^2\left(\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\β}}^2}\right)+2\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\β}}^2}\mathrm{\δ}\sin \left(2\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\β}}^2}\right)\cos \left(2\mathrm{\α}\right)}{{2\mathrm{\β}}^2+2{\mathrm{\β}}^2\cos \left(2\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\β}}^2}\right)}]---\left(15\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_e^2{\cos }^2\{\frac{\mathrm{\π}}{2}-{2\tan }^{-1}[\exp (-|\frac{U-U_c}{U_o}\left|\right)\left]\right\}+n_o^2{\sin }^2\{\frac{\mathrm{\π}}{2}-2{\tan }^{-1}[\exp (-|\frac{U-U_c}{U_o})\left]\right\}}}-n_o)---\left(16\right)$

(15)和(16)式中的含有6个常量：β为液晶前后表面定向角的差，α为起偏角，n_o、n_e分别为液晶对o光和e光的折射率，U_c和U₀为液晶的阈值电压和某一中间值，可以通过液晶出厂时的定标获得。这6个常量均根据液晶种类和制造工艺来确定，不会在使用过程中造成相位变化，而确定相位变化量的唯一因素便是电压U，通过(16)式的关系，根据电压U可以确定δ的值，而δ又可以通过(15)式来确定相位φ′的变化量。

本发明基于大气风场探测的LCoS广角Michelson干涉仪及探测方法，所使用的相位步进分别为0、π/2、π和3π/2，可以借助所使用的液晶产品的参数或者通过实验室定标，找到电压与相位变化之间的关系曲线，从而确定每一个步进相位φ′₁、φ′₂、φ′₃和φ′₄所对应的电压U₁、U₂、U₃和U₄，并通过上文中提到的两种方法来实现相位四步进：一种为四次曝光的方法获取四幅强度不同的干涉图，在四次曝光过程中依次给LCoS反射式液晶所有像素施加电压U₁、U₂、U₃和U₄；另一种为一次曝光获得四幅强度不同的干涉图，在LCoS反射式液晶的四分区(I、II、III、IV)分别施加电压U₁、U₂、U₃和U₄。在实现了步进相位φ′的情况下，结合基于大气风场探测的LCoS广角Michelson干涉仪的固定相位φ_θ，最终通过(11)、(2)式可以得到大气温度，通过(12)、(4)、(3)式可以获得大气的风速。

Claims (3)

1.基于LCoS反射式液晶的广角迈克尔逊干涉仪探测风场的方法，其特征在于，采用基于LCoS反射式液晶的广角迈克尔逊干涉仪，包括四方体的分光棱镜，分光棱镜由材质相同且折射率相同的直角三棱镜a(2)和直角三棱镜b(6)在斜面处胶合构成，胶合面镀有半反半透膜(1)，所述的直角三棱镜a(2)的一侧胶合有折射率与直角三棱镜a(2)、直角三棱镜b(6)不同的玻璃立方体a(3)，玻璃立方体a(3)另一侧贴有偏振片(4)，偏振片(4)的另一侧贴有LCoS反射式液晶(5)，所述的直角三棱镜b(6)的一侧胶合有折射率和直角三棱镜a(2)、直角三棱镜b(6)不同的玻璃立方体b(7)，玻璃立方体b(7)的顶部镀有全反射膜(8)，玻璃立方体b(7)和玻璃立方体a(3)相邻设置，

该方法具体按照以下步骤实施：

目标大气中的一束光线从直角三棱镜b(6)入射，在半反半透膜(1)处被分成方向不同的两束光，其中一束经过直角三棱镜a(2)和玻璃立方体a(3)的透射进入偏振片(4)和LCoS反射式液晶(5)，入射光被LCoS反射式液晶(5)反射，通过对LCoS反射式液晶(5)施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，调制后的反射光射出偏振片(4)，然后经过玻璃立方体a(3)和直角三棱镜a(2)到达半反半透膜(1)；同时，另一束被半反半透膜(1)分束的入射光通过玻璃立方体b(7)后被全反射膜(8)反射，反射光经过玻璃立方体b(7)和直角三棱镜a(6)到达半反半透膜(1)；两束反射光在半反半透膜(1)处汇合后出射，发生干涉现象，最后通过后置光学系统以及CCD对干涉图像进行采集，运用四强度法反演出目标大气的风速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过对LCoS反射式液晶(5)施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，具体按照以下步骤实施：对LCoS反射式液晶(5)进行四次曝光，每一次曝光给LCoS反射式液晶(5)上的所有像素施加相同的电压完成一次整体相位调制，施加的四次电压不同，完成对相位0、π/2、π、3π/2的四次步进调制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过对LCoS反射式液晶(5)施加电压将反射光进行相位调制到所需要的数值，具体按照以下步骤实施：将LCoS反射式液晶(5)所有像素划分为四个均等的区域，对LCoS反射式液晶(5)进行一次曝光，在一次曝光期间同时给四个区域分别施加四个不同的电压，使得入射四个区域的光被分别调制0、π/2、π、3π/2的相位。

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