CN105739115A - 一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件 - Google Patents

一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式布局，并以半波片相连，前一级反射式Sagnac干涉单元的输出经过半波片改变偏振方向后作为后一级反射式Sagnac干涉单元的输入，后一级反射式Sagnac干涉单元的输出经偏振片极化和成像透镜系统后在干涉成像面上形成干涉。本发明可以实现宽光谱偏振干涉，能满足白光偏振干涉仪的要求，其体积小、重量轻，尤其适于应用在遥感设备中。

Description

一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件
技术领域
本发明涉及一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件。
背景技术
干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种仪器。来自同一个光源的不同光束，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。在光谱学中、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。干涉仪光路中大多采用反射、折射、衍射来实现光的分离、偏折和汇聚。
由于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非常重要；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，所以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。
由于实际应用的需要，比如遥感应用中，需要一种以白光，即波长为380-760nm的可见光为光源的干涉仪，绝大部分白光最初光源来自太阳，所以光源的振幅比、大小、非单色性都是非常数，因此，设计白光干涉仪必须尽量使振幅比为1，光源较小，缩紧频谱宽度，但同时，光源大小会影响遥感等设备的成像质量和范围，频谱宽度必须满足可见光范围，能在满足非限定白光光源情况下使用的干涉结构必须满足三个要求：一是干涉仪中光束频率必须相同；二是干涉仪中光束相位差必须与波长成一个定比；三是干涉仪中光束的振动方向必须相同或相反。由于遥感设备一般要求适用于星载、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、越轻、通光效率越高越适合。迄今为满足相关要求的技术方案未有公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，以期满足白光偏振干涉仪的要求，采用尽量少的光学元件以减小产品的体积和重量，保证通光效率，从而适合应该在遥感设备中。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点是：设置所述干涉元件的结构形式为：
两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式布局，并以半波片相连，所述两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元分别是一级干涉单元和二级干涉单元；
所述一级干涉单元是由第一反射式闪耀光栅、第二反射式闪耀光栅和第一偏振分光镜构成的竖直平面中的干涉单元；
所述二级干涉单元是由第三反射式闪耀光栅、第四反射式闪耀光栅和第二偏振分光镜构成的水平面中的干涉单元；
平行的入射光束A通过第一偏振分光镜进入一级干涉单元，一级干涉单元在所述第一偏振分光镜中的出射光经半波片改变偏振方向后通过第二偏振分光镜进入二级干涉单元，二级干涉单元在所述第二偏振分光镜中的出射光在偏振片中极化，再通过透镜系统成像在干涉成像面上形成干涉图样。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：
在所述一级干涉单元中，平行的入射光束A经第一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；
所述第一光束依次经第一反射式闪耀光栅和第二反射式闪耀光栅反射后沿着与入射光束相反的方向入射到第一偏振分光镜上，并在第一偏振分光镜上反射形成第一光束第一次出射光A11；所述第二光束依次经第二反射式闪耀光栅和第一反射式闪耀光栅反射后透过第一偏振分光镜，形成第二光束第一次出射光A12；
所述第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12透过半波片并将偏振方向旋转45°后入射到二级干涉单元中，并在所述二级干涉单元中经过与一级干涉单元相同的作用形式后，形成四束出射光束；所述四束出射光束分别是由第一光束第一次出射光A11形成的偏振方向相互垂直的第一出射光B11和第二出射光B12，以及由第二光束第一次出射光A12形成的偏振方向相互垂直的第三出射光B21和第四出射光B22；并且第一出射光B11与第三出射光B21偏振方向相同。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：在所述一级干涉单元中，第一偏振分光镜与入射光束A成45°夹角；所述第一光束在所述第一反射式闪耀光栅上的入射角为22.5°；所述第二光束在所述第二反射式闪耀光栅上的入射角为22.5°，所述二级干涉单元具有与所述一级干涉单元相同的结构形式；所述半波片的快轴设置为与入射光束A的前进方向成22.5°夹角；所述偏振片设置为其透光轴与其入射的偏振方向相互垂直的线偏振光的偏振方向均成45°夹角。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：
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；
