CN113495359B - 一种宽谱段共光路3-d角镜消零干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽谱段共光路3‑D角镜消零干涉仪，旨在解决了现有技术中存在的消零干涉谱段窄、需额外的消色差或者相位变换器件，且通常采用非共光路结构导致形成的干涉条纹不够稳定的问题。本发明中待处理的入射光透过第一分束器后被第二分束器分为第一透射光和第一反射光；第一透射光依次经过第一二面直角镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜以及第二二面直角镜后再次入射至第二分束器形成第二反射光；第一反射光依次经过第二二面直角镜、第二平面反射镜、第一平面反射镜以及第一二面直角镜后再次入射至第二分束器形成第三透射光；第二反射光与第三透射形成干涉信号；本发明结构稳定、谱段范围宽、消色差、抑制比高且信噪比高。

Description

一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪

技术领域

本发明涉及消零干涉仪，具体涉及一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪。

背景技术

目前，在天文光学技术领域，为了发现并研究太阳系外行星的特性，寻找仅仅是母恒星亮度10^-6～10^-10数量级的行星，人们提出了消零技术。对探测这种强恒星光背景下的极其微弱的行星，消零技术的根本思想是通过巧妙的光学成像系统设计来消除或有效压制背景恒星光，而增强或者有效保留行星光。

目前主要有两种消零技术：一种是利用干涉技术消零，称为消零干涉，另一种是利用星冕仪消零。消零干涉方法最早由Bracewell提出，其主要优点在于来自行星的所有光(包括非偏振光和偏振光)都可能被接收到，使得可能的探测信号达到最大。消零干涉技术使用干涉仪而非星冕仪部件，通过巧妙的干涉系统设计来消除或有效压制背景恒星光，进而有效保留行星光。但传统的消零干涉仪面临着谱段窄、需额外的消色差或者相位变换器件，且通常采用非共光路结构，导致形成的干涉条纹不够稳定等。

发明内容

本发明提供了一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，旨在解决了现有技术中存在的消零干涉谱段窄、需额外的消色差或者相位变换器件，且通常采用非共光路结构，导致形成的干涉条纹不够稳定的问题。

需要说明的是，本发明中所述的3-D即三维。

本发明的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特殊之处在于：

包括第一分束器、第二分束器、第一二面直角镜、第二二面直角镜、第一平面反射镜以及第二平面反射镜；

待处理的入射光透过第一分束器后被第二分束器分为第一透射光和第一反射光；

所述第一透射光依次经过第一二面直角镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜以及第二二面直角镜后再次入射至第二分束器形成第二反射光和第二透射光；

所述第一反射光依次经过第二二面直角镜、第二平面反射镜、第一平面反射镜以及第一二面直角镜后再次入射至第二分束器形成第三反射光和第三透射光；

所述第二反射光与第三透射光再次入射至第一分束器后形成第四反射光；

所述第一二面直角镜的相交轴线与第一透射光主光轴方向垂直，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面成45度角；

所述第二二面直角镜的相交轴线与第一反射光主光轴方向垂直，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行；

所述第一平面反射镜的法线与待处理的入射光主光轴方向成67.5度角，且该法线与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行；

所述第二平面反射镜与待处理的入射光主光轴方向的夹角为112.5角，且该法线与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行。

进一步地，定义：所述第一透射光主光轴在第一二面直角镜上的第一个反射点到第一二面直角镜的相交轴线的距离为A；所述第一反射光主光轴在第二二面直角镜的第一个反射点到第二二面直角镜的相交轴线之间的距离为B；则A是B的2^0.5倍。

进一步地，所述第一分束器和第二分束器均包括光学镜片和设置在光学镜片上的半透半反分光膜。

进一步地，所述半透半反分光膜为介质膜或金属膜。

进一步地，还包括设置在外部光源处的前置光学系统；

所述前置光学系统包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜。

进一步地，还包括成像镜；

所述成像镜设置于第四反射光的光路上。

进一步地，还包括探测器；

所述探测器设置于第四反射光的光路上，且位于成像镜之后。

进一步地，所述探测器之后还设置有计算机处理系统。

进一步地，所述第一二面直角镜和第二二面直角镜是由两个反射镜组成的空心结构。

进一步地，所述第一二面直角镜和第二二面直角镜为实心棱镜结构。

本发明的有益效果是：

1.结构稳定。

本发明采用了共光路设计，沿着主光轴或者近轴的入射光，通过第二分束器分为第一透射光和第一反射光，这两支光束行径的方向相反，但是均会通过相同的光学器件：第一二面直角镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜以及第二二面直角镜，然后重新在分束器处汇合，形成干涉。本发明的干涉仪受外界环境的热力学变化会同时作用于两支光束，但会相互抵消掉，因而形成的干涉条纹非常稳定，易于干涉信号的提取和处理。

