CN110345860A - 一种干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种干涉仪，包括：偏振分光镜；第一单元，设置在所述偏振分光镜的一侧，所述第一单元包括第一反射光栅，分光镜及第二反射光栅；第二单元，设置在所述偏振分光镜的另一侧，所述第二单元包括第二透射式闪耀光栅及第二平面反射镜；第三单元，垂直设置在所述偏振分光镜上，所述第三单元包括第一透射式闪耀光栅及第一平面反射镜；其中，入射光束经过所述第一单元，所述第一单元的出射光经过所述偏振分光镜进入所述第二单元及第三单元，所述第二单元及第三单元的出射光经过所述偏振分光镜进入偏振片，再通过成像透镜系统在接收面上形成干涉图样。本发明提出的干涉仪设计合理，可同时获得光的偏振信息和光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种干涉仪。
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。
干涉光谱成像技术是干涉光谱学与成像技术的有机结合，不但能记录下目标存在格局的二维空间信息，还能获取目标的干涉条纹，复原出目标成分的光谱信息。然而，光波不仅具有强度信息，还具有另一重要特性，即偏振相位特性，随着偏振测量技术的不断发展，干涉光谱成像与偏振探测的结合也逐渐受到人们关注。
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两相干光束的振幅比、光源的大小和光源的非单色性。两光波振幅比差越大，可见度越低，设计干涉系统时应尽量使振幅比为1，即相干光束的振幅相等，以获得最大的条纹可见度；实际光源总有一定的大小，通常称之为扩展光源，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；实际使用的单色光源都有一定的光谱宽度，这会影响条纹的可见度，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(如遥感应用中)，需要一种以白光(可见光，波长380-760nm)为光源的干涉仪，由于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，所以设计白光干涉仪是必须尽量使振幅比为1，光源大小较小，缩紧频谱宽度。但是光源大小会影响遥感等设备的成像质量和范围，也不能限制，频谱宽度必须满足可见光范围，也不能再加限制，所以必须设计一种干涉结构使其能在满足非限定白光光源情况下使用。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种干涉仪，可同时测得光的偏振信息和光谱信息，以满足白光偏振干涉仪的要求。
为实现上述目的及其他目的，本发明提出一干涉仪，包括：
偏振分光镜；
第一单元，设置在所述偏振分光镜的一侧，所述第一单元包括第一反射光栅，分光镜及第二反射光栅；
第二单元，设置在所述偏振分光镜的另一侧，所述第二单元包括第二透射式闪耀光栅及第二平面反射镜；
第三单元，垂直设置在所述偏振分光镜上，所述第三单元包括第一透射式闪耀光栅及第一平面反射镜；
其中，入射光束经过所述第一单元，所述第一单元的出射光经过所述偏振分光镜进入所述第二单元及第三单元，所述第二单元及第三单元的出射光经过所述偏振分光镜进入偏振片，再通过成像透镜系统在接收面上形成干涉图样。
在一实施例中，设定相互垂直的第一方向，第二方向及第三方向相交于所述偏振分光镜，所述偏振分光镜垂直于第一平面，所述第一单元垂直于所述第二平面，所述第二单元及第三单元垂直于第一平面，其中，所述第一方向及第二方向形成所述第一平面，所述第一方向及第三方向形成第二平面。
在一实施例中，所述第一反射光栅垂直于所述第一平面，所述第一反射光栅与所述第一方向具有一预设角度，所述分光镜垂直于所述第一平面，所述分光镜与所述第一方向具有一预设角度，所述第二反射光栅垂直于所述第一平面，所述第二反射光栅与所述第三方向具有一预设角度，所述分光镜位于所述第一反射光栅及偏振分光镜之间，所述第二反射光栅位于所述分光镜的正前方。
在一实施例中，所述第二透射式闪耀光栅垂直于所述第一平面，所述第二透射式闪耀光栅平行于所述第二方向，所述第二透射式闪耀光栅的闪耀方向在第一平面内偏向所述第二方向，所述第二平面反射镜垂直于所述第一平面，所述第二平面反射镜与所述第一方向具有一预设角度，所述第二透射式闪耀光栅位于所述第二平面反射镜及偏振分光镜之间。
