Wollaston棱镜阵列中子棱镜结构角误差分析

Wollaston棱镜阵列中各个子棱镜的结构角间的误差影响着光谱仪的性能.从干涉图的无缝拼接入手,推导了n元Wollaston棱镜阵列的最大光程差公式,以三元Wollaston棱镜阵列为例,分析子棱镜结构角误差对光谱分辨率的影响,通过干涉条纹光强公式构建干涉图样模型,利用Matlab软件编写相关程序,仿真了630 nm单色光的复原光谱,分析结构角误差对光谱的影响.实验结果表明:当子棱镜结构角误差大于10-3数量级时,光谱中将有伪峰出现,为Wollaston棱镜阵列的研制提供了理论依据.     

基于电光调制沃拉斯顿棱镜组提高光谱分辨率的研究

为了在基本不改变光学干涉器件尺寸的条件下提高静态光谱分析设备的光谱分辨率,在分析了各种提高静态干涉系统光程扫描范围方法的基础上,设计了基于电光调制沃拉斯顿棱镜组的光学干涉系统。系统采用沃拉斯顿棱镜组的光学结构,计算了其相应的光程差函数,同时,又利用电光调制技术对晶体折射率进行调制,并推导了一个调制周期内的光程差变化范围,最后给出了系统的综合光程差函数及光谱分辨率。实验采用三块尺寸、结构角都一致的沃拉斯顿棱镜构成沃拉斯顿棱镜组,通过SGT-3型声光调制器调制信号。结果显示,经消冗余处理后干涉条纹图像可有效融合,调制后的干涉图像虽略有畸变,但经线性校正后满足光谱分布函数还原的要求。相比同尺寸的静态干涉系统而言,光谱分辨率提高了近一个数量级。     

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求，通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析，从三个相互垂直的方向出发，研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系；并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式；用实例说明了关系式的应用方法，如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严，约20″以内.     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理（英文）

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作。复原光谱分辨率为194cm~(-1),优于设计指标(250cm~(-1))。     

基于莫尔干涉的激光中心波长精确检测的研究

为了提高激光中心波长检测的精确度,提出了基于正交干涉原理的静态干涉系统,由两个相互垂直的棱镜组成产生二维平面上的光程差分布,以面阵CCD取代线阵CCD,对平面上的正交干涉条纹数据进行采集.在计算分析莫尔干涉仪的光程差分布的基础上,计算干涉图像中干涉条纹的拼接及傅氏变换等,最终得到光谱分辨率.由MATLAB仿真软件分析结果可知,静态莫尔干涉系统可以产生的光程差最大为234μm,比等尺寸的傅里叶干涉体高约一个数量级.实验标定用的光谱仪选用LAB SPAKR 750A型光谱仪,针对中心波长为635 nm的半导体激光器进行测量,结果显示中心波长位置基本一致,但在中心波长附近的光谱细节上莫尔干涉优于传统干涉具.     

信息光学视角下菲涅耳双棱镜干涉的研究

菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像和全息显微术中有重要应用。为了促进其应用,本文从信息光学角度研究双棱镜干涉,首先利用光场与脉冲响应函数之间的关系,理论导出了菲涅耳双棱镜干涉条纹强度公式,分析并讨论了狭缝缝宽及狭缝到双棱镜距离对菲涅耳双棱镜干涉条纹的影响,狭缝宽度大于0. 1 mm时,干涉条纹分辨率变差。接着给出了改变狭缝宽度(变化量为0. 08 mm)和改变狭缝到双棱镜的距离(从8 cm变化到12 cm)的实验结果,理论分析和实验结果一致。该结果有助于促进菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像等领域的应用。     

