稳态大视场偏振干涉成像光谱仪中视场补偿型Savart偏光镜透射率研究

论述了基于视场补偿型Savart偏光镜的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的分光机理.依据电磁场边值条件,分析了光在视场补偿型Savart偏光镜中各晶体分界面上的透射情况,得出了透射率的理论计算公式.采用计算机模拟,分析了在半波片为不同材料时,透射率随入射波长、视场角及半波片厚度的变化关系.研究表明,视场补偿型Savart偏光镜具有大视场、高通量、高探测灵敏度的显著特点.此研究可为新型干涉成像光谱技术的研究和新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制提供重要的理论指导. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 视场补偿型Savart偏光镜 透射率 电磁场边值条件     

新型偏振干涉成像光谱仪中Savart偏光镜透射率的研究

Savart偏光镜是自行研制的新型稳态偏振干涉成像光谱仪中的核心部件，阐述了该Savart偏光镜的分光机理.基于电磁场边值条件，分析了入射面与Savart偏光镜左板主截面重合及垂直时，光透过Savart偏光镜各界面的反射和折射，得出了各界面透射系数的表达式以及Savart偏光镜透射率的理论计算公式.采用计算机模拟，给出了Savart偏光镜透射率随视场角和波长的变化曲线，并与研制的Savart偏光镜实验测试结果进行了分析比较，两者变化规律相符. 表明该Savart偏光镜具有大视场、高通量的显著特点，适宜作为静态干涉仪和稳态偏振干涉成像光谱仪的高效横向剪切分束器. 这为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供了重要的理论依据.     

偏振干涉成像光谱仪的视场展宽设计与分析

为了在较大视场范围内获得干涉直条纹以提高干涉数据的提取精度,设计了一种基于组合Savart板的宽场偏振干涉成像光谱仪.组合Savart板由正负晶体制作的两个Savart板组合而成.文中推出了组合Savart板的光程差和横向剪切量与入射角的理论表达式,并给出了具体设计实例.计算机模拟分析结果表明,在光谱分辨率和晶体总厚度相同的前提下,组合式Savart板获得干涉直条纹的视场是传统Savart偏光镜视场的10倍. 关键词： 偏振成像光谱仪 Savart板 光程差 视场     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

萨伐尔偏光镜横向剪切量和光程差的精确计算

研制了基于萨伐尔偏光镜的稳态偏振干涉成像光谱仪(SPIIS)。阐述了其分光机理。应用光线追迹法以及光线折射率的概念,分析了计算光在双折射横向剪切分束器一萨伐尔(Savart)偏光镜中的传播规律和光线路径;给出了任意角度入射时,萨伐尔偏光镜横向剪切量和光程差的理论计算公式。较目前所报道的,仅给出入射面与主截面平行时横向剪切量的特殊情况,具有更普遍的指导意义;为新型偏振干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供重要理论和实践指导。     

Analysis of the lateral displacement and optical path difference in wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer

The mechanism of beam splitting and principle of wide-field-of-view compensation of modified Savart polariscope in the wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer (WPIIS) are analyzed and discussed. Formulas for the lateral displacement and optical path difference (OPD) produced by the modified Savart polariscope are derived by ray-tracing method. The theoretical and practical guidance is thereby provided for the study, design, modulation, experiment and engineering of the polarization interference imaging spectrometers and other birefringent Fourier-transform spectrometers based on Savart polariscopes.     

一种可调横向剪切量的新型偏振干涉成像光谱仪

为了克服传统成像光谱仪稳定性差,干涉条纹杂乱复杂等缺点,提出了一种基于可调横向剪切量萨伐尔(Savart)偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪。具体分析推导了光线入射角变化对这种新型的可调横向剪切量萨伐尔偏光镜的光程差、偏振度以及对系统干涉条纹的影响;简要论述了这种新型偏振干涉成像光谱仪的工作机理和运行方式,从原理上论证了它具有重量轻、体积小、抗震性好、适用范围广、分束光线平行均匀分布、干涉图样清晰、处理简便等诸多优点,为新型可调横向剪切量的偏振干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供理论依据和实践指导。     

基于组合Wollaston棱镜成像光谱仪的视场扩大原理分析

论述了视场扩大型成像光谱仪的核心部件——组合Wollaston棱镜的结构和分光机理;应用波法线追迹法分析了光在任意方位入射面内,以任意角入射时组合Wollaston棱镜中的波矢传播规律;推导出了光在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了传播过程中e光和o光之间光程差的理论表达式;采用计算机模拟,给出了光程差随入射角和入射面方位角的变化曲线;在此基础上对组合Wollaston棱镜扩大光谱仪视场的原理进行了深入分析和讨论.上述研究对偏振干涉成像光谱技术的理论研究与技术创新,对自行设计的稳态大视场偏振干涉成像光谱 关键词： Wollaston棱镜 偏振干涉成像光谱仪 波法线追迹法 视场扩大原理     

外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.     

Optical path difference evaluation of the polarization interference imaging spectrometer

The optical path difference (OPD) of the static polarization interference imaging spectrometer and wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer are calculated and analyzed, simultaneously. The analysis results show that the actual total OPD contains two parts, the Savart polariscope introduces the first part, and the second part is introduced when imaging lens reunites two beams in its focal plane. Since the first part OPD accounts for about half of the actual total OPD, it has influences on the resulting spectrum and thus cannot be neglected. The influences of the uniaxial crystal dispersion on the OPD and resulting spectrum are analyzed, and the results show that the OPD decreased with the wavelength, the spectral resolution increased with the wavelength. There are no fixed spectral resolution over the entire detection spectral region, and the spectral resolution would become worse with the increase of the wavelength.     

一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法

提出了一种采用基于视场补偿型Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪对二维目标偏振信息进行空间遥感探测的新原理和新方法.在新型偏振干涉成像光谱仪光学系统不变的情况下,通过旋转偏振干涉仪分别测出了三个不同角度下像面上各像点的光强值,反演出了二维面目标的斯托克斯矢量,并给出了各像点偏振度和偏振方向的理论表达式.采用计算机模拟实验对该探测原理和方法进行了验证,所得结果与理论完全符合.从理论和实践上扩展了干涉成像光谱仪的探测功能,与目前国内外所研究的成像光谱仪相比,该成像光谱仪既能同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息,又提供了一种获得目标偏振信息的手段和方法.     

Refraction of extraordinary rays and ordinary rays in the Savart polariscope

The refraction of rays in the Savart polariscope is different from the isotropic medium. We have analysed and discussed the refraction of rays in the Savart polariscope on the basis of the Snell law. The refraction formulae of the extraordinary rays and ordinary rays were derived. Results obtained may provide theoretical and practical guide lines for studying, developing and engineering of polarization interference imaging spectrometer.     

基于双折射晶体的快拍穆勒矩阵成像测偏原理分析

针对传统穆勒矩阵成像测偏仪包含活动部件,需进行多次测量,容易产生测量误差,不能对运动目标或动态场景进行同时、实时测量等问题,提出了一种以改进型萨瓦偏光镜为核心分光器件的快拍Mueller矩阵成像测偏技术