CN111562002B - 高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置及方法。克服传统迈克尔逊干涉的成像光谱仪探测精度较低以及传统基于Sagnac干涉仪的成像光谱仪能量利用率和分辨率较低的问题，包括依次设置在光路中的准直镜、偏振片、干涉仪、色散系统、成像镜及探测器；干涉仪包括位于偏振分束器的出射光路中的半波片及光程差标准具；目标光源入射到干涉仪利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹；干涉条纹经色散系统色散后成像在探测器上。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像领域，涉及一种高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置及方法。
背景技术
干涉成像光谱技术是近年来发展起来的一种非破坏性的、快速灵敏的目标识别和探测技术，目前该技术在环境监测、海洋水质监测、生物医学、天文探测、光纤通讯、军事科学以及农业等诸多领域都有重要的应用。
干涉光谱仪一般可分为时间调制型和空间调制型两种类型。基于迈克尔逊干涉的成像光谱仪和基于Sagnac干涉仪的成像光谱仪分别是时间调制型和空间调制型的典型代表。前者可实现较高精度的光谱测量，但对光谱测量过程中外界环境的扰动和机械扫描精度很敏感。后者由于共光路的设计可以自动补偿外界扰动和震动，以及无运动部件可以使得系统更加稳定，但该类光谱仪仍然存在能量利用率和分辨率较低的问题。对于弱光探测尤其在天文领域能量利用率是非常重要的。随着干涉成像光谱技术的发展，在探测过程中对光谱分辨率的要求也越来越高。
发明内容
为克服传统迈克尔逊干涉的成像光谱仪探测精度较低以及传统基于Sagnac干涉仪的成像光谱仪能量利用率和分辨率较低的问题，本发明提出了一种高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置及方法，该装置将Sagnac干涉仪、偏振元件以及光栅结合，提高了光谱仪的能量利用率，分辨率和对比度。
本发明的技术解决方案是提供一种高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特殊之处在于：包括依次设置在光路中的准直镜、偏振片、干涉仪、色散系统、成像镜及探测器；
所述干涉仪为非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，其包括沿光路依次设置的一个偏振分束器、三个平面反射镜和一个非偏分束器；还包括设置在偏振分束器至非偏分束器传播光路中的半波片和光程差标准具；所述半波片位于偏振分束器的任一出射光路中；所述光程差标准具位于偏振分束器的任一出射光路或两路出射光路中；
所述偏振分束器用于将经准直镜及偏振片的目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；所述半波片用于调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；所述光程差标准具用于调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；所述三个平面反射镜用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；所述非偏分束器用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹；
所述干涉条纹经色散系统色散后通过成像镜成像在探测器上。
进一步地，为了保证经过偏振分束器分光之后两束光的强度基本一致，所述偏振片的透振方向与S光的振动方向的夹角为45°，其中S光为偏振分束器的反射光；为了使透射光和反射光的振动方一致，所述半波片的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。
进一步地，所述光程差标准具的材料为单轴晶体或非晶体材料；光垂直入射至光程差标准具表面。
进一步地，若经偏振分束器后的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具时，两光程差标准具表面均与相应入射光垂直，晶体光轴平行于晶面，且半波片位于光程差标准具之后的光路中。
进一步地，为了调节干涉条纹的周期，所述三个平面反射镜中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。
进一步地，当偏振分束器的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具时，光程差标准具位于倾斜角度可调的平面反射镜之前。