一种新型静态成像光谱系统的研究

静态干涉系统具有稳定性好、抗干扰能力强的优势,但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题,设计了一种新型静态成像光谱系统。系统由光束整形模块、新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光,进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果;新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。在双折射干涉结构的基础上进行了改进,在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率,并实现了光谱分辨率的静态调制;成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件,在两棱镜间放置电光调制模块,实现光程的静态扫描。分析了新型静态成像光谱系统的工作原理,给出了入射角、折射角等主要参数的函数表达式,并构建了系统的数据模型。通过绘制系统光线追迹图的方式,得到了该系统横向剪切量的函数方程,并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。通过仿真计算了改变结构角、晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度,并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。由仿真分析结果可知,增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的,可以实现静态光谱图像的获取。在实验中对660 nm激光进行了测试。新型静态干涉模块采用孔径20 mm×20 mm,厚度10 mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10 mm的电光调制晶体构成。当调制度分别是0.000 2和0.000 6时,成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。当调制度增大时,其干涉条纹密度增大,说明采用越大的调制度,系统对应的光谱静态扫描能力越强,对光谱分辨率的控制越好。由此可见,本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性,验证了系统的可行性。     

Wollaston棱镜阵列干涉光谱仪的研制及其光通量的分析

利用空间调制干涉光谱技术研制了基于双层Wollaston棱镜组的干涉仪原理样机,用该样机进行了干涉光谱实验,采集了He-Ne激光器干涉图像,通过对图像进行数据处理,获得了光源的归一化光谱图。并对样机系统做了光通量分析。它与传统的使用单个Wollaston棱镜测量光谱的方法相比,光谱分辨率和光通量可以提高一倍以上。     

一种多棱镜组合设计优化图像干涉性能的新方法

为了在不影响干涉条纹成像质量的基础上通过增大双折射棱镜结构角的方法获得更细致的光谱成分,优化设计了双折射棱镜的结构.通过计算分束角与结构角之间的函数关系,分析得知在传统双折射棱镜后附加一个与第二个楔形同性质的等腰三角形棱镜,使出射棱镜的o光和e光平行于光轴,即分束角α为0°,从而干涉条纹的成像不再受分束角的变化所影响....     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

基于双边倾斜傅里叶干涉具的激光光谱探测技术研究

为了在不改变静态傅里叶干涉具尺寸的基础上提高光谱分辨率,设计了双边倾斜傅里叶干涉具及等光程条纹展宽的方法。通过计算分析双边倾斜傅里叶干涉具空间产生光程差与传统干涉具光程差的关系,得到在整个干涉具尺寸不变的条件下,光谱分辨率提高到9.1 cm-1,比同尺寸静态傅里叶干涉具提高了近8倍,并且不会因干涉条纹混叠而造成无法采集。采用BK7材料加工制成双边倾斜傅里叶干涉具,用6种不同波长的激光照射分析干涉条纹,实验结果显示干涉条纹会因反射位置增大而导致探测波长较长的激光时中心波长偏大,根据其满足线性变化的规律,拟合可知每1nm的激光波长变化造成0.021 1 nm的增大误差,经过标定后平均误差与传统干涉具接近,同时可以有效地提高静态干涉系统的光谱分辨率。     

乌氏干涉测量的信息读取

针对乌氏干涉仪条纹信号调整难、用肉眼读数难等问题,提出将He-Ne激光作为乌氏干涉仪光源的设计,得到了高质量的干涉条纹信号,并采用光电转换方法将条纹移动信号转变为电信号实现了微位移的高精度测量。设计了光电信号检测电路,利用双门限整形电路标定出整形方波,克服了干涉信号在设定比较值附近抖动引起误处理的缺点;提出了辨向细分电路,在1路干涉条纹信号下,提取了具有正交性的2路电子信号,实现了干涉条纹的移动辨向与信号细分。按此方案设计并搭建了一套激光干涉检测实验装置,用2个计量差值为5μm的标准量块,对激光干涉检测装置进行了标定,在电路为4细分的情况下,该装置测量分辨率达79 nm;解决了乌氏干涉仪自动读数的问题,提高了乌氏干涉仪的测量精度和准确性。     

