CN109579995B - 一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法及其装置，包括将待测光线分割为具有不同位相的子光束；将每个子光束分为两束具有角剪切量或横向剪切量、振动方向垂直的等幅线偏振光；线偏振光在焦平面发生干涉，产生若干子干涉条纹；将各个子干涉条纹进行配准，并且将配准后的子干涉条纹首尾相连组成干涉条纹，再通过傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据。采用阶梯形双折射位相延迟器阵列和双折射干涉结构，能够极大的扩展静态双折射干涉光程差，使探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取高分辨率的光谱信息。
Description
技术领域
本发明属于光谱分辨率增强技术领域，具体涉及一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法；还涉及一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置。
背景技术
干涉光谱技术，又称傅里叶变换光谱技术，利用目标干涉图与辐射光谱之间内在的傅里叶变换关系，变换反演得到目标的光谱信息，可实现目标光谱的高信噪比、多通道同时测量。建立在这种技术基础上的干涉光谱仪在环境监测、生物医学、天文观察以及遥感等领域有着非常广泛的应用。
目前商用干涉光谱仪多采用迈克尔逊干涉结构或其改型，具有较大的光程差，能够获得高分辨率的光谱数据。但其工作时，需要高精密动镜扫描。同时，为保证扫描精度，需要配置专门的高精度激光伺服系统，对环境扰动敏感，不适宜快速变化目标的准确测量，应用环境和条件也受到极大限制。为解决上述问题，静态干涉光谱仪得到了快速发展。
静态干涉光谱仪无运动部件，产生的干涉图沿空间分布，可直接由阵列探测器获得。常见的静态干涉光谱仪按其分束器的不同可分为反射型(如Sagnac干涉光谱仪、倾斜反射镜迈克尔逊干涉光谱仪)和双折射型。前者采用半透半反分束器和三角共光路系统或倾斜反射镜结构实现入射光的双光束干涉；后者采用双折射晶体分束器和直线共轴光路将入射光分为两束线偏振光并通过检偏器发生干涉。目前已经发展出以Wollaston棱镜和Savart偏光镜分束器为核心的双折射干涉光谱仪。此类仪器具有很高的稳定性和环境适应性。
然而，受探测器干涉图采样像元数的限制，静态干涉光谱仪的光谱分辨率较低，一般只有迈克尔逊型干涉光谱仪分辨率的1/100到1/1000，难以满足部分科研及工业应用需要。这已成为限制静态干涉光谱仪器发展的主要瓶颈，为获得高的光谱分辨率，出现了若干静态干涉光谱分辨率增强方法，具有代表性的主要有三种：第一种方法为，在倾斜迈克尔逊干涉结构基础上，采用阶梯形反射镜代替原有反射镜，获取多个子干涉图，最后合成一个大光程差干涉图，可获得很高的光谱分辨率，但其缺点是，干涉图对阶梯反射镜表面缺陷、灰尘、污渍等十分敏感，阶梯反射镜装配要求极高，微小的失配都会导致干涉条纹的畸变。同时双光路干涉结构对振动和环境敏感。第二种分辨率增强方法为，采用多个Wollaston棱镜堆叠组成Wollaston棱镜组作为干涉分束器，每个Wollaston棱镜获取一个子干涉图，最后组成一组大光程差干涉图。然而Wollaston棱镜间垂直度和结构角的误差会导致干涉条纹倾斜和条纹间距改变，给干涉图解调带来很大的困难。第三种方法为，日本学者Ebizuka等提出的Savart偏光镜和Wollaston棱镜混合干涉结构，在其中引入了一个位相延迟器，能够将光谱分辨率提高1倍，但是其结构十分复杂，装配难度较大，且光谱分辨率提升也十分有限。
上述三种方法均能提高光谱分辨率，但均以高复杂度和高制造难度为代价，从而限制了高分辨率静态干涉光谱仪器的发展和应用。
发明内容
本发明提供了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法及其装置。采用阶梯形双折射位相延迟器阵列和双折射干涉结构，能够极大的扩展静态双折射干涉光程差，使探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取高分辨率的光谱信息。
本发明的技术方案是：一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法，包括将待测光线分割为具有不同位相的子光束；将每个子光束分为两束具有角剪切量或横向剪切量、振动方向垂直的等幅线偏振光；线偏振光在焦平面发生干涉，产生若干子干涉条纹；将各个子干涉条纹进行配准，并且将配准后的子干涉条纹首尾相连组成干涉条纹，再通过傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据。
该方法能够极大的扩展静态双折射干涉光程差，使面阵探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取高分辨率的光谱信息，相对于以往干涉光谱分辨率增强方法，该方法采用共轴光路系统，结构简单、紧凑，装调方便，易于集成，对振动及环境不敏感。
可选的，采用阶梯形双折射位相延迟器阵列实现将入射光分割为具有不同位相的子光束。
可选的，采用WP棱镜和/或SP偏光镜将每个子光束分为两束具有角剪切量或横向剪切量、振动方向垂直的等幅线偏振光。
可选的，线偏振光通过成像镜在焦平面上发生干涉。
