CN105387936A - 高通量Sagnac干涉成像光谱装置 - Google Patents

高通量Sagnac干涉成像光谱装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置，前置成像物镜、准直物镜、Sagnac干涉仪、半波片、组合检偏器、后置成像物镜和探测器；共光轴依次设置前置成像物镜、准直物镜和Sagnac干涉仪，上述光学元件所在的光轴为第一光轴；共光轴依次设置半波片、组合检偏器、后置成像物镜和探测器，上述部件所在的光轴为第二光轴，第一光轴和第二光轴垂直；经Sagnac干涉仪分出的光束进入半波片；所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高。本发明相比于传统的共光路干涉成像光谱系统，光通量由原来的不及50％提高到80％以上。干涉信息的叠加提高了系统信噪比，有利于提高光谱复原精度。

Description

高通量Sagnac干涉成像光谱装置
技术领域
本发明涉及光学目标探测领域，具体涉及一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置。
背景技术
干涉高光谱成像技术通过在成像系统中加入干涉器获取成像目标的干涉光强信息，利用傅里叶变换复原出成像目标的光谱数据立方体,具有高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率的优点，在遥感成像、资源勘探、环境监测等领域具有很大的应用潜力。
近年来，国内外对该类高光谱成像技术进行了研究。其中，以色列Cabib等人研究了基于Sagnac干涉器的高通量干涉成像光谱技术，通过横向剪切思想在探测器上形成干涉信号。在该类技术方案中，Sagnac干涉器需要损失至少一半的光通量。英国Harvey等人提出了基于Wollaston棱镜干涉器的技术方案，该方案同样基于横向剪切干涉的思想，由于双折射器件的光束剪切特性，系统可以实现直线光路结构，但光通量比之Sagnac干涉器方案还要减少一半。美国Horton等人提出了基于Mach-Zehnder干涉器的技术方案，通过角度剪切思想形成两个交错的像平面，由探测器接收所形成的干涉信号。该类干涉器被称为“像平面干涉仪”，它的光通量相与以色列Cabib的Sagnac干涉器方案类似。德国Posselt等人提出了基于Michelson干涉器的技术方案，同样利用角度剪切干涉的思想，不需要准直光路结构，光通量利用率同样不及25％。国内研究人员对相关的干涉成像方法也进行了深入研究，分别提出了各具特色的技术方案，其中包括西安交通大学张淳民等人提出的基于Savart棱镜的双折射型干涉成像光谱仪，光通量一般小于25％，因此光机系统信噪比较难提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置及方法，解决传统Sagnac干涉成像光谱技术方案中光通量损失较大的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置，前置成像物镜、准直物镜、Sagnac干涉仪、半波片、组合检偏器、后置成像物镜和探测器；共光轴依次设置前置成像物镜、准直物镜和Sagnac干涉仪，上述光学元件所在的光轴为第一光轴；共光轴依次设置半波片、组合检偏器、后置成像物镜和探测器，上述部件所在的光轴为第二光轴，第一光轴和第二光轴垂直；经Sagnac干涉仪分出的光束进入半波片；所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高。
还包括光阑，所述前置成像物镜的成像面与准直物镜的前焦面重合，且在前置成像物镜的成像面上放置光阑；Sagnac干涉仪的分光器件为偏振分光棱镜；探测器的靶面位于后置成像物镜的像面位置，半波片的光轴方向与Sagnac干涉仪的出射光的夹角为22.5°。
所述组合检偏器包括直角棱镜和两片完全相同的第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜；其中第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的分光面相互垂直，直角棱镜的两个直角面镀制高反膜，直角棱镜的斜边与第一偏振分光棱镜的反射光出射面连接，且与第二偏振分光棱镜反射光入射面连接；自半波片送入的光束经第一偏振分光棱镜分为反射光和透射光，反射光反射至直角棱镜的一条直角面，再反射至另一条直角边，经另一条直角边反射至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜反射至后置成像物镜；透射光经第一偏振分光棱镜透射至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜透射至后置成像物镜。