在一实施例中，所述第一透视式闪耀光栅垂直于所述第一平面，所述第一透视式闪耀光栅平行于所述第一方向，所述第一透视式闪耀光栅的闪耀方向在第一平面内偏向所述第一方向，所述第二平面反射镜垂直于所述第一平面，所述第一平面反射镜与所述第二方向具有一预设角度，所述第一透视式闪耀光栅位于所述偏振分光镜及第一平面反射镜。
在一实施例中，所述入射光束垂直经过所述分光镜形成反射光及透射光，所述反射光经过所述第一反射光栅，再通过所述分光镜，形成第一次出射光，所述透射光经过第二反射光栅，再通过所述分光镜，形成第二次出射光，所述第一次出射光及第二次出射光分别作为所述偏振分光镜的入射光。
在一实施例中，所述第一次出射光经过所述偏振分光镜形成偏振方向相互垂直的第一光束及第二光束，所述第一光束经过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及第二透射式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜反射形成第一光束第一次出射光，所述第一光束第一次出射光的方向朝向第二方向。
在一实施例中，所述第二光束经过所述偏振分光镜及第二透视式闪耀光栅的透射，第二平面反射镜及第一平面反射镜的反射及第一透视式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜的透射形成第二光束第一次出射光。
在一实施例中，所述第二次出射光经过所述偏振分光镜形成偏振方向相互垂直的第三光束及第四光束，所述第三光束经过第一透视式闪耀光栅的透射，第一平面反射镜的反射，第二平面反射镜的反射以及第二透视式闪耀光栅的透射，再经过所述偏振分光镜的反射形成第三光束第一次出射光，所述第三光束第一次出射光的方向朝向第二方向。
在一实施例中，所述第四光束经过所述偏振分光镜及第二透视式闪耀光栅的透射，第二平面反射镜及第一平面反射镜的反射及第一透视式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜的透射形成第四光束第一次出射光。
本发明提出一种干涉仪，通过将同一束光设置为光源，利用偏振分光镜，多个透射式闪耀光栅，多个反射光栅，分光镜及多个反射镜组成的高光谱偏振干涉仪，将入射光束分成多个光束，并利用偏振片检偏，最终经过成像系统成像。该干涉仪的光束频率相同，光束的振动方向相同或相反，光束相位差恒定且与波长成一个定比，同时可获取偏振信息和光谱信息。该干涉仪结构简单紧凑，设备生产安装简单，安装精度要求度，干涉效果好。
附图说明
图1：本实施例中干涉仪的光路结构示意图。
图2：本实施例中干涉仪的结构示意图。
图3：本实施例中干涉仪的结构示意图。
图4：本实施例中第一次出射光的光路原理示意图。
图5：本实施例中第二次出射光的光路原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，设定水平方向为第一方向(X方向)，竖直方向为第二方向(Y方向)，垂直于纸面方向为第三方向(Z方向)，所述第一方向，第二方向及第三方向相互垂直所述第一方向及第二方向形成第一平面，所述第一方向及第三方向形成第二平面。其中再次设定水平向右的方向为第一正方向(+X方向)，与第一正方向相反的方向为第一负方向(-X方向)，竖直向上的方向为第二正方向(+Y方向)，与第二正方向相反的方向为第二负方向(-Y方向)，垂直纸面向外的方向为第三正方向，与第三正方向相反的方向为第三负方向(-Z方向)。
请参阅图1，本实施例提出一种干涉仪100，该干涉仪100包括一偏振分光镜114，第一方向，第二方向及第三方向相交于该偏振分光镜114上，且该偏振分光镜114垂直于第一平面，在本实施例中，该偏振分光镜114与第一正方向具有一角度，该角度例如为45°，其中，当该偏振分光镜114与第一正方向的夹角为45°时，该偏振分光镜114与第二正方向的夹角同样为45°。在本实施例中，光束经偏振分光镜114分束为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，即形成相互垂直的透射光及反射光。