进一步地，若平面反射镜EF与入射光之间的夹角等于45°，所述色散系统包括两组色散单元；
每组色散单元包括沿光路依次设置的第一柱面镜、第二柱面镜、狭缝、准直系统及光栅；所述第一柱面镜与第二柱面镜的汇聚方向互相垂直；所述狭缝位于第二柱面镜的焦点处，狭缝的长度方向与干涉条纹的周期方向一致；
两组干涉条纹分别经每组色散单元中的第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝处，再经准直系统准直，最后经光栅色散。
进一步地，若平面反射镜EF与入射光之间的夹角不等于45°，所述色散系统沿光路依次设置的第一柱面镜、第二柱面镜、狭缝、准直系统及光栅；所述第一柱面镜与第二柱面镜的汇聚方向互相垂直，所述狭缝位于第二柱面镜的焦点处，狭缝的长度方向与干涉条纹的周期方向一致；
两组干涉条纹同时经第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝长度方向上的不同位置处，再经准直系统准直，最后经光栅色散。
本发明还提供一种基于上述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、目标光源经过准直镜和偏振片之后，入射到偏振分束器；
步骤2、偏振分束器将经准直镜及偏振片的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；
步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；
步骤4、非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹；
步骤5、干涉条纹经色散系统色散后成像在探测器上。
进一步地，若平面反射镜EF与入射光之间的夹角等于45°，所述步骤5具体为：
两组干涉条纹分别经每组色散单元中的第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝处，再经准直系统准直，最后经光栅色散后成像在两个不同的探测器上；
若平面反射镜EF与入射光之间的夹角不等于45°，所述步骤5具体为：
首先，调节平面反射镜EF的角度，使其反射光束与进入色散系统的另一光束不在同一平面内；经平面反射镜EF的反射光束与所述另一光束经过第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝长度方向上的不同位置处，再经准直系统准直，最后经光栅(64)色散成像在探测器的不同位置。
本发明的有益效果是：
(1)在光通量方面，本发明成像装置的能量利用率得到了提高。
首先是非对称的结构设计使得原本返回光源的一路光束被重新利用；其次，由于干涉仪中使用了偏振分束器和半波片，使得原本振动方向相互垂直的两束光的振动方向一致，省去了检偏器。因此光源的能量利用率得到了提高，从而也提高了系统的灵敏度。
(2)具有高稳定性。
由于该装置采用共光路的设计方案，两路光经过的光程(除加入的固定光程差外)基本上是一致的，因此外界振动和热力学变化对干涉的影响基本上可以忽略不计，干涉条纹相比较非共路的干涉仪会更加稳定。
(3)具有高的光谱分辨率。
由于该装置在干涉仪之后使用了光栅，系统的光谱分辨率由光栅决定。可根据探测需求选择合适的光栅，与传统的干涉成像光谱仪加入射狭缝或者在干涉仪中直接加入光程差相比，不仅提高了能量利用率也改善了干涉条纹的对比度。
(4)具有高的对比度。
本发明在干涉仪之前加入了偏振片，通过调节偏振片的角度，使得经过偏振分束器分光之后两束光的强度基本一致，且干涉仪中半波片的使用将两束光的振动方向变成一致，因此可提高干涉条纹的对比度。偏振分束器和半波片的配合使用可以减小或者消除两路光在干涉仪中多次反射或散射引起的干扰也会进一步提高对比度。
(5)本发明中，通过在干涉仪中加入光程差标准具产生固定的光程差，根据干涉原理可知该光程差可以放大干涉条纹的相位变化，因此，在高精度探测过程中有利于提高探测精度。
(6)本发明中，后色散系统中使用光栅，可将干涉条纹沿着波长方向色散开，由于不同波长得到的干涉条纹的周期不一样，色散后可减小不同波长的光之间干涉条纹的重合，从而提高系统的对比度。
(7)本发明中，在干涉仪之后使用了两个柱面镜，这两个柱面镜的汇聚方向相互垂直。从干涉仪出射之后的后的光束通过两个柱面镜之后成像在狭缝处。根据狭缝的尺寸可设计两柱透镜的焦距，使得光束能在不损失或者能量损失最小的情况下通过狭缝。由于柱面镜只改变一个方向的光焦度，利用两个柱面镜可以分别控制两个方向上的光焦度，因此可以通过改变两个柱面镜的焦距得到不同长宽比的光斑。
附图说明
图1为本发明实施例一中的偏振干涉光谱成像装置示意图；