并有：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之间存在关系式：a＝b＝(-c)＝(-d)。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述第一反射式闪耀光栅和第二反射式闪耀光栅第三反射式闪耀光栅和第四反射式闪耀光栅为相同器件，并且一级衍射效率不低于80％。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述第一偏振分光镜和第二偏振分光镜对于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。
本发明基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述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、本发明采用同一束光作为光源，利用偏振分光镜、闪耀光栅组成的简化双体Sagnac干涉仪结构，将入射光束分成沿四个不同方向振动的光束，并利用偏振片检偏，最终经过成像系统后在干涉成像面上形成干涉，充分满足白光偏振干涉仪的要求，包括：干涉仪中光束频率相同；干涉仪中光束相位差与波长成一个定比；以及干涉仪中光束的振动方向相同或相反。
2、本发明通过结构上的简化，使产品体积小、重量轻，并能保证通光效率，适合遥感设备的具体要求。
3、本发明结构简单紧凑，对于设备的安装精度要求低，通过用性好。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图；
图2为本发明俯视结构示意图；
图3为本发明中一级干涉单元光路结构示意图；
图4为本发明中二级干涉单元光路结构示意图；
图5为本发明总体结构形式示意图；
图中标号：10第一反射式闪耀光栅，11第一偏振分光镜，12第二反射式闪耀光栅，2半波片，30第三反射式闪耀光栅，31第二偏振分光镜，32第四反射式闪耀光栅，4偏振片，5透镜系统成像，6干涉成像面。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件的结构形式为：
两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式布局，并以半波片2相连，两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元分别是一级干涉单元和二级干涉单元。
图3所示，一级干涉单元是由第一反射式闪耀光栅10、第二反射式闪耀光栅12和第一偏振分光镜11构成的竖直平面中的干涉单元。
图4所示，二级干涉单元是由第三反射式闪耀光栅30、第四反射式闪耀光栅32和第二偏振分光镜31构成的水平面中的干涉单元。
图5所示，平行的入射光束A通过第一偏振分光镜11进入一级干涉单元，一级干涉单元在第一偏振分光镜11中的出射光经半波片2改变偏振方向后通过第二偏振分光镜31进入二级干涉单元，二级干涉单元在第二偏振分光镜31中的出射光在偏振片4中极化，再通过透镜系统成像5在干涉成像面6上形成干涉图样。
本实施例中，相应的结构设置和工作原理分别是：
如图3所示，在一级干涉单元中，平行的入射光束A经第一偏振分光镜11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；第一光束依次经第一反射式闪耀光栅10和第二反射式闪耀光栅12反射后沿着与入射光束相反的方向入射到第一偏振分光镜11上，并在第一偏振分光镜11上反射形成第一光束第一次出射光A11；第二光束依次经第二反射式闪耀光栅12和第一反射式闪耀光栅10反射后透过第一偏振分光镜11，形成第二光束第一次出射光A12。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31上的入射角和出射角也不相等，第二光束在第二反射式闪耀光栅31上的入射角和出射角并不相等，在第一反射式闪耀光栅11上的入射角和出射角也不相等，第一光束和第二光束经两次闪耀光栅的偏置，导致第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12出射时相互间产生一定的偏移且偏振方向相处垂直。
如图4所示，第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12透过半波片2并将偏振方向旋转45°后入射到二级干涉单元中，并在所述二级干涉单元中经过与一级干涉单元相同的作用形式后，形成四束出射光束；四束出射光束分别是由第一光束第一次出射光A11形成的偏振方向相互垂直的第一出射光B11和第二出射光B12，以及由第二光束第一次出射光A12形成的偏振方向相互垂直的第三出射光B21和第四出射光B22；并且第一出射光B11与第三出射光B21偏振方向相同。
由于一级干涉单元和二级干涉单元具有相同的结构且二者相互垂直，导致第一出射光B11、第二出射光B12、第三出射光B21和第四出射光B22四束光分布在一个正方形的四个顶点上，且第一出射光B11和第三出射光B21的偏振方向相同，同时与另外两束出射光偏振方向相互垂直；第一出射光B11、第二出射光B12、第三出射光B21和第四出射光B22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，即可在干涉图样接收面6上获得干涉条纹。
为保证第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12出射时相互间产生一定的偏移且偏振方向相处垂直，在一级干涉单元中，第一偏振分光镜11与入射光束A成45°夹角；第一光束在第一反射式闪耀光栅10上的入射角为22.5°；第二光束在所述第二反射式闪耀光栅12上的入射角为22.5°。二级干涉单元具有与一级干涉单元1相同的结构形式；半波片2的快轴设置为与入射光束A的前进方向成22.5°夹角，以此保证光束在二级干涉单元中的分光比例更接近1:1，进而保证干涉条纹的亮度。偏振片4设置为其透光轴与其入射的偏振方向相互垂直的线偏振光的偏振方向均成45°夹角。
令：