请参阅图1，在本实施例中，该干涉仪100还包括一第一单元，第一单元位于偏振分光镜114的一侧，第一单元垂直于第二平面，第一单元包括第一反射光栅111，分光镜112及第二反射光栅113。在本实施例中，该第一反射光栅111垂直于第二平面，第一反射光栅111与第一方向具有一预设角度α1，具体地，第一反射光栅111与第一负方向形成一角度α1，更具体地，第一反射光栅111从第一负方向向第三负方向偏转α1°，在本实施例中，该预设角度α1例如在60-70°。分光镜112垂直于第二平面，分光镜112与第一方向具有一预设角度α2，具体地，分光镜112与第一正方向形成一角度α2，在本实施例中，该预设角度α2例如为45°，当该预设角度α2为45°时，该分光镜112与第三正方向的夹角同样为45°。第二反射光栅113垂直于第二平面，且该第二反射光栅113与第三方向具有一设角度α3，具体地，该第二反射光栅113与第三正方向形成一角度α3，更具体地，第二反射光栅113从第三正方向向第一负方向偏转α3°，在本实施例中，该预设角度α3例如在60-70°。在本实施例中，分光镜112位于第一反射光栅111及偏振分光镜114之间，第二反射光栅113位于分光镜112的正前方，其中，第一反射光栅111至分光镜112的距离等于第二反射光栅113至分光镜112的距离，第一反射光栅111及第二反射光栅113具有相同的规格。当入射光束进入分光镜112时，形成透射光及反射光。
请参阅图1，本实施例中，该干涉仪100还包括一第二单元，第二单元位于偏振分光镜114的另一侧，第二单元垂直于第一平面。其中第二单元包括第二平面反射镜121及第二透射式闪耀光栅122，第二平面反射镜121垂直于第一平面，且第二平面反射镜121与第一方向具有一预设角度α4，具体地，第二平面反射镜121与第一方向形成一角度α4，在本实施例中，该角度α4例如在60-70°，又例如为67.5°，在本实施例中，第二平面反射镜121从第一正方向向第二正方向偏转67.5°。第二透视式闪耀光栅122垂直于第一平面，且该第二透视式闪耀光栅122平行于第二方向，在本实施例中，第二透视式闪耀光栅122的闪耀方向在第一平面内偏向第一负方向，即光束透过第二透视式闪耀光栅122时向第一负方向偏折一定的角度。在本实施例中，第二透视式闪耀光栅122位于偏振分光镜114及第二平面分光镜121之间。
请参阅图1，在本实施例中，该干涉仪100包括第三单元，该第三单元垂直设置在偏振分光镜114的上方，第三单元垂直于第一平面。该第三单元包括第一平面反射镜131及第一透射式闪耀光栅132。第一平面反射镜131垂直于第一平面，且该第一反射镜131与第一方向具有一预设角度α5，在本实施例中，该角度α4例如在60-70°，又例如为67.5°，在本实施例中，第二平面反射镜121从第二正方向向第一正方向偏转67.5°。第一透视式闪耀光栅132垂直于第一平面，且该第一透视式闪耀光栅132平行于第一方向，第一透视式闪耀光栅132的闪耀方向在第一平面内偏向第一正方向，即，当光束透过第一透视式闪耀光栅132时向第一正方向偏折一定的角度。
请参阅图1，在本实施例中，第二单元至偏振分光镜114的距离等于第三单元至偏振分光镜114的距离，同时第一平面反射镜131及第二平面反射镜121具有相同的规格，第一透视式闪耀光栅122及第二透射式闪耀光栅132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。在本实施例中，分光镜112在工作波段对透视光具有不低于90％的投射效率，对反射光具有不低于90％的反射效率。偏振分光镜114对P偏振光具有不低于90％的反射效率，对S偏振光具有不低于90％的透视效率，以获得较高的分光效率，保证干涉条纹的亮度。
请参阅图1，在本实施例中，该干涉仪100还包括一偏振片140，该偏振片140垂直设置在偏振分光镜114的下方，偏振片140垂直于第一平面，且该偏振片140平行于第一方向。在本实施例中，该偏振片140的透射轴方向分别与第一方向及第三方向形成一45°夹角。
请参阅图1，在本实施例中，该干涉仪100还包括一成像透镜系统150，该成像透镜系统150平行于第二平面，且该成像透镜系统150的主光轴方向平行于第三方向，该成像透镜系统150设置在偏振片140的下方。
请参阅图1，在本实施例中，该干涉仪100还包括一接收面160，该接收面160平行于第二平面，该接收面160位于成像透镜系统150下方的焦平面上，由此可在接收面160上形成稳定清晰的干涉条纹。
