CN105717660B - 一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件 - Google Patents

一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是包括偏振分光镜、反射式闪耀光栅组成的反射式Sagnac干涉单元、半波片、普罗棱镜、偏振片、成像光学系统和干涉图样接收面各器件；平行入射光束经反射式Sagnac干涉单元作用形成两束传播方向相同且具有一定间距的偏振方向相互垂直的平行光，两束光经半波片后经过设置为与入射方向成45度的普罗棱镜反射后返回反射式Sagnac干涉单元，在反射式Sagnac单元的再次作用之后形成四束平行的偏振光，进而经反射镜、偏振片和成像透镜系统后在干涉成像面上形成干涉图样。本发明满足白光偏振干涉仪的要求，可以实现宽光谱偏振干涉，其体积小、重量轻，通光效率高，适于遥感领域的应用。

Description

一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件
技术领域
本发明涉及一种反射式Sagnac干涉元件，更具体地说是一种能满足白光偏振干涉仪使用的反射式Sagnac干涉元件。
背景技术
干涉仪依据光的干涉原理，来自同一个光源的不同光束经过不同的光程后合并，可显出干涉条纹。在光谱学、微生物学、分析化学、物理学、遥感科学、医学、军事科学、精密机械、精密测量与精密控制等方向有着重要作用。干涉仪的光路中大多采用反射、折射、衍射来实现光的分离、偏折和会聚。
干涉仪测量的依据是干涉条纹，干涉条纹的可见度对干涉仪至关重要；传统干涉仪中，影响干涉条纹的可见度的主要因素是相干光束的振幅比、光源的大小和光源的非单色性。相干光束的振幅比越大，可见度越低，设计干涉系统时应尽量使相干光束的振幅比为1，即相干光束的振幅相等；由于实际光源都有一定的大小，光源的大小会影响干涉仪的空间相干性，因此，设计干涉仪时应将光源限定在一定大小范围内；光源的非单色性会影响干涉仪的时间相干性，相干光的单色性与频谱宽度是一个概念，单色性好即频谱宽度窄，频谱宽度越窄，干涉条纹可见度越高。
在遥感等技术的实际应用中，需要一种以波长为380-760nm的可见光即白光为光源的干涉仪，绝大部分白光最初光源来自太阳，因此光源的振幅比、大小、非单色性都是非常数，所以设计白光干涉仪必须尽量使振幅比为1，光源大小较小，缩紧频谱宽度。
但是，光源大小会直接影响遥感等设备的成像质量和范围，限制频谱宽度但必须满足可见光范围；一种干涉结构必须具备以下条件才能满足非限定白光光源情况下使用的要求：一是干涉仪中光束频率相同；二是干涉仪中光束相位差与波长成一个定比；三是干涉仪中光束的振动方向相同或相反。
同时，由于遥感设备一般要求适用于星载或者机载或者车载，并且由于目标光源的限制，遥感设备对元件体积、重量、通光效率等都有较高的要求，体积越小、重量越轻、通光效率越高则更加优越。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，使其具备光束频率相同、光束相位差与波长成一个定比以及光束的振动方向相同或相反的性能，以满足白光偏振干涉仪的要求；同时具有体积小、重量轻、通光效率高以适应遥感设备的技术要求。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，是针对平行的入射光束在干涉图样接收面上获得干涉图样；其结构特点是：设置所述干涉元件的结构形式为：由第一反射式闪耀光栅、偏振分光镜和第二反射式闪耀光栅构成干涉单元；
平行的入射光束经偏振分光镜分束为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，分别是反射形成的第一光束和透射形成的第二光束；
所述第一光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜的反射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第一光束第一次出射光；所述第二光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜的透射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第二光束第一次出射光；