基于散斑干涉光谱分布变化量探测瞬态高温的研究

为了提高瞬态高温检测的精度,利用快速傅里叶变换(FFT)对散斑干涉条纹进行光谱分析,提出了通过光谱分布的偏移及幅值变化反演温度的方法。当激光照射应变材料时,瞬态高温使材料发生形变从而使散斑干涉条纹改变,被测表面形变前后获得的干涉条纹由面阵CCD采集。由于其对应的光谱密度分布函数也会发生相应的改变,即中心波长位置偏移及振幅变化,通过其改变反演材料的瞬态温度。在分析推导了瞬态温度变化、材料应变及干涉条纹变化之间的函数关系后,仿真分析得到了瞬态温度正比于压强系数、反比于温度系数。实验采用660 nm半导体激光器,SI6600型面阵CCD探测器,从获得的光谱分布函数中提取中心波长的偏移量,经计算和标定所得数据与传统的干涉测温方法进行对比,探测精度可达0.3%。相比传统的直接检测干涉条纹的变化量,由被测面形变量推导温度的方法精度提高近3倍。     

干涉仪胶合和准确度分析

介绍了Sagnac型干涉仪错位量与成像光谱仪极限光谱分辨率的数学关系.在干涉仪胶合过程中,以波长为543.5 nm的激光器做为单色光源,利用带有十字丝目标的平行光管、标准镜头(焦距为50.1 mm)、CCD(像元大小为9 μm)探测器组成测试系统,来确定两块半五角棱镜胶合时的错位量.利用波长为632.8 nm的激光器做为单色光源,对整个成像光谱仪的分辨率进行检测,证明采用的干涉仪胶合方法可以保证胶合产生的剪切量满足光谱分辨率的要求.对于影响胶合错位量的因素进行了分析,计算了干涉仪的胶合准确度,得出影响干涉仪胶合错位量的主要因素是读数准确度.     

弹光调制傅里叶变换光谱技术研究

为进一步提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率,提出了一种折返式弹光调制干涉仪结构,该结构通过在弹光晶体前后表面镀制相互交错的的全反射膜,并让入射光线以约10°的倾斜角入射,使得被测光束在晶体内部产生多次反射,增大光在干涉仪中的传播距离并提高了调制光程差。建立了折返式弹光调制傅里叶变换光谱仪干涉-光谱反演数学模型,并在此基础上设计搭建了相应的前置收集光系统,并进行了激光光源和氙灯光源的遥测实验,实验所得干涉条纹清晰、稳定,结果表明,所设计的多次反射式弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率达到13 cm-1,且该方案使得光线在晶体内部产生反射,降低了光能损失,保证了系统性噪比。最后的光谱反演结果表明,所设计光谱系统的技术可行,为后续的样机研制以及光谱、辐射标定等工作奠定了基础。     

恒星光干涉仪主动镜偏转角的检测

采用激光干涉检测的方法,综合应用计算机控制、数字图像处理等技术对高精密仪器主动镜的偏转角进行了检测.设计了主动镜的光干涉CCD数字图像检测系统,推导出了干涉条纹与主动镜偏转角之间的对应数学关系式,对条纹图像进行了噪音分析和相应的预处理,在干涉条纹细化的基础上对每条干涉条纹采用最小二乘法进行直线拟合,得到条纹间的间距以及条纹的方向角,最终检测出主动镜X轴方向的偏转分辨率为0″.113,最大偏转角为56″.872,Y轴方向的偏转分辨率为0″.112,最大偏转角为49″.835,完成了主动镜偏转角的检测.     

Simultaneous measurement of surface shape and absolute optical thickness of a glass plate by wavelength tuning phase-shifting interferometry

The absolute optical thickness and the surface shape of a glass plate of 7-in. square and 3.1mm thick was simultaneously measured by three-surface interferometry using a wavelength tuning Fizeau interferometer. The wavelength of a tunable diode laser is scanned linearly from 632 to 642 nm, at which the initial and the final phases of the interference fringes for the surface shape and for the optical thickness were separated and measured by a tunable phase-shifting technique. The number of phase variations in the interference fringes during the scanning is counted by discrete Fourier analysis, in which systematic errors caused by a nonlinearity in the wavelength scanning is corrected by a correlation analysis between the observed and theoretical interference fringes. Experimental results demonstrate that the systematic errors in the measured value were 15 nm for the surface shape and 0.6 μm for the absolute optical thickness.