请参阅图2-4，其中，图2显示为从第三正方向观察获得干涉仪结构图，图3显示为朝第三负方向观察获得的干涉仪结构图，图4显示为干涉仪中部分结构光路示意图。本实施例对该干涉仪的工作原理进行说明：首先当入射光束沿着第三正方向进入分光镜112的中心时，入射光束被分光镜112分成反射光及透射光，其中，反射光经过第一反射光栅111反射后，反射光的方向变为第一正方向，再透过分光镜112后，形成第一次出射光A1。透射光经过第二反射光栅113反射后，在经过分光镜12反射后，透射光的方向变为第一正方向，形成第二次出射光A2，其中，第一次出射光A1及第二次出射光A2均为偏振分光镜114的入射光。以下将以第一次出射光A1为例进行说明：第一次出射光A1经过偏振分光镜114被分成偏振方向相互垂直的第一光束A11及第二光束A12。在本实施例中，第一光束A11例如为第一次出射光A1形成的反射光，第二光束A12例如为第一次出射光A1形成的透射光。在其他实施例中，第一光束A11例如为第一次出射光A1形成的透射光，第二光束A12例如为第一次出射光A1形成的透反射光。第一光束A11透过第一透视式闪耀光栅132后，第一光束A11向第一正方向偏折一角度，然后该第一光束A11经过第一平面反射镜131及第二平面反射镜121反射后，该第一光束A11入射到第二透视式闪耀光栅122，透过第二透视式闪耀光栅122后，该第一光束A11的方向朝向第一负方向，然后该第一光束A11在经过偏振分光将114，该第一光束A11的方向朝向第二负方向，形成第一光束第一次出射光A111。第二光束A12透过偏振分光镜114及第二透视式闪耀光栅122后，该第二光束A12向第二负方向偏折一角度，再经过第二平面反射镜121及第一平面反射镜131反射后，该第二光束A12入射到第一透射式闪耀光栅132，该第二光束A12透过第一透射式闪耀光栅132后，第二光束A12的方向朝向第二负方向，再透过偏振分光镜114，形成第二光束第一次出射光A121。同上所述，第二次出射光A2经过偏振分光镜114形成第三光束A21及第四光束A22，在本实施例中，第三光束A21例如为第二次出射光A2形成的反射光，第四光束A22例如为第二次出射光A2形成的透射光。在其他实施例中，第三光束A21例如为第二次出射光A2形成的透射光，第四光束A22例如为第二次出射光A2形成的透反射光。第三光束A21透过第一透视式闪耀光栅132后，第三光束A21向第一正方向偏折一角度，然后该第三光束A21经过第一平面反射镜131及第二平面反射镜121反射后，该第三光束A21入射到第二透视式闪耀光栅122，透过第二透视式闪耀光栅122后，该第三光束A21的方向朝向第一负方向，然后该第三光束A21在经过偏振分光将114，该第三光束A21的方向朝向第二负方向，形成第三光束第一次出射光A211。第四光束A22透过偏振分光镜114及第二透视式闪耀光栅122后，该第四光束A22向第二负方向偏折一角度，再经过第二平面反射镜121及第一平面反射镜131反射后，该第四光束A22入射到第一透射式闪耀光栅132，该第四光束A22透过第一透射式闪耀光栅132后，第四光束A22的方向朝向第二负方向，再透过偏振分光镜114，形成第四光束第一次出射光A221。
请参阅图4-5，在本实施例中，第一光束第一次出射光A111，第二光束第一次出射光A121，第三光束第一次出射光A211及第四光束第一次出射光A221经过偏振片140检偏后，第一光束第一次出射光A111，第二光束第一次出射光A121，第三光束第一次出射光A211及第四光束第一次出射光A221的振动方向相同或相反，经过成像透镜系统150后，即可在接收面160上活动四束光的干涉条纹，然后经过计算机处理该干涉条纹即可同时得到目标图像的偏振信息和光谱信息。
综上所述，本实施例提出一种干涉仪，通过将同一束光设置为光源，利用偏振分光镜，多个透射式闪耀光栅，多个反射光栅，分光镜及多个反射镜组成的高光谱偏振干涉仪，将入射光束分成多个光束，并利用偏振片检偏，最终经过成像系统成像。该干涉仪的光束频率相同，光束的振动方向相同或相反，光束相位差恒定且与波长成一个定比，同时可获取偏振信息和光谱信息。该干涉仪结构简单紧凑，设备生产安装简单，安装精度要求度，干涉效果好。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种干涉仪，其特征在于，包括：
偏振分光镜；
第一单元，设置在所述偏振分光镜的一侧，所述第一单元包括第一反射光栅，分光镜及第二反射光栅；