2.谱段范围宽。

本发明采用3-D设计的主要目的之一是产生相位变换，成像时亮背景将产生相消干涉，而位于另一视场的暗目标不会因为光谱范围增宽导致相位变化，暗目标在更宽的光谱范围内能量损失小。从而相应地，光谱范围相比传统消零干涉仪更宽。

3.消色差。

由于干涉仪采用共光路设计，而且除第一分束器和第二分束器外的其他光学器件皆为反射器件，使得产生干涉的两束光色差很小，理想情况下可完全消色差，从而可提高消零干涉的抑制比。

4.抑制比高。

通过干涉仪系统共光路的设计，使得亮背景的光产生干涉时相位差极小，偏振度差恒定，抑制比主要取决于干涉仪第二分束器分光效率、面型精度及杂散光等，可以最大程度获得对目标光的抑制比。

5.高信噪比。

本发明适用于红外、可见和紫外波段，不受光学原理限制，主要受光学器件和探测器光谱响应范围的限制。本发明的干涉仪光谱范围较宽，因而可收集的目标光信号更强，可实现高信噪比、高灵敏度的探测。

6.相位变换。

本发明设计了特殊的3-D角镜消零干涉仪光路，使得光线在干涉仪中的电场分量产生偏转，并最终形成电场的相位翻转。从而使得获得的干涉条纹的相位也相应发生偏转，而无须额外的相位调制器件。且使得对于主光轴上的光产生相消/相长干涉，而对旁轴光产生了部分相消/相长干涉，从而形成了对不同视场目标的不同处理。

7.交叉成像。

本发明设计的3-D角镜消零干涉仪光路，使得同一入射视场的光经过干涉仪后产生两个视场，形成交叉成像的功能，便于将目标的不同视场图像区分开。

附图说明

图1为本发明的宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪结构示意图一；

图2为本发明的宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪结构示意图二。

图中，1-待处理的入射光，2-第二分束器，3-第一二面直角镜，4-第二二面直角镜，5-第一平面反射镜，6-第二平面反射镜，7-成像镜，8-探测器，9-计算机处理系统，10-前置光学系统，11-第一分束器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，结合图1、图2所示，包括第二分束器2、第一二面直角镜3、第二二面直角镜4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6；

宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪设置于待处理的入射光1的光路上，待处理的入射光1的入射光源之后可接入由透镜或者反射器件组成的前置光学系统10，以实现对待处理的入射光1的准直、消杂散光等作用。

待处理的入射光1经过前置光学系统10后进入第一分束器11，再进入第二分束器2。第二分束器2的作用是将经准直并经过第一分束器11透射后的光分成第一透射光和第一反射光，并将经过干涉仪两臂的第一透射光和第一反射光再次重新相遇或汇聚，分别产生第二透射光、第二反射光、第三透射光以及第三反射光，并且产生干涉。第一分束器11和第二分束器2均为镀有半透半反分光膜的光学镜片，该分光膜可以是介质膜也可以是金属膜，与所需探测的光谱范围相关。

在第一透射光行进的光路上设置第一二面直角镜3。第一二面直角镜3的相交轴线与第一透射光的主光轴方向垂直(二面直角镜的相交轴线为两个反射面的交线)，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面成45度角。它的作用是改变待处理的入射光1的电场分量和传播方向，并将该光束在高度方向(垂直于由第一透射光束和第一反射光束形成的平面)产生位移。

在第一透射光束经过第一二面直角镜3反射后，在行进的光路上设置第一平面反射镜，它的法线与入射到第二分束器2的待处理的入射光1的主光轴方向成67.5度角，且与由第一透射光的主光轴和第一反射光的主光轴形成的平面平行。

第一透射光经过第一平面反射镜5反射后，在行进的光路上设置第二平面反射镜6。第二平面反射镜6的法线与第一入射光的主光轴方向的夹角为112.5度，且与由第一透射光的主光轴和第一反射光的主光轴形成的平面平行。

