CN106052551B - 一种基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：平行入射光束经偏振分光镜分为P光和S光，P光依次经第四平面反射镜、第三平面反射镜、第二平面反射镜、第一反射式闪耀光栅、第一平面反射镜、第八平面反射镜、第二反射式闪耀光栅、第七平面反射镜、第六平面反射镜、第五平面反射镜反射后到达偏振分光镜，S光沿与P光相反的顺序依次经各器件反射后到达偏振分光镜；P光在偏振分光镜上反射，S光在偏振分光镜上透射，两束光依次透过偏振片和成像光学系统后投射到干涉图样接收面上形成干涉条纹。本发明可以实现宽光谱偏振干涉。

Description

一种基于反射式闪耀光栅的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反射式Sagnac干涉元件。
背景技术
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。
如在遥感应用等的实际应用中，需要一种以白光即波长为380-760nm的可见光为光源的干涉仪，绝大部分白光的最初光源来自太阳，其振幅比、大小、非单色性都不是常数，因此在设计白光干涉仪时需要尽量使振幅比为1、光源大小较小，以及缩紧频谱宽度。但同时，光源的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，都并非是无条件限制。因此，需要一种干涉结构使其能在满足非限定白光光源情况下使用，满足以下三个要求：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；迄今未见相关技术方案的公开报导。
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Sagnac干涉元件，以期能完全满足白光偏振干涉仪的要求，为遥感应用等场合提供保障。
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Sagnac干涉元件的结构特点是：所述干涉元件是针对平行的入射光束a1在干涉成像面上获得干涉图样，设置所述干涉元件的结构形式是：
平行的入射光束a1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a11和透射形成的第二光束a12；
所述第一光束a11依次经第四平面反射镜、第三平面反射镜、第二平面反射镜、第一反射式闪耀光栅、第一平面反射镜、第八平面反射镜、第二反射式闪耀光栅、第七平面反射镜、第六平面反射镜和第五平面反射镜的反射后，沿着与入射光束a1相反的方向入射到偏振分光镜上，并在偏振分光镜上反射后依次经偏振片和成像光学系统投射到干涉成像面上；
所述第二光束a12依次经第五平面反射镜、第六平面反射镜、第七平面反射镜、第二反射式闪耀光栅、第八平面反射镜、第一平面反射镜、第一反射式闪耀光栅、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜反射后，沿着与入射光束a1垂直的方向入射到偏振分光镜上，并在偏振分光镜上透射后依次经偏振片和成像光学系统投射到干涉成像面上。
本发明基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件的结构特点也在于：
所述偏振分光镜设置为与入射光束a1成45°夹角；处在偏振分光镜的反射光出射一侧的第三平面反射镜和第四平面反射镜是与所述偏振分光镜相互垂直；处在偏振分光镜的反射光出射一侧的第二平面反射镜和第一反射式闪耀光栅是与所述偏振分光镜相互平行；处在偏振分光镜的透射光出射一侧的第五平面反射镜和第六平面反射镜是与所述偏振分光镜相互垂直；处在偏振分光镜的透射光出射一侧的第七平面反射镜和第二反射式闪耀光栅是与所述偏振分光镜相互平行；所述第一平面反射镜和第八平面反射镜相互之间成45°夹角，并且分别与偏振分光镜成22.5°夹角。
本发明基于反射式闪耀光栅的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的闪耀方向相反。
本发明基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述偏振片中入射的两束线偏振光的偏振方向相互垂直，所述偏振片的透光轴与所述两束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为相同器件；所述第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第七平面反射镜以及第八平面反射镜均相同器件。
本发明基于反射式闪耀光栅的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的一级衍射效率不低于80％。
本发明基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述偏振分光镜对于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Sagnac干涉元件的结构特点也在于：所述干涉成像面是处在所述成像光学系统的焦平面上。
