CN105783706A - 一种基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是由两级结构相同的透射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式进行布局，并以半波片相连；其中，前一级透射式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透射式Sagnac干涉单元的输入，后一级透射式Sagnac干涉单元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。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪结构。
背景技术
干涉仪是基于光的干涉原理，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、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。在干涉仪的光路中，大多采用反射、折射和衍射的形式来实现光的分离、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至关重要；在传统干涉仪中，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。
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、非单色性都不是常数，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，限制的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。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于透射式闪耀光栅的双体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。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件的结构特点是：由两级结构相同的透射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式进行布局，并以半波片相连；所述两级结构相同的透射式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平面反射镜、第二平面反射镜、第一透射式闪耀光栅、第二透射式闪耀光栅以及第一偏振分光镜构成；所述二级干涉单元是由第三平面反射镜、第四平面反射镜、第三透射式闪耀光栅、第四透射式闪耀光栅以及第二偏振分光镜构成；
平行的入射光束通过第一偏振分光镜进入一级干涉单元，所述一级干涉单元在第一偏振分光镜中的出射光经半波片旋转45°偏振方向后通过第二偏振分光镜进入二级干涉单元，所述二级干涉单元在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。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：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透射式闪耀光栅的透射、第一平面反射镜的反射、第二平面反射镜的反射、第二透射式闪耀光栅的透射，再经第一偏振分光镜的反射后沿着与入射方向相互垂直的方向出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透射式闪耀光栅的透射、第二平面反射镜的反射、第一平面反射镜的反射、第一透射式闪耀光栅的透射，再经第一偏振分光镜的透射后沿着与入射方向相互垂直的方向出射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的偏振方向相同；所述四束出射光束分布于一个正方形的四个顶点上。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：所述一级干涉单元中的第一偏振分光镜设置为与入射光束成45°夹角；在所述第一平面反射镜与第二平面反射镜之间成45°夹角，并且分别与所述第一偏振分光镜成22.5°夹角；所述二级干涉单元和一级干涉单元具有相同的结构；所述半波片的快轴设置为与入射光束的前进方向成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。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：以同时垂直于入射光束和第一偏振分光镜的法线方向为轴线P，设置第一透射式闪耀光栅和第二透射式闪耀光栅的闪耀方向同为以轴线P为轴的顺时针或者逆时针方向。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：所述第一透射式闪耀光栅、第二透射式闪耀光栅、第三透射式闪耀光栅和第四透射式闪耀光栅为相同器件。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：所述干涉成像面是处在所述成像光学系统的焦平面上。
本发明基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪的结构特点也在于：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。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明是用同一束光作为光源，利用由偏振分光镜、闪耀光栅和反射镜组成的双体Sagnac干涉结构，将入射光束分成沿四个不同方向振动的光束，并利用偏振片进行检偏，最终经过成像系统成像，其光束频率相同、光束相位差与波长成一个定比，并且光束的振动方向相同或相反，完全满足白光偏振干涉仪的要求。
2、本发明结构简单紧凑，装配过程简捷，安装精度要求低，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明光路结构示意图；
图2为本发明光路原理示意图；
图3为本发明中一级透射式Sagnac干涉单元光路原理示意图；
图中标号：11第一平面反射镜，12第一透射式闪耀光栅，13第一偏振分光镜，14第二透射式闪耀光栅，15第二平面反射镜，2半波片，31第三平面反射镜，32第三透射式闪耀光栅，33第二偏振分光镜，34第四透射式闪耀光栅，35第四平面反射镜，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、图2和图3，本实施例中基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件的结构形式是：
由两级结构相同的透射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式进行布局，并以半波片2相连；两级结构相同的透射式Sagnac干涉单元分别是一级干涉单元和二级干涉单元。一级干涉单元是由第一平面反射镜11、第二平面反射镜15、第一透射式闪耀光栅12、第二透射式闪耀光栅14以及第一偏振分光镜13构成。二级干涉单元是由第三平面反射镜31、第四平面反射镜35、第三透射式闪耀光栅32、第四透射式闪耀光栅34以及第二偏振分光镜33构成。
平行的入射光束通过第一偏振分光镜13进入一级干涉单元，一级干涉单元在第一偏振分光镜13中的出射光经半波片2旋转45°偏振方向后通过第二偏振分光镜33进入二级干涉单元，二级干涉单元在第二偏振分光镜33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。
