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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于光谱成像领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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；<br>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；所述半波片位于的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。本专利技术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。本专利技术的有益效果是：(1)在光通量方面，本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)；/n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)位于的偏振分束器(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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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)位于的偏振分束器(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。


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.根据权利要求1-5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，其特征在于：若平面反射镜EF(5)与入射光之间的夹角等...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈莎莎，魏儒义，王鹏冲，谢正茂，刘宏，刘斌，狄腊梅，严强强，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61