所述第一光束第一次出射光和第二光束第一次出射光分别通过半波片后在普罗棱镜中形成沿着与入射光束垂直的方向投向偏振分光镜的反射光束；所述反射光束再次经偏振分光镜进入干涉单元，在经所述干涉单元的再次作用之后，通过干涉单元中的偏振分光镜输出四束平行光束；所述四束平行光束分别是：由第一光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第一出射光和第二出射光；由第二光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第三出射光和第四出射光；所述四束平行光束分别经反射镜的反射，并分别依次经偏振片和成像光学系统投射到干涉图样接收面上，形成干涉图样。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述第一光束依次经第二反射式闪耀光栅、第一反射式闪耀光栅以及偏振分光镜的反射后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第一光束第一次出射光；所述第二光束依次经第一反射式闪耀光栅和第二反射式闪耀光栅的反射，再经偏振分光镜的透射之后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第二光束第一次出射光。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：设置所述第一光束在第一反射式闪耀光栅上的入射角为22.5°；第二光束在第二反射式闪耀光栅上的入射角为22.5°；设置半波片的快轴与入射光束的前进方向成22.5°夹角；设置偏振片的透光轴与四束平行光束都成45°夹角；设置普罗棱镜与入射光束的前进方向成45°夹角。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：令：
第一光束在所述第一反射式闪耀光栅上的入射角为a1，出射角为a2；
第一光束在所述第二反射式闪耀光栅上的入射角为b1，出射角为b2；
第二光束在所述第二反射式闪耀光栅上的入射角为c1，出射角为c2；
第二光束在所述第一反射式闪耀光栅上的入射角为d1，出射角为d2；
并令：a＝a2-a1，b＝b2-b1，c＝c2-c1，d＝d2-d1
设置第一反射式闪耀光栅和第二反射式闪耀光栅的闪耀方向，使得在a、b、c和d之间存在关系：a＝b＝(-c)＝(-d)。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：设置所述第一反射式闪耀光栅和第二反射式闪耀光栅为一级衍射效率不低于80％的相同器件。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：设置偏振分光镜对于P光具有不低于85％的反射效率；对于S光具有不低于85％的透射效率。
本发明基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件的结构特点也在于：设置干涉图样接收面是处在所述成像光学系统的焦平面上。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明用同一束光作为光源，利用偏振分光镜、反射式闪耀光栅、半波片、普罗棱镜、偏振片、成像光学系统组成的反射式Sagnac干涉结构，将入射光束分成沿四个不同方向振动的光束，利用偏振片检偏，最终经过成像系统后在干涉成像面上形成干涉，完全满足光束频率相同、光束相位差与波长成一个定比以及光束的振动方向相同或相反的白光偏振干涉仪的技术要求；
2、本发明所用器件少、结构紧凑，安装精度要求低，其产品体积小、重量轻、通光效率高，尤其适合遥感设备。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中标号：11第一反射式闪耀光栅，10偏振分光镜，12第二反射式闪耀光栅，2半波片，30普罗棱镜，31反射镜，4偏振片，5成像光学系统，6干涉图样接收面。
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件是针对平行的入射光束在干涉图样接收面6上获得干涉图样；设置干涉元件的结构形式为：由第一反射式闪耀光栅11、偏振分光镜10和第二反射式闪耀光栅12构成干涉单元。
平行的入射光束经偏振分光镜10分束为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，分别是反射形成的第一光束和透射形成的第二光束。
第一光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜10的反射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第一光束第一次出射光；第二光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜10的透射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第二光束第一次出射光。