第一透射光经过第二平面反射镜6反射后，在行进的光路上设置第二二面直角镜4，它的相交轴线与第一反射光的主光轴方向垂直，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行，并将该光束在高度方向(垂直于由第一透射光和第一反射光形成的平面)产生位移。

第一透射光的主光轴在第一二面直角镜3上的第一个反射点到其相交轴线的距离为A，第一反射光的主光轴在第二二面直角镜4的第一个反射点到其相交轴线的距离为B，A是B的2^0.5倍(2的0.5次方倍)。此时干涉仪可形成完全共光路，干涉仪两臂光束的主光轴上行进的路径完全重合。前述两者的距离也可以不按照2^0.5倍设置，则形成“准”共光路，干涉仪两臂主光轴行进的路径不重合，但互相平行。

其中干涉仪的两臂指的是，待处理的入射光1经第二分束器2后被分为第一透射光和第一反射光两支光路，而第一透射光和第一反射光的传播路径与第二分束器2分别所构成的光路形成干涉仪的两臂。待处理的入射光(1)主光轴与第二分束器分光面法线成45度角(45度入射)，也可以为30度角(60度入射)。干涉仪的信号输出有两路，其中一路输出是返回输入光源的方向，另一路输出与前述方向相差一定的角度(可能是60度、90度、120度等)。

待处理的入射光1的波段范围主要包括电磁波的红外、可见和紫外部分。

第一二面直角镜3、第二二面直角镜4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6的作用是改变光束的振动和传播方向，使得干涉仪输出的一路产生的干涉相位对主光轴上的目标来说产生相消干涉，而非主光轴的目标则不完全干涉，并改变为交叉成像方式，成像时产生对称的两个像。

第一二面直角镜3和第二二面直角镜4可以是由2个反射镜组成的空心形式，也可以是由实心棱镜的形式。

同时，干涉仪中第一二面直角镜3、第二二面直角镜4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6均需镀反射膜，该反射膜可以是常见的金属膜，用于反射从紫外光到可见光再到红外光的整个或部分波段。

第一透射光经过第二二面直角镜4反射后，返回到第二分束器2，产生第二透射光和第二反射光。

在第一反射光依次经过第二二面直角镜4、第二平面反射镜6、第一平面反射镜5、第一二面直角镜3后，返回到第二分束器2，产生第三反射光和第三透射光。第一反射光行进的方向与第一透射光束方向相反且互相重合。

同时，第二透射光与第三反射光相遇产生干涉，第二反射光与第三透射光相遇产生干涉。前者为干涉仪的第一输出干涉信号，沿与待处理的入射光1垂直的方向出射；后者为干涉仪的第二输出干涉信号，沿与待处理的入射光1重合的方向出射再次到达第一分束器11，经过第一分束器11反射形成第四反射光后出射。

在第一分束器11反射后出射的干涉信号行进方向上依次设置成像镜7和探测器8，成像镜7的作用是将干涉信号会聚成像到探测器8处。探测器8的作用是对干涉信号进行收集，并进行放大、滤波等处理，为相关图像参数的硬件反演或者计算机软件反演提供测量数据。探测器8可以是CCD，也可以是其它光电转换器件。

本发明也可以增加计算机处理系统9，计算机处理系统9对探测器8获取的干涉信号进行数据处理和分析，包括干涉图像裸数据的预处理、误差修正、光谱响应度定标修正、辐射度定标修正，最终实现对目标的图像复原，实现高对比度的探测。

第一输出干涉信号也可采用与经过第一分束器11后的第二输出干涉信号相同的处理，通过成像镜、探测器和计算机处理系统。

如图2所示，前置光学系统10包括依次设置的会聚透镜a、光阑b和准直透镜c，待处理的入射光1主要由会聚透镜a会聚，光阑b滤光限制会聚透镜c像面的形状，并防止杂散光，再由准直透镜c准直，使经过前置光学系统10的光变成平行光。前置光学系统10可采用折射、折反射和全反射等各种形式，其目的是使目标辐射转变为平行光线。

本发明一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其工作过程如下：

步骤1、待处理的入射光1透过第一分束器11后到达第二分束器2，被第二分束器2分成第一透射光和第一反射光。

步骤2、第一透射光依次经过第一二面直角镜3、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6和第二二面直角镜4，然后返回到第二分束器2形成第二透射光和第二反射光；