图2为本发明实施例二中偏振干涉光谱成像装置中使用一组色散单元的示意图；
图中附图标记为：1-光源，2-准直镜，3-偏振片，4-干涉仪，41-偏振分束器，42-平面反射镜，43-非偏分束器，44-半波片，45-光程差标准具，5-平面反射镜EF，6-色散系统，60-第一柱面镜，61-第二柱面镜，62-狭缝，63-准直系统，64-光栅，7-成像镜，8-探测器；
具体实施方式
本发明高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，主要包括准直系统，干涉仪和后色散系统三部分。准直系统用于对进入系统的光路进行准直。干涉仪采用非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，不仅使得原本返回光源的一路光可被后续光路继续利用，而且两路光在干涉仪中经过的光程基本一致，改善了系统的光通量和稳定性；采用偏振分束器进行分光可得到两个振动方向相互垂直的偏振光，在其中一路光中加入半波片，使得两路光的振动方向一致，避免了使用检偏器，提高了能量利用率；通过在干涉仪之后加入光栅实现高的光谱分辨率，而且光栅的使用可将入射光沿波长方向色散，提高了干涉条纹的对比度；干涉仪中固定光程差的加入可放大干涉条纹相位变化，因此在根据干涉条纹相位变化探测视向速度中可提高探测精度。
以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例一
如图1所述，本实施例高对比度高通量高分辨率的相干色散光谱成像装置主要由准直镜2、偏振片3、非对称结构的共光路Sagnac干涉仪4、平面反射镜EF5、色散系统6、成像镜7及探测器8构成。
目标光源经过准直镜2和偏振片3之后，入射到非对称结构的共光路Sagnac干涉仪4中，该干涉仪由三个平面反射镜42、一个偏振分束器41、一个非偏分束器43及位于偏振分束器41出射光路中的半波片44及光程差标准具45组成。首先，目标光源被偏振分束器分成两路振动方向相互垂直的偏振光，分别为S光和P光，其中反射光为S光，透射光为P光。需要说明的是，偏振片的透振方向应与S光的振动方向的夹角为45°，这样就可保证S光和P光经之后的强度一致，也保证干涉条纹的对比度。采用非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，使得原本返回光源的一路光可被利用，而且两路光经过的光程基本一致，改善了系统的光通量和稳定性。
经偏振分束器41后，S光依次经过反射镜AB，BC，CD。与S光类似，透射光P依次经过反射镜CD，BC和AB。为了使S光和P光两路之间产生固定的光程差，可在任一光路中加入固定光程差，也可在两路中同时加入光程差。干涉仪中的光程差可通过在其中一路中加入光程差标准具产生，但需要说明的是，如果在任一路中加入光程差，则将光程差标准具45设置在S光或P光光路中，光程差标准具45的材料可以选择单轴晶体也可以选择非晶体；当选择非晶体材料时，要求光垂直入射至光程差标准具45表面，光程差的大小和材料的长度和折射率相关；如果选择将晶体材料的光程差标准具45插入任一光路中获取固定光程差，当光束垂直入射时，晶体的光轴既可与晶面垂直，也可与晶面平行。第一种情况由于不会发生双折射，光的传播方向也不会发生变化，计算光程差时，选用的折射率是该类正常光的折射率(no)；对于第二种情况，由于入射光是振动方向平行于入射面或垂直于入射面的线偏振光，因此，当光轴平行于晶面时，光的传播方向也不会发生变化，只不过由于反射光和透射光的振动方向相互垂直，导致折射率(no或ne)不一致，因此将晶体插入反射光和透射光产生的光程差会有差别。如果通过同时在两路光中加入晶体材料的光程差标准具45产生光程差时，需两束光都垂直入射，光轴平行于晶面，这样两束光经过光程差标准具之后的传播方向保持不变，且S光(no)和P(ne)光在光程差标准具中的折射率不同，可产生固定的光程差(L*(no-ne))。
图1中给出的是在反射光中插入非晶体材料光程差标准具的例子。以下按照这一情况叙述，其它情况与该情况类似。当反射光经过平面反射镜AB之后，再经过半波片44，且半波片44的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°，这样可使透射光和反射光的振动方一致。当然也可将半波片44加入到透射光中，和加入反射光中的目的相同。采用偏振分束器进行分光得到两个振动方向相互垂直的偏振光，在其中一路光中加入半波片，使得两路光的振动方向一致，避免了使用检偏器，提高了能量利用率。但需要注意的是，如果要让两路光同时通过晶体材料的光程差标准具45时，则半波片44需在两路光通过光程差标准具45之后加，这样才可以产生光程差。