本发明还提供了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，沿着待测光的入射方向依次设置有起偏器、阶梯形双折射位相延迟器阵列、WP棱镜或SP偏光镜、检偏器、成像镜和面阵探测器；所述阶梯形双折射位相延迟器阵列的快轴方向与WP棱镜或SP偏光镜的主截面平行或垂直；所述阶梯形双折射位相延迟器阵列的快轴方向与起偏器的透振方向成45°；所述起偏器的透振方向与检偏器的透振方向平行或垂直；所述面阵探测器用于接收若干个子干涉条纹，并将其首尾相连，组成干涉条纹。
可选的，阶梯形双折射位相延迟器阵列具有M个台阶，经过阶梯形双折射位相延迟器阵列将光线分割为M+1个子光束。
本发明还提供了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，沿着待测光的入射方向依次设置有起偏器、阶梯形双折射位相延迟器阵列、SP偏光镜和WP棱镜的组合结构、成像镜和面阵探测器；所述阶梯形双折射位相延迟器阵列的快轴方向与WP棱镜或SP偏光镜的主截面平行或垂直；所述阶梯形双折射位相延迟器阵列的快轴方向与起偏器的透振方向成45°；所述面阵探测器用于接收若干个子干涉条纹，并将其首尾相连，组成干涉条纹。
可选的，阶梯形双折射位相延迟器阵列具有M个台阶，经过阶梯形双折射位相延迟器阵列将光线分割为M+1个子光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该装置不采用任何运动部件，采用阶梯形双折射位相延迟器阵列和双折射干涉结构，能够极大的扩展静态双折射干涉光程差，使面阵探测器单次曝光便可在宽波段范围内获取高分辨率的光谱信息。相对于以往干涉光谱分辨率增强方法，本发明提出的方法采用共轴光路系统，结构简单、紧凑，装调方便，易于集成，对振动及环境不敏感。
本发明提出的装置与现有的仪器相比，其优势在于采用了阶梯形双折射位相延迟器阵列及静态双折射干涉仪的全新结构，实现了大光程差干涉图的实时获取；能够在宽波段范围内获得高的光谱分辨率。其次，该装置的工作原理决定了其不需要类似Michelson干涉仪中的动镜推扫来获取目标的光谱，且采用同轴光路结构，抗振能力强，具有良好的航空航天及野外环境适应性。此外，整个系统结构简单紧凑，设计、加工、调制方便，非常有利于静态干涉光谱仪的推广和应用。
附图说明
图1为本发明一实施例的俯视图；
图2为图1的左视图；
图3为发明一实施例的左视图；
图4为图3中阶梯形双折射位相延迟器阵列的结构示意图；
图5为图3中SP偏光镜的结构示意图；
图6为本发明一实施例的结构示意图；
图7为图6中阶梯形双折射位相延迟器阵列的结构示意图；
图8为图6中SP偏光镜的结构示意图；
图9为图6中WP棱镜的结构示意图。
图中：1为起偏器；2为阶梯形双折射位相延迟器阵列；3为WP棱镜；4为检偏器；5为成像镜；6为面阵探测器；7为SP偏光镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法，包括采用起偏器和阶梯形双折射位相延迟器阵列将待测光线分割为若干具有不同位相的子光束，不同位相即为光程差；再通过WP棱镜或SP偏光镜，或WP棱镜与SP偏光镜的组合，将所述每个子光束分为两束具有一定角剪切量或横向剪切量，且振动方向垂直的等振幅线偏振光；再将所述线偏振光经过检偏器和成像镜，在焦平面上发生干涉，并产生若干光程差较小的子干涉条纹，子干涉条纹被面阵探测器接收，然后将各个子干涉条纹进行配准，并且将其首尾相连组成光程差较大的干涉条纹，从而实现了光谱分辨率的增强。
其中本发明中采用阶梯形双折射位相延迟器阵列和WP棱镜或SP偏光镜作为分束器时，其中阶梯形双折射位相延迟器阵列快轴方向与WP棱镜、SP偏光镜的主截面平行或垂直，并与起偏器透振方向成45°；此时光谱分辨率与能够获得的最大光程差及解调时采用的切趾函数有关，当采用三角形切趾函数时，其峰值半高宽FWHM分辨率可以表示为：
其中，Δmax是阶梯形双折射位相延迟器阵列和WP棱镜或SP偏光镜产生的最大光程差。
当只采用WP棱镜时，其最大光程差表示为：ΔWP-max＝2(1+2M(1-Q))Bhtanθ；其中B为晶体双折射率，h是光束通过WP棱镜时距离WP棱镜中心的最大横向偏移量，θ为WP棱镜的楔角，M是阶梯形双折射位相延迟器阵列的台阶数，Q为相邻子干涉条纹的重叠率。
当只采用SP偏光镜时，其最大光程差表示为：
其中a＝1/ne和b＝1/no为晶体双折射率，t为单个SP偏光镜的偏光板厚度，i为光线进入SP偏光镜的最大入射角。
从SP偏光镜和WP棱镜的光程差计算方式可以看出，其增加了2M(1-Q)项，极大的扩展了该光程差，从而提高了光谱分辨率。
本发明还提供了一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，该装置基于本发明的上述方法，其具体结构如图1和图2所示，沿着待测光线入射的方向依次设置有起偏器1、阶梯形双折射位相延迟器阵列2、WP棱镜3、检偏器4、成像镜5和面阵探测器6。
优选的，待测光线通过起偏器1后变为一束线偏振光，线偏振光通过M阶的阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被分割为M+1个子光束，每个子光束经过阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被引入位相延迟；上述M+1个子光束在经过WP棱镜3之后，每个子光束分为两束具有一定角剪切量，且振幅相等，振动方向互相垂直的线偏振光；在经过检偏器4后，被成像镜汇聚到其焦平面上，并形成干涉条纹，干涉条纹被面阵探测器6接收；面阵探测器6接收到的干涉条纹包含M+1个子干涉条纹，将其首尾相连，组合成一组具有大光程差的干涉图，再进行傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据。
如图3-5所示，本发明的装置中WP棱镜3由SP偏光镜7替换，其工作原理与上述具有WP棱镜3的装置相同。