来自目标的入射光束通过前置成像物镜成像在其像面上，随后经过准直物镜，形成准直光束，以准直光束形式入射到Sagnac干涉仪，Sagnac干涉仪将入射光分为强度相等、振动方向互相垂直两束线偏振光，并将其横向剪切后射到半波片，半波片将入射光的偏振方向旋转45°，并射入组合检偏器，经组合检偏器检偏后，入射至后置成像物镜，经后置成像物镜汇聚于探测器靶面上产生干涉。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)相比于传统的共光路干涉成像光谱系统，光通量由原来的不及50％提高到80％以上。
(2)干涉信息的叠加提高了系统信噪比，有利于提高光谱复原精度。
附图说明
图1为本发明的高通量Sagnac干涉成像光谱装置的结构示意图。
图2为本发明的组合检偏器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置，前置成像物镜1、准直物镜2、Sagnac干涉仪3、半波片4、组合检偏器5、后置成像物镜6和探测器7；共光轴依次设置前置成像物镜1、准直物镜2和Sagnac干涉仪3，上述光学元件所在的光轴为第一光轴；共光轴依次设置半波片4、组合检偏器5、后置成像物镜6和探测器7，上述部件所在的光轴为第二光轴，第一光轴和第二光轴垂直；经Sagnac干涉仪3分出的光束进入半波片4；所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高。
还包括光阑8，所述前置成像物镜1的成像面与准直物镜2的前焦面重合，且在前置成像物镜1的成像面上放置光阑8；Sagnac干涉仪3的分光器件为偏振分光棱镜；探测器7的靶面位于后置成像物镜6的像面位置，半波片4的光轴方向与Sagnac干涉仪3的出射光的夹角为22.5°。
所述Sagnac干涉仪3包括第三偏振分光棱镜31和两个完全相同的第一反射镜32和第二反射镜33，入射至第三偏振分光棱镜31的光分为透射光和反射光，透射光入射至半波片4，经第一反射镜32反射至第二反射镜33，经第二反射镜33反射至第三偏振分光棱镜31，最后经第三偏振分光棱镜31透射至半波片4。反射光反射至第二反射镜33，经第二反射镜33反射至第一反射镜32，经第一反射镜32反射至第三偏振分光棱镜31，最后经第三偏振分光棱镜31反射至半波片4。
反射光经一个反射镜32反射至另一个反射镜32，经另一个反射镜32反射至第三偏振分光棱镜31，最后经第三偏振分光棱镜31透射至半波片4。
结合图2，所述组合检偏器5包括直角棱镜5-3和两片完全相同的第一偏振分光棱镜5-1和第二偏振分光棱镜5-2；其中第一偏振分光棱镜5-1和第二偏振分光棱镜5-2的分光面相互垂直，直角棱镜5-3的两个直角面镀制高反膜，直角棱镜5-3的斜边与第一偏振分光棱镜5-1的反射光出射面连接，且与第二偏振分光棱镜5-2反射光入射面连接；自半波片4送入的光束经第一偏振分光棱镜5-1分为反射光和透射光，反射光反射至直角棱镜5-3的一条直角面，再反射至另一条直角边，经另一条直角边反射至第二偏振分光棱镜5-2，经第二偏振分光棱镜5-2反射至后置成像物镜6；透射光经第一偏振分光棱镜5-1透射至第二偏振分光棱镜5-2，经第二偏振分光棱镜5-2透射至后置成像物镜6。
来自目标的入射光束通过前置成像物镜1成像在其像面上，经光阑8消除杂散光后，经过准直物镜2，形成准直光束，以准直光束形式入射到Sagnac干涉仪3的第三偏振分光棱镜31，第三偏振分光棱镜31将光分为透射光和反射光，透射光入射至半波片4，经第一反射镜32反射至第二反射镜33，经第二反射镜33反射至第三偏振分光棱镜31，最后经第三偏振分光棱镜31透射至半波片4。反射光反射至第二反射镜33，经第二反射镜33反射至第一反射镜32，经第一反射镜32反射至第三偏振分光棱镜31，最后经第三偏振分光棱镜31反射至半波片4。Sagnac干涉仪3将入射光分为强度相等、振动方向互相垂直两束线偏振光，并将其横向剪切后射到半波片4，半波片4将入射光的偏振方向旋转45°，并射入组合检偏器5，自半波片4送入的光束经第一偏振分光棱镜5-1分为反射光和透射光，反射光反射至直角棱镜5-3的一条直角面，再反射至另一条直角边，经另一条直角边反射至第二偏振分光棱镜5-2，经第二偏振分光棱镜5-2反射至后置成像物镜6；透射光经第一偏振分光棱镜5-1透射至第二偏振分光棱镜5-2，经第二偏振分光棱镜5-2透射至后置成像物镜6，经后置成像物镜6汇聚于探测器7靶面上产生干涉。由透射线偏振光干涉和反射线偏振光干涉形成的干涉信息被相同的光程差调制，并叠加重合在一起，进而由探测器7获得目标的干涉图像信息，最后经过傅里叶变换处理后即可复原出目标的光谱信息。
本发明的高通量Sagnac干涉成像光谱装置，具有两类干涉扫描方式，第一类，内置扫描方式，转动Sagnac干涉仪3，旋转轴经过偏振分光棱镜31中心；第二类，整体扫描方式，平移或旋转整个高通量Sagnac干涉成像光谱装置；采用这两种干涉扫描方式，扫描器件每平移一个距离，探测器7采集一次干涉信息；当扫描完成后获得一个干涉数据立方体，对该干涉信号数据进行光谱复原处理即可得到探测目标的光谱信息。
本发明高通量Sagnac干涉成像光谱装置，利用偏振分光棱镜的光学特性，加入了高通量组合检偏器5，采用“干涉信息叠加”的思想，实现光谱成像系统高效率通光。本发明相比于传统的共光路干涉成像光谱系统，光通量由原来的不及50％提高到80％以上。干涉信息的叠加提高了系统信噪比，有利于提高光谱复原精度。