当两束光分别依次经过三个平面反射镜42后，透射光束和反射光束再次通过非偏分束器43，因此透射光和反射光分别再次被反射和透射，形成4路光，由于满足干涉条件，因此，经过偏振分束器41透射再经非偏分束器43透射的光和经偏振分束器41反射再被非偏分束器43反射的两路光干涉，经偏振分束器41透射再经非偏分束器43反射的光和经偏振分束器41反射再经非偏分束器43透射的两路光干涉。
由于干涉仪采用非对称的设计，返回光源的那路干涉光和光源的出射光在空间上产生了一定的位移，因此，通过平面反射镜EF5反射之后可被有效利用，使得整个光路的能量利用率得到提高。
在这里需要说明的是，可以通过调节三个平面反射镜42中任意一个的倾角来调节干涉条纹的周期。图1中，是调节了平面反射镜CD的倾角。虽然这个倾角很小，但是会改变光束的传播反向，而且要经过三次反射，因此这个小量也会被放大4倍。为了方便之后的光程差的测量和计算，需要光束垂直通过光程差标准具45的表面，因此，我们将光程差标准具45加到了反射光中。需要说明的是，如果需要通过同时在两路光中加入晶体材料的光程差标准具45产生光程差，为了准确的计算光程差，需要将晶体材料的光程差标准具45加入到调节倾角的平面反射镜之前。
本实施例，色散系统6包括两组色散单元，每组色散单元包括沿光路依次设置的第一柱面镜60、第二柱面镜61、狭缝62、准直系统63及光栅64；当光束通过干涉仪产生两路干涉条纹后，其中一路经过平面反射镜EF5反射至第一组色散单元中，另一路直接进入第二组色散单元中，两路干涉条纹分别经过各色散单元中的第一柱面镜60、第二柱面镜61压缩之后汇聚到相应狭缝62处。第一柱面镜60、第二柱面镜61的汇聚方向相互垂直，两者之间的距离可根据需要的光斑的长宽比来调节，即不同焦距的柱面镜组合得到的光斑的长宽比不同。狭缝62的位置在第二柱面镜61的焦点处，且狭缝的长度方向与干涉条纹的周期方向一致。经过狭缝62之后干涉条纹再通过准直系统63，入射到光栅64上，使得干涉条纹沿波长方向色散，两束色散光束最终分别经过成像镜7成像在探测器8，本实施例采用CCD探测器。
实施例二
图1中从干涉仪出射的两路干涉光由于相位相反，且平面反射镜EF5与入射光的夹角为45°，如果用一套色散单元，可能会导致两路光的强度由于相位相反而被抵消，因此，图1中用了两套色散单元分别将这两束光色散后成像在探测器上。但是，如果平面反射镜EF5与入射光之间的夹角不是45°，则我们可以使用一套色散单元，最终将两束光成像在CCD的不同位置。如图2，本实施例色散系统6包括一套色散单元，即沿光路依次设置的第一柱面镜60、第二柱面镜61、狭缝62、准直系统63及光栅64；具体成像步骤为：首先，调节平面反射镜EF的角度，使其反射光束与进入色散系统的另一光束不在同一平面内；经平面反射镜EF的反射光束与所述另一光束经过第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝长度方向上的不同位置处，再经准直系统准直，最后经光栅64色散成像在探测器的不同位置。
Claims (7)
1.一种高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：包括依次设置在光路中的准直镜(2)、偏振片(3)、干涉仪(4)、色散系统(6)、成像镜(7)及探测器(8)；
所述干涉仪(4)为非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，其包括沿光路依次设置的一个偏振分束器(41)、三个平面反射镜(42)和一个非偏分束器(43)；还包括设置在偏振分束器(41)至非偏分束器(43)传播光路中的半波片(44)和光程差标准具(45)；所述半波片(44)位于偏振分束器(41)的任一出射光路中；所述光程差标准具(45)位于偏振分束器(41)的任一出射光路或两路出射光路中；
所述偏振分束器(41)用于将经准直镜(2)及偏振片(3)的目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；所述半波片(44)用于调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；所述光程差标准具(45)用于调节S光和/或P光的光程差，使得S光和P光之间产生固定的光程差；所述三个平面反射镜(42)用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器(43)；所述非偏分束器(43)用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹；
所述干涉条纹经色散系统(6)色散后通过成像镜(7)成像在探测器(8)上；