本实施例一级干涉单元中，平行的入射光束经第一偏振分光镜13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透射式闪耀光栅12的透射、第一平面反射镜11的反射、第二平面反射镜15的反射、第二透射式闪耀光栅14的透射，再经第一偏振分光镜13的反射后沿着与入射方向相互垂直的方向出射形成第一光束第一次出射光A11。第二光束依次经第二透射式闪耀光栅14的透射、第二平面反射镜15的反射、第一平面反射镜11的反射、第一透射式闪耀光栅12的透射，再经第一偏振分光镜13的透射后沿着与入射方向相互垂直的方向出射形成第二光束第一次出射光A12。
由于闪耀光栅的闪耀作用，第一光束在透过第一透射式闪耀光栅12后会产生一个偏角，在透过第二透射式闪耀光栅14之后，该偏角被抵消；由于两次偏折中间有一定的距离，该距离使第一光束第一次出射光A11在第一偏振分光镜13上出射时，其中心位置相对于入射光束有一个偏置距离；同样的，第二光束也会沿相反的方向以同样的方式产生一个偏置距离；并且两次偏置的方向相反，因此所得到的第一光束第一次出射光A11和第二光束第一次出射光A12之间会有一个固定的间距。
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的偏振方向相同；所述四束出射光束分布于一个正方形的四个顶点上。
具体实施中，一级干涉单元中的第一偏振分光镜13设置为与入射光束成45°夹角；第一平面反射镜11与第二平面反射镜15之间成45°夹角，并且分别与第一偏振分光镜13成22.5°夹角。以此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。
为保证产生的四束出射光束分布于一个正方形的四个顶点上，二级干涉单元和一级干涉单元具有相同的结构；半波片2的快轴设置为与入射光束的前进方向成22.5°夹角；以此保证光束在二级干涉单元中分光比例更接近1:1，进而保证干涉条纹的亮度。为保证四束光在经过偏振片4的检偏后偏振方向变为同一方向，且光强透过率相同。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。
为了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之间有一个固定的间距，具体是以同时垂直于入射光束和第一偏振分光镜13的法线方向为轴线P，设置第一透射式闪耀光栅12和第二透射式闪耀光栅14的闪耀方向同为以轴线P为轴的顺时针或者逆时针方向。
本实施例中，第一透射式闪耀光栅12、第二透射式闪耀光栅14、第三透射式闪耀光栅32和第四透射式闪耀光栅34为相同器件。相同器件是指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，更优的选择是光栅由同一片母栅复制获得，这样可保证二级干涉单元中的四束出射光束中非相邻光束偏振方向相互垂直，四束出射光束分布在一个正方形的四个顶点上，且四束出射光束相互平行。
将干涉成像面6设置在成像光学系统5的焦平面上，可以在干涉成像面上形成稳定清晰的干涉条纹，后续由CCD或者其它感光元件接收。
设置第一偏振分光镜13和第二偏振分光镜33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。
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)
1.一种基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是：
由两级结构相同的透射式Sagnac干涉单元按相互垂直的方式进行布局，并以半波片(2)相连；所述两级结构相同的透射式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平面反射镜(11)、第二平面反射镜(15)、第一透射式闪耀光栅(12)、第二透射式闪耀光栅(14)以及第一偏振分光镜(13)构成；
所述二级干涉单元是由第三平面反射镜(31)、第四平面反射镜(35)、第三透射式闪耀光栅(32)、第四透射式闪耀光栅(34)以及第二偏振分光镜(33)构成；
平行的入射光束通过第一偏振分光镜(13)进入一级干涉单元，所述一级干涉单元在第一偏振分光镜(13)中的出射光经半波片(2)旋转45°偏振方向后通过第二偏振分光镜(33)进入二级干涉单元，所述二级干涉单元在第二偏振分光镜(33)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所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是：
在所述一级干涉单元中，平行的入射光束经第一偏振分光镜(13)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透射式闪耀光栅(12)的透射、第一平面反射镜(11)的反射、第二平面反射镜(15)的反射、第二透射式闪耀光栅(14)的透射，再经第一偏振分光镜(13)的反射后沿着与入射方向相互垂直的方向出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透射式闪耀光栅(14)的透射、第二平面反射镜(15)的反射、第一平面反射镜(11)的反射、第一透射式闪耀光栅(12)的透射，再经第一偏振分光镜(13)的透射后沿着与入射方向相互垂直的方向出射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的偏振方向相同；所述四束出射光束分布于一个正方形的四个顶点上。
3.根据权利要求1所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是：所述一级干涉单元中的第一偏振分光镜(13)设置为与入射光束成45°夹角；在所述第一平面反射镜(11)与第二平面反射镜(15)之间成45°夹角，并且分别与所述第一偏振分光镜(13)成22.5°夹角；所述二级干涉单元和一级干涉单元具有相同的结构；所述半波片(2)的快轴设置为与入射光束的前进方向成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1所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是：以同时垂直于入射光束和第一偏振分光镜(13)的法线方向为轴线P，设置第一透射式闪耀光栅(12)和第二透射式闪耀光栅(14)的闪耀方向同为以轴线P为轴的顺时针或者逆时针方向。
5.根据权利要求1所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉元件，其特征是：所述第一透射式闪耀光栅(12)、第二透射式闪耀光栅(14)、第三透射式闪耀光栅(32)和第四透射式闪耀光栅(34)为相同器件。
6.根据权利要求1所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪，其特征是：所述干涉成像面(6)是处在所述成像光学系统(5)的焦平面上。
7.根据权利要求1所述的基于透射式闪耀光栅的双体Sagnac干涉仪，其特征是：所述第一偏振分光镜(13)和第二偏振分光镜(33)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。
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