本发明采用同一束光作为光源，利用由偏振分光镜、平面反射镜、闪耀光栅组成的反射式Sagnac干涉仪结构，将入射光束分成振动方向相互垂直的光束，并利用偏振片检偏，最终经过成像系统成像，完全满足白光偏振干涉仪的要求；与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明中白光光源中的光束频率必须相同；光束相位差与波长成一个定比；光束的振动方向相同或相反。
2、本发明结构简单紧凑，对于安装精度要求低，干涉效果好。
附图说明
图1为本发明光路原理图；
图中标号：11第一平面反射镜，12第二平面反射镜，13第三平面反射镜，14第四平面反射镜，15第五平面反射镜，16第六平面反射镜，17第七平面反射镜，18第八平面反射镜，21第一反射式闪耀光栅，22第二反射式闪耀光栅，2偏振片，3成像透镜系统，4干涉成像面，5偏振分光镜。
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件是针对平行的入射光束a1在干涉成像面4上获得干涉图样，设置干涉元件的结构形式是：
由前置光学系统形成的平行的入射光束a1经偏振分光镜5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a11和透射形成的第二光束a12。
第一光束a11依次经第四平面反射镜14、第三平面反射镜13、第二平面反射镜12、第一反射式闪耀光栅21、第一平面反射镜11、第八平面反射镜18、第二反射式闪耀光栅22、第七平面反射镜17、第六平面反射镜16和第五平面反射镜15的反射后，沿着与入射光束a1相反的方向入射到偏振分光镜5上，并在偏振分光镜5上反射后依次经偏振片2和成像光学系统3投射到干涉成像面4上；第二光束a12依次经第五平面反射镜15、第六平面反射镜16、第七平面反射镜17、第二反射式闪耀光栅22、第八平面反射镜18、第一平面反射镜11、第一反射式闪耀光栅21、第二平面反射镜12、第三平面反射镜13、第四平面反射镜14反射后，沿着与入射光束a1垂直的方向入射到偏振分光镜5上，并在偏振分光镜5上透射后依次经偏振片2和成像光学系统3投射到干涉成像面4上，为了在干涉成像面4上形成稳定清晰的干涉条纹，并由CCD或者其它感光元件所述接收，将图样接收面4设置在成像光学系统3的焦平面上。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
偏振分光镜5设置为与入射光束a1成45°夹角；处在偏振分光镜5的反射光出射一侧的第三平面反射镜13和第四平面反射镜14是与偏振分光镜5相互垂直；处在偏振分光镜5的反射光出射一侧的第二平面反射镜12和第一反射式闪耀光栅21是与偏振分光镜5相互平行；处在偏振分光镜5的透射光出射一侧的第五平面反射镜15和第六平面反射镜16是与偏振分光镜5相互垂直；处在偏振分光镜5的透射光出射一侧的第七平面反射镜17和第二反射式闪耀光栅22是与偏振分光镜5相互平行。
第一平面反射镜11和第八平面反射镜18相互之间成45°夹角，并且分别与偏振分光镜5成22.5°夹角。以此保证第一光束和第二光束在偏振分光镜5中的出射光束相互之间存在一定的距离，从而满足干涉条件，形成干涉条纹。
第一反射式闪耀光栅21和第二反射式闪耀光栅22的闪耀方向相反，以此保证第一光束和第二光束在偏振分光镜5中的出射光束相互之间存在一定的距离并且相互平行，从而满足干涉条件，形成干涉条纹。
偏振片2中入射的两束线偏振光的偏振方向相互垂直，偏振片2的透光轴与两束线偏振光的偏振方向均成45度°夹角，以此保证第一光束和第二光束在经偏振片2出射之后偏振方向变为同一方向。
具体实施中，第一反射式闪耀光栅21和第二反射式闪耀光栅22是一级衍射效率不低于80％的相同器件；这里所称的相同器件是指在两片反射式闪耀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。其一级衍射效率不低于80％是为获得较高的分光效率，保证干涉条纹的亮度。
第一平面反射镜11、第二平面反射镜12、第三平面反射镜13、第四平面反射镜14、第五平面反射镜15、第六平面反射镜16、第七平面反射镜17以及第八平面反射镜18均相同器件；这里所称的相同器件是指各反射镜具有相同的表面质量和相同的镀膜，可以由同一块反射镜通过分割制得，这样更能保证光在各个器件上的作用效果相同，有利于得到清晰的干涉条纹。
偏振分光镜5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。
将图样接收面4设置在成像光学系统3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。
工作原理：
第一光束a11依次经过第四平面反射镜14、第三平面反射镜13、第二平面反射镜12以及第一反射式闪耀光栅21反射后向某方向偏一个小角度；再经第一平面反射镜11、第八平面反射镜18反射后入射到第二反射式闪耀光栅22，由于第一反射式闪耀光栅21和第二反射式闪耀光栅22的闪耀方向相反，第一光束a11在经第二反射式闪耀光栅22反射后，其在第一反射式闪耀光栅21中产生的偏角即被抵消，再经第七平面反射镜17、第六平面反射镜16、第五平面反射镜15反射，随后按照与入射光束a11相反的方向投向偏振分光镜5，并经偏振分光镜5反射后形成与入射光束a1相互垂直的第一出射光束a21。