第一光束在所述第一反射式闪耀光栅10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10上的入射角为d1、出射角为d2；
并有：a＝a2-a1，b＝b2-b1，c＝c2-c1，d＝d2-d1；设置第一反射式闪耀光栅10和第二反射式闪耀光栅12的闪耀方向，使得在a、b、c和d之间存在关系式：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使得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，从而使得在第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12之间形成一个距离。
第一反射式闪耀光栅10、第二反射式闪耀光栅12、第三反射式闪耀光栅30和第四反射式闪耀光栅32均为相同器件，并且一级衍射效率不低于80％；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。这样可保证二级干涉单元中出射的四束光中非相邻光束偏振方向相处垂直，四束光分布在一个正方形的四个顶点上，且四束光相互平行。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。
第一偏振分光镜11和第二偏振分光镜31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。
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)

1.一种基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：设置所述干涉元件的结构形式为：
两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式布局，并以半波片(2)相连，所述两级结构相同的反射式Sagnac干涉单元分别是一级干涉单元和二级干涉单元；
所述一级干涉单元是由第一反射式闪耀光栅(10)、第二反射式闪耀光栅(12)和第一偏振分光镜(11)构成的竖直平面中的干涉单元；
所述二级干涉单元是由第三反射式闪耀光栅(30)、第四反射式闪耀光栅(32)和第二偏振分光镜(31)构成的水平面中的干涉单元；
平行的入射光束A通过第一偏振分光镜(11)进入一级干涉单元，一级干涉单元在所述第一偏振分光镜(11)中的出射光经半波片(2)改变偏振方向后通过第二偏振分光镜(31)进入二级干涉单元，二级干涉单元在所述第二偏振分光镜(31)中的出射光在偏振片(4)中极化，再通过透镜系统成像(5)在干涉成像面(6)上形成干涉图样。
2.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：
在所述一级干涉单元中，平行的入射光束A经第一偏振分光镜(11)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；
所述第一光束依次经第一反射式闪耀光栅(10)和第二反射式闪耀光栅(12)反射后沿着与入射光束相反的方向入射到第一偏振分光镜(11)上，并在第一偏振分光镜(11)上反射形成第一光束第一次出射光A11；
所述第二光束依次经第二反射式闪耀光栅(12)和第一反射式闪耀光栅(10)反射后透过第一偏振分光镜(11)，形成第二光束第一次出射光A12；
所述第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12透过半波片(2)并将偏振方向旋转45°后入射到二级干涉单元中，并在所述二级干涉单元中经过与一级干涉单元相同的作用形式后，形成四束出射光束；所述四束出射光束分别是由第一光束第一次出射光A11形成的偏振方向相互垂直的第一出射光B11和第二出射光B12，以及由第二光束第一次出射光A12形成的偏振方向相互垂直的第三出射光B21和第四出射光B22；并且第一出射光B11与第三出射光B21偏振方向相同。
3.根据权利要求2所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：在所述一级干涉单元中，第一偏振分光镜(11)与入射光束A成45°夹角；所述第一光束在所述第一反射式闪耀光栅(10)上的入射角为22.5°；所述第二光束在所述第二反射式闪耀光栅(12)上的入射角为22.5°，所述二级干涉单元具有与所述一级干涉单元相同的结构形式；所述半波片(2)的快轴设置为与入射光束A的前进方向成22.5°夹角；所述偏振片(4)设置为其透光轴与其入射的偏振方向相互垂直的线偏振光的偏振方向均成45°夹角。
4.根据权利要求2所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：
第一光束在所述第一反射式闪耀光栅(10)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(10)上的入射角为d1、出射角为d2；
并有：a＝a2-a1，b＝b2-b1，c＝c2-c1，d＝d2-d1；设置第一反射式闪耀光栅(10)和第二反射式闪耀光栅(12)的闪耀方向，使得在a、b、c和d之间存在关系式：a＝b＝(-c)＝(-d)。
5.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：所述第一反射式闪耀光栅(10)和第二反射式闪耀光栅(12)第三反射式闪耀光栅(30)和第四反射式闪耀光栅(32)为相同器件，并且一级衍射效率不低于80％。
6.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：所述第一偏振分光镜(11)和第二偏振分光镜(31)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所述的基于反射式闪耀光栅的简化双体Sagnac干涉元件，其特征是：所述干涉图样接收面(6)是处在所述成像光学系统(5)的焦平面上。
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