第一反射光依次经过第二二面直角镜4、第二平面反射镜6、第一平面反射镜5和第一二面直角镜3，逆序经过与第一透射光束经过的相同光学器件，然后返回到第二分束器2形成第三透射光和第三反射光；

步骤3、第二透射光和第三反射光相遇产生干涉，形成第一输出干涉信号，沿与待处理的入射光1垂直的方向出射；第二反射光和第三透射光相遇产生干涉，形成第二输出干涉信号，沿与待处理的入射光1重合的方向出射；

步骤4、干涉仪两臂输出的干涉图像信号为所需的探测信号。第二输出干涉信号经过第一分束器11反射后出射，再通过成像镜7、探测器8以及计算机处理系统9对第二输出干涉信号产生的干涉图像进行处理，得到对中心亮背景消零后的暗弱目标的图像信息。

本发明可有效提高高对比度下微弱目标的提取能力，具有光谱范围宽、结构稳定、消色差、交叉成像的特点。

本发明可以同时实现相位变换、宽谱段、消色差和更稳定结构。本发明不仅可以用于天文领域，还可以用于常用光学成像领域，以获得亮背景下微弱暗目标的图像，具有较广阔的应用前景。在原理上具有超高对比度探测能力、光谱范围宽、共光路稳定结构的特点。

Claims (10)

1.一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：包括第一分束器（11）、第二分束器（2）、第一二面直角镜（3）、第二二面直角镜（4）、第一平面反射镜（5）以及第二平面反射镜（6）；

待处理的入射光（1）透过第一分束器（11）后被第二分束器（2）分为第一透射光和第一反射光；

所述第一透射光依次经过第一二面直角镜（3）、第一平面反射镜（5）、第二平面反射镜（6）以及第二二面直角镜（4）后再次入射至第二分束器（2）形成第二反射光和第二透射光；

所述第一反射光依次经过第二二面直角镜（4）、第二平面反射镜（6）、第一平面反射镜（5）以及第一二面直角镜（3）后再次入射至第二分束器（2）形成第三反射光和第三透射光；

所述第二透射光与第三反射光相遇产生干涉，沿与待处理的入射光（1）垂直的方向出射，作为第一输出干涉信号；第二反射光与第三透射光相遇产生干涉，沿与待处理的入射光（1）重合的方向出射再次到达第一分束器（11），经过第一分束器（11）反射形成第四反射光后出射，作为第二输出干涉信号；

所述第一二面直角镜（3）的相交轴线与第一透射光主光轴方向垂直，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面成45度角；

所述第二二面直角镜（4）的相交轴线与第一反射光主光轴方向垂直，且与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行；

所述第一平面反射镜（5）的法线与待处理的入射光（1）主光轴方向成67.5度角，且该法线与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行；

所述第二平面反射镜（6）与待处理的入射光（1）主光轴方向的夹角为112.5度，且该法线与由第一透射光主光轴和第一反射光主光轴形成的平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：

定义：所述第一透射光主光轴在第一二面直角镜（3）上的第一个反射点到第一二面直角镜（3）的相交轴线的距离为A；所述第一反射光主光轴在第二二面直角镜（4）的第一个反射点到第二二面直角镜（4）的相交轴线的距离为B；则A是B的2^0.5倍。

3.根据权利要求2所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：

所述第一分束器（11）和第二分束器（2）均包括光学镜片和设置在光学镜片上的半透半反分光膜。

4.根据权利要求3所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：

所述半透半反分光膜为介质膜或金属膜。

5.根据权利要求1或2或3或4任一所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：还包括设置在外部光源处的前置光学系统（10）；

所述前置光学系统（10）包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜。

6.根据权利要求5所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：还包括成像镜（7）；

所述成像镜（7）设置于第四反射光的光路上。

7.根据权利要求6所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：还包括探测器（8）；

所述探测器（8）设置于第四反射光的光路上，且位于成像镜（7）之后。

8.根据权利要求7所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：所述探测器（8）之后还设置有计算机处理系统（9）。

9.根据权利要求8所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：

所述第一二面直角镜（3）和第二二面直角镜（4）是由两个反射镜组成的空心结构。

10.根据权利要求8所述的一种宽谱段共光路3-D角镜消零干涉仪，其特征在于：

所述第一二面直角镜（3）和第二二面直角镜（4）为实心棱镜结构。

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