第二单元，设置在所述偏振分光镜的另一侧，所述第二单元包括第二透射式闪耀光栅及第二平面反射镜；
第三单元，垂直设置在所述偏振分光镜上，所述第三单元包括第一透射式闪耀光栅及第一平面反射镜；
其中，入射光束经过所述第一单元，所述第一单元的出射光经过所述偏振分光镜进入所述第二单元及第三单元，所述第二单元及第三单元的出射光经过所述偏振分光镜进入偏振片，再通过成像透镜系统在接收面上形成干涉图样。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：设定相互垂直的第一方向，第二方向及第三方向相交于所述偏振分光镜，所述偏振分光镜垂直于第一平面，所述第一单元垂直于所述第二平面，所述第二单元及第三单元垂直于第一平面，其中，所述第一方向及第二方向形成所述第一平面，所述第一方向及第三方向形成第二平面。
3.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：所述第一反射光栅垂直于所述第一平面，所述第一反射光栅与所述第一方向具有一预设角度，所述分光镜垂直于所述第一平面，所述分光镜与所述第一方向具有一预设角度，所述第二反射光栅垂直于所述第一平面，所述第二反射光栅与所述第三方向具有一预设角度，所述分光镜位于所述第一反射光栅及偏振分光镜之间，所述第二反射光栅位于所述分光镜的正前方。
4.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：所述第二透射式闪耀光栅垂直于所述第一平面，所述第二透射式闪耀光栅平行于所述第二方向，所述第二透射式闪耀光栅的闪耀方向在第一平面内偏向所述第二方向，所述第二平面反射镜垂直于所述第一平面，所述第二平面反射镜与所述第一方向具有一预设角度，所述第二透射式闪耀光栅位于所述第二平面反射镜及偏振分光镜之间。
5.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：所述第一透视式闪耀光栅垂直于所述第一平面，所述第一透视式闪耀光栅平行于所述第一方向，所述第一透视式闪耀光栅的闪耀方向在第一平面内偏向所述第一方向，所述第二平面反射镜垂直于所述第一平面，所述第一平面反射镜与所述第二方向具有一预设角度，所述第一透视式闪耀光栅位于所述偏振分光镜及第一平面反射镜。
6.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于：所述入射光束垂直经过所述分光镜形成反射光及透射光，所述反射光经过所述第一反射光栅，再通过所述分光镜，形成第一次出射光，所述透射光经过第二反射光栅，再通过所述分光镜，形成第二次出射光，所述第一次出射光及第二次出射光分别作为所述偏振分光镜的入射光。
7.根据权利要求6所述的干涉仪，其特征在于：所述第一次出射光经过所述偏振分光镜形成偏振方向相互垂直的第一光束及第二光束，所述第一光束经过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及第二透射式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜反射形成第一光束第一次出射光，所述第一光束第一次出射光的方向朝向第二方向。
8.根据权利要求7所述的干涉仪，其特征在于：所述第二光束经过所述偏振分光镜及第二透视式闪耀光栅的透射，第二平面反射镜及第一平面反射镜的反射及第一透视式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜的透射形成第二光束第一次出射光。
9.根据权利要求6所述的干涉仪，其特征在于：所述第二次出射光经过所述偏振分光镜形成偏振方向相互垂直的第三光束及第四光束，所述第三光束经过第一透视式闪耀光栅的透射，第一平面反射镜的反射，第二平面反射镜的反射以及第二透视式闪耀光栅的透射，再经过所述偏振分光镜的反射形成第三光束第一次出射光，所述第三光束第一次出射光的方向朝向第二方向。
10.根据权利要求9所述的干涉仪，其特征在于：所述第四光束经过所述偏振分光镜及第二透视式闪耀光栅的透射，第二平面反射镜及第一平面反射镜的反射及第一透视式闪耀光栅的透射，再经偏振分光镜的透射形成第四光束第一次出射光。
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