优选的，待测光线通过起偏器1后变为一束线偏振光，线偏振光通过M阶的阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被分割为M+1个子光束，每个子光束经过阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被引入位相延迟；上述M+1个子光束在经过SP偏光镜7之后，每个子光束分为两束具有一定横向剪切量，且振幅相等，振动方向互相垂直的线偏振光；在经过检偏器4后，被成像镜汇聚到其焦平面上，并形成干涉条纹，干涉条纹被面阵探测器6接收；面阵探测器6接收到的干涉条纹包含M+1个子干涉条纹，将其首尾相连，组合成一组具有大光程差的干涉图，再进行傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据。
如图6-9所示，本发明的装置中采用WP棱镜3和SP偏光镜7的组合，将SP偏光镜7设置在WP棱镜3的前面，并且省去了检偏器4。
优选的，待测光线通过起偏器1后变为一束线偏振光，线偏振光通过M阶的阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被分割为M+1个子光束，每个子光束经过阶梯形双折射位相延迟器阵列2后被引入位相延迟；上述M+1个子光束在经过SP偏光镜7之后，每个子光束分为两束具有一定横向剪切量，且振幅相等，振动方向互相垂直的线偏振光；在经过WP棱镜3后，每个子光束分出的两束线偏振光又被分为四束两组振幅相等，振动方向两两垂直的线偏振光，被成像镜汇聚到其焦平面上，并形成干涉条纹，干涉条纹被面阵探测器6接收；面阵探测器6接收到的干涉条纹包含两组2M+2个正反位相子干涉条纹，将对应的正反位相子干涉条纹叠加，再将叠加后的子干涉条纹首尾相连，组合成一组具有大光程差的干涉图，最后进行傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据。
Claims (6)
1.一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法，其特征在于，包括
将待测光线分割为多束具有不同位相的子光束；
将每个子光束分为两束具有角剪切量或横向剪切量、振动方向垂直的等幅线偏振光；
线偏振光在焦平面发生干涉，产生若干子干涉条纹；
将各个子干涉条纹进行配准，并且将配准后的子干涉条纹首尾相连组成干涉条纹，再通过傅里叶变换解调得到高分辨率光谱数据；采用阶梯形双折射位相延迟器阵列实现将入射光分割为具有不同位相的子光束，采用WP棱镜和/或SP偏光镜将每个子光束分为两束具有角剪切量或横向剪切量、振动方向垂直的等幅线偏振光。
2.根据权利要求1所述的增强静态双折射干涉光谱分辨率的方法，其特征在于，所述线偏振光通过成像镜后在焦平面上均发生干涉。
3.一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，其特征在于，沿着待测光的入射方向依次设置有起偏器(1)、阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)、WP棱镜(3)或SP偏光镜(7)、检偏器(4)、成像镜(5)和面阵探测器(6)；
所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)的快轴方向与WP棱镜(3)或SP偏光镜(7)的主截面平行或垂直；
所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)的快轴方向与起偏器(1)的透振方向成45°；
所述起偏器(1)的透振方向与检偏器(4)的透振方向平行或垂直；
所述面阵探测器(6)用于接收若干个子干涉条纹，并将其首尾相连，组成干涉条纹。
4.根据权利要求3所述的增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，其特征在于，所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)具有M个台阶，经过阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)将光线分割为M+1个子光束。
5.一种增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，其特征在于，沿着待测光的入射方向依次设置有起偏器(1)、阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)、SP偏光镜(7)和WP棱镜(3)的组合结构、成像镜(5)和面阵探测器(6)；
所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)的快轴方向与WP棱镜(3)或SP偏光镜(7)的主截面平行或垂直；
所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)的快轴方向与起偏器(1)的透振方向成45°；
所述面阵探测器(6)用于接收若干个子干涉条纹，并将其首尾相连，组成干涉条纹。
6.根据权利要求5所述的增强静态双折射干涉光谱分辨率的装置，其特征在于，所述阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)具有M个台阶，经过阶梯形双折射位相延迟器阵列(2)将光线分割为M+1个子光束。
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