第二光束a12按照第一光束a11所经过的过各个器件的相反顺序依次在各器件反射，随后按照与入射光束a11垂直的方向投向偏振分光镜5，并在偏振分光镜5中透射形成与第一出射光束a21相互平行的第二出射光束a22。
第一出射光束a21和第二出射光束a22经过偏振片2后振动方向变为沿同一方向或者相反方向；再经成像透镜系统3后在干涉成像面4上获得第一出射光束a21和第二出射光束a22的干涉条纹，对所获得的干涉条纹经过相应的处理即可获得由前置光学系统形成的平行的入射光束a1的偏振态信息。
本发明尤其应用于宽频段偏振干涉成像，可实现成像式宽光谱偏振干涉，为宽光谱比如可见光波段场景偏振分量的获取提供光学结构支持。

Claims (8)

1.一种基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述干涉元件是针对平行的入射光束a1在干涉成像面(4)上获得干涉图样，设置所述干涉元件的结构形式是：
平行的入射光束a1经偏振分光镜(5)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a11和透射形成的第二光束a12；
所述第一光束a11依次经第四平面反射镜(14)、第三平面反射镜(13)、第二平面反射镜(12)、第一反射式闪耀光栅(21)、第一平面反射镜(11)、第八平面反射镜(18)、第二反射式闪耀光栅(22)、第七平面反射镜(17)、第六平面反射镜(16)和第五平面反射镜(15)的反射后，沿着与入射光束a1相反的方向入射到偏振分光镜(5)上，并在偏振分光镜(5)上反射后依次经偏振片(2)和成像光学系统(3)投射到干涉成像面(4)上；
所述第二光束a12依次经第五平面反射镜(15)、第六平面反射镜(16)、第七平面反射镜(17)、第二反射式闪耀光栅(22)、第八平面反射镜(18)、第一平面反射镜(11)、第一反射式闪耀光栅(21)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第四平面反射镜(14)反射后，沿着与入射光束a1垂直的方向入射到偏振分光镜(5)上，并在偏振分光镜(5)上透射后依次经偏振片(2)和成像光学系统(3)投射到干涉成像面(4)上。
2.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：
所述偏振分光镜(5)设置为与入射光束a1成45°夹角；
处在偏振分光镜(5)的反射光出射一侧的第三平面反射镜(13)和第四平面反射镜(14)是与所述偏振分光镜(5)相互垂直；
处在偏振分光镜(5)的反射光出射一侧的第二平面反射镜(12)和第一反射式闪耀光栅(21)是与所述偏振分光镜(5)相互平行；
处在偏振分光镜(5)的透射光出射一侧的第五平面反射镜(15)和第六平面反射镜(16)是与所述偏振分光镜(5)相互垂直；
处在偏振分光镜(5)的透射光出射一侧的第七平面反射镜(17)和第二反射式闪耀光栅(22)是与所述偏振分光镜(5)相互平行；
所述第一平面反射镜(11)和第八平面反射镜(18)相互之间成45°夹角，并且分别与偏振分光镜(5)成22.5°夹角。
3.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述第一反射式闪耀光栅(21)和第二反射式闪耀光栅(22)的闪耀方向相反。
4.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述偏振片(2)中入射的两束线偏振光的偏振方向相互垂直，所述偏振片(2)的透光轴与所述两束线偏振光的偏振方向均成45°夹角。
5.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：
所述第一反射式闪耀光栅(21)和第二反射式闪耀光栅(22)为相同器件；
所述第一平面反射镜(11)、第二平面反射镜(12)、第三平面反射镜(13)、第四平面反射镜(14)、第五平面反射镜(15)、第六平面反射镜(16)、第七平面反射镜(17)以及第八平面反射镜(18)均相同器件。
6.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述第一反射式闪耀光栅(21)和第二反射式闪耀光栅(22)的一级衍射效率不低于80％。
7.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述偏振分光镜(5)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。
8.根据权利要求1所述的基于反射式闪耀光栅的Sagnac干涉元件，其特征是：所述干涉成像面(4)是处在所述成像光学系统(3)的焦平面上。
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