第一光束第一次出射光和第二光束第一次出射光分别通过半波片2后在普罗棱镜30中形成沿着与入射光束垂直的方向投向偏振分光镜10的反射光束；反射光束再次经偏振分光镜10进入干涉单元，在经干涉单元的再次作用之后，通过干涉单元中的偏振分光镜10输出四束平行光束；四束平行光束分别是：由第一光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第一出射光和第二出射光；由第二光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第三出射光和第四出射光；四束平行光束分别经反射镜31的反射，并分别依次经偏振片4和成像光学系统5投射到干涉图样接收面6上，形成干涉图样。
图1所示，本实施例中干涉单元的作用原理为：第一光束依次经第二反射式闪耀光栅12、第一反射式闪耀光栅11以及偏振分光镜10的反射后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第一光束第一次出射光；第二光束依次经第一反射式闪耀光栅11和第二反射式闪耀光栅12的反射，再经偏振分光镜10的透射之后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第二光束第一次出射光。
由前置光学系统形成的平行的入射光束由偏振分光镜10分束为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，即第一光束和第二光束；其中，第一光束依次到达第二反射式闪耀光栅12和第一反射式闪耀光栅11；由于闪耀光栅的闪耀作用，第一光束在第一反射式闪耀光栅11上的入射角和出射角并不相等，在第二反射式闪耀光栅12上的入射角和出射角也不相等，第一光束经两次闪耀光栅的偏置，再经偏振分光镜10的反射形成第一光束第一次出射光。同样，第二光束依次到达第一反射式闪耀光栅11和第二反射式闪耀光栅12；在第二反射式闪耀光栅12上的入射角和出射角不相等，在第一反射式闪耀光栅11上的入射角和出射角也不相等，经两次闪耀光栅的偏置，再经偏振分光镜10的反射形成第二光束第一次出射光。
第一光束第一次出射光和第二光束第一次出射光经过半波片2后偏振方向沿相同的方向旋转45°，再经过普罗棱镜反射后返回干涉单元中，再次经过干涉单元的作用，形成四束相互平行的偏振光；干涉单元的两次作用过程相同，使得第一出射光与第四出射光的偏振方向相同，第二出射光与第三出射光的偏振方向相同；
具体实施中，相应的结构设置也包括：
为了保证四束平行光束的偏振方向相同，设置第一光束在第一反射式闪耀光栅11上的入射角为22.5°，第二光束在第二反射式闪耀光栅12上的入射角为22.5°，以此保证在第一光束第一次出射光和第二光束第一次出射光之间存在一定的距离，从而满足干涉条件，形成干涉条纹；设置半波片2的快轴与入射光束的前进方向成22.5°夹角，以使光束通过半波片2之后偏振方向旋转45°；设置偏振片4的透光轴与四束平行光束都成45°夹角，四束平行光束分别经反射镜31的反射后，在偏振片4中转变为偏振方向相一致，再通过成像光学系统5，在干涉图样接收面6上获得干涉图样，通过对于干涉图样的相应的处理即可获得由前置光学系统形成的平行入射光束的偏振态信息；设置普罗棱镜30与入射光束的前进方向成45°夹角，以使反射光束在返回干涉单元时与普罗棱镜30的入射光束旋转45°，以此形成四束间距相等的偏振光。
关于第一反射式闪耀光栅11和第二反射式闪耀光栅12的闪耀方向的设置，令：
第一光束在第一反射式闪耀光栅11上的入射角为a1，出射角为a2；
第一光束在第二反射式闪耀光栅12上的入射角为b1，出射角为b2；
第二光束在第二反射式闪耀光栅12上的入射角为c1，出射角为c2；
第二光束在第一反射式闪耀光栅11上的入射角为d1，出射角为d2；
并令：a＝a2-a1，b＝b2-b1，c＝c2-c1，d＝d2-d1
设置第一反射式闪耀光栅11和第二反射式闪耀光栅12的闪耀方向，使得在a、b、c和d之间存在关系：a＝b＝(-c)＝(-d)。
设置a＝b，使得第一光束在经两次闪耀光栅之后所产生的闪耀角相互抵消，并使光束位置发生偏移；同样，设置c＝d，第二光束在经两次闪耀光栅之后所产生的闪耀角相互抵消，并使光束位置发生偏移，设置a＝b＝(-c)＝(-d)，则两次偏移方向相反，从而使同一束入射光形成的两束出射光之间产生一个距离。
本实施例中第一反射式闪耀光栅11和第二反射式闪耀光栅12为一级衍射效率不低于80％的相同器件，相同器件是指两光栅之间具有相同的刻线数、相同的闪耀角和相同的一级衍射效率，更优的选择是两光栅由同一片母栅复制得到。这样可保证同一束入射光形成的两束出射光相互平行且出射时两光束产生的偏移量相同，一级衍射效率不低于80％是为获得较高的衍射效率，保证干涉条纹的亮度。