若平面反射镜EF(5)与入射光之间的夹角等于45°，所述色散系统(6)包括两组色散单元；
每组色散单元包括沿光路依次设置的第一柱面镜(60)、第二柱面镜(61)、狭缝(62)、准直系统(63)及光栅(64)；所述第一柱面镜(60)与第二柱面镜(61)的汇聚方向互相垂直；所述狭缝(62)位于第二柱面镜(61)的焦点处，狭缝(62)的长度方向与干涉条纹的周期方向一致；
两组干涉条纹分别经每组色散单元中的第一柱面镜(60)和第二柱面镜(61)后成像在狭缝(62)处，再经准直系统(63)准直，最后经光栅(64)色散；
若平面反射镜EF(5)与入射光之间的夹角不等于45°，所述色散系统(6)包括沿光路依次设置的第一柱面镜(60)、第二柱面镜(61)、狭缝(62)、准直系统(63)及光栅(64)；所述第一柱面镜(60)与第二柱面镜(61)的汇聚方向互相垂直，所述狭缝(62)位于第二柱面镜(61)的焦点处，狭缝(62)的长度方向与干涉条纹的周期方向一致；
两组干涉条纹同时经第一柱面镜(60)和第二柱面镜(61)后成像在狭缝(62)长度方向上的不同位置处，再经准直系统(63)准直，最后经光栅(64)色散。
2.根据权利要求1所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：所述偏振片(3)的透振方向与S光的振动方向的夹角为45°，其中S光为偏振分束器的反射光；所述半波片(44)的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。
3.根据权利要求2所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：所述光程差标准具(45)的材料为单轴晶体或非晶体材料；光垂直入射至光程差标准具表面。
4.根据权利要求3所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：若经偏振分束器(41)后的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具(45)，两光程差标准具(45)表面均与相应入射光垂直，晶体光轴平行于晶面，且半波片(44)位于光程差标准具(45)之后的光路中。
5.根据权利要求4所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：所述三个平面反射镜(42)中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。
6.根据权利要求5所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置，其特征在于：若经偏振分束器(41)后的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具(45)，光程差标准具(45)位于倾斜角度可调的平面反射镜之前。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的高通量高分辨率高对比度的偏振干涉光谱成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、目标光源经过准直镜和偏振片之后，入射到偏振分束器；
步骤2、偏振分束器将经准直镜及偏振片的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；
步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光与P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；
步骤4、非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹；
步骤5、干涉条纹经色散系统色散后成像在探测器上；
若平面反射镜EF与入射光之间的夹角等于45°，所述步骤5具体为：
两组干涉条纹分别经每组色散单元中的第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝处，再经准直系统准直，最后经光栅色散后成像在两个不同的探测器上；
若平面反射镜EF与入射光之间的夹角不等于45°，所述步骤5具体为：
首先，调节平面反射镜EF的角度，使其反射光束与进入色散系统的另一光束不在同一平面内；经平面反射镜EF的反射光束与所述另一光束经过第一柱面镜和第二柱面镜后成像在狭缝长度方向上的不同位置处，再经准直系统准直，最后经光栅色散成像在探测器的不同位置。
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