Claims (4)

1.一种高通量Sagnac干涉成像光谱装置，其特征在于：前置成像物镜(1)、准直物镜(2)、Sagnac干涉仪(3)、半波片(4)、组合检偏器(5)、后置成像物镜(6)和探测器(7)；共光轴依次设置前置成像物镜(1)、准直物镜(2)和Sagnac干涉仪(3)，上述光学元件所在的光轴为第一光轴；共光轴依次设置半波片(4)、组合检偏器(5)、后置成像物镜(6)和探测器(7)，上述部件所在的光轴为第二光轴，第一光轴和第二光轴垂直；经Sagnac干涉仪(3)分出的光束进入半波片(4)；所有光学元件相对于仪器底座平面同轴等高。
2.根据权利要求1所述的高通量Sagnac干涉成像光谱装置，其特征在于：还包括光阑(8)，所述前置成像物镜(1)的成像面与准直物镜(2)的前焦面重合，且在前置成像物镜(1)的成像面上放置光阑(8)；Sagnac干涉仪(3)的分光器件为偏振分光棱镜；探测器(7)的靶面位于后置成像物镜(6)的像面位置，半波片(4)的光轴方向与Sagnac干涉仪(3)的出射光的夹角为22.5°。
3.根据权利要求1所述的高通量Sagnac干涉成像光谱装置，其特征在于：所述组合检偏器(5)包括直角棱镜(5-3)和两片完全相同的第一偏振分光棱镜(5-1)和第二偏振分光棱镜(5-2)；其中第一偏振分光棱镜(5-1)和第二偏振分光棱镜(5-2)的分光面相互垂直，直角棱镜(5-3)的两个直角面镀制高反膜，直角棱镜(5-3)的斜边与第一偏振分光棱镜(5-1)的反射光出射面连接，且与第二偏振分光棱镜(5-2)反射光入射面连接；自半波片(4)送入的光束经第一偏振分光棱镜(5-1)分为反射光和透射光，反射光反射至直角棱镜(5-3)的一条直角面，再反射至另一条直角边，经另一条直角边反射至第二偏振分光棱镜(5-2)，经第二偏振分光棱镜(5-2)反射至后置成像物镜(6)；透射光经第一偏振分光棱镜(5-1)透射至第二偏振分光棱镜(5-2)，经第二偏振分光棱镜(5-2)透射至后置成像物镜(6)。
4.根据权利要求1所述的高通量Sagnac干涉成像光谱装置，其特征在于：来自目标的入射光束通过前置成像物镜(1)成像在其像面上，随后经过准直物镜(2)，形成准直光束，以准直光束形式入射到Sagnac干涉仪(3)，Sagnac干涉仪(3)将入射光分为强度相等、振动方向互相垂直两束线偏振光，并将其横向剪切后射到半波片(4)，半波片(4)将入射光的偏振方向旋转45°，并射入组合检偏器(5)，经组合检偏器(5)检偏后，入射至后置成像物镜(6)，经后置成像物镜(6)汇聚于探测器(7)靶面上产生干涉。
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