设置偏振分光镜10对于P光具有不低于85％的反射效率；对于S光具有不低于85％的透射效率，以此获得较高的分光效率，保证干涉条纹的亮度。
设置干涉图样接收面6是处在成像光学系统5的焦平面上；以便形成稳定清晰的干涉条纹，并由CCD或者其它感光元件接收。
本发明可实现成像式宽光谱偏振干涉，为宽光谱如可见光波段场景偏振分量获取提供光学结构支持，主要应用于宽频段偏振干涉成像。

Claims (7)

1.一种基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，所述干涉元件是针对平行的入射光束在干涉图样接收面(6)上获得干涉图样；其特征是：设置所述干涉元件的结构形式为：由第一反射式闪耀光栅(11)、偏振分光镜(10)和第二反射式闪耀光栅(12)构成干涉单元；
平行的入射光束经偏振分光镜(10)分束为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，分别是反射形成的第一光束和透射形成的第二光束；
所述第一光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜(10)的反射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第一光束第一次出射光；所述第二光束在干涉单元的作用下经偏振分光镜(10)的透射形成沿着与入射光束相互垂直的方向传播的第二光束第一次出射光；
所述第一光束第一次出射光和第二光束第一次出射光分别通过半波片(2)后在普罗棱镜(30)中形成沿着与入射光束垂直的方向投向偏振分光镜(10)的反射光束；所述反射光束再次经偏振分光镜(10)进入干涉单元，在经所述干涉单元的再次作用之后，通过干涉单元中的偏振分光镜(10)输出四束平行光束；所述四束平行光束分别是：由第一光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第一出射光和第二出射光；由第二光束第一次出射光经干涉单元形成的偏振方向相互垂直的第三出射光和第四出射光；所述四束平行光束分别经反射镜(31)的反射，并分别依次经偏振片(4)和成像光学系统(5)投射到干涉图样接收面(6)上，形成干涉图样。
2.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac 干涉元件，其特征是：所述第一光束依次经第二反射式闪耀光栅(12)、第一反射式闪耀光栅(11)以及偏振分光镜(10)的反射后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第一光束第一次出射光；所述第二光束依次经第一反射式闪耀光栅(11)和第二反射式闪耀光栅(12)的反射，再经偏振分光镜(10)的透射之后沿着与入射光束相互垂直的方向传播形成第二光束第一次出射光。
3.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是：设置所述第一光束在第一反射式闪耀光栅(11)上的入射角为22.5°；第二光束在第二反射式闪耀光栅(12)上的入射角为22.5°；设置半波片(2)的快轴与入射光束的前进方向成22.5°夹角；设置偏振片(4)的透光轴与四束平行光束都成45°夹角；设置普罗棱镜(30)与入射光束的前进方向成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是：令：
第一光束在所述第一反射式闪耀光栅(11)上的入射角为a1，出射角为a2；
第一光束在所述第二反射式闪耀光栅(12)上的入射角为b1，出射角为b2；
第二光束在所述第二反射式闪耀光栅(12)上的入射角为c1，出射角为c2；
第二光束在所述第一反射式闪耀光栅(11)上的入射角为d1，出射角为d2；
并令：a＝a2-a1，b＝b2-b1，c＝c2-c1，d＝d2-d1
设置第一反射式闪耀光栅(11)和第二反射式闪耀光栅(12)的闪耀方向，使得在a、b、c和d之间存在关系：a＝b＝(-c)＝(-d)。
5.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是：设置所述第一反射式闪耀光栅(11)和第二反射式闪耀光栅(12)为一级衍射效率不低于80％的相同器件。
6.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是：设置偏振分光镜(10)对于P光具有不低于85％的反射效率；对于S光具有不低于85％的透射效率。
7.根据权利要求1所述的基于折返光路的反射式Sagnac干涉元件，其特征是：设置干涉图样接收面(6)是处在所述成像光学系统(5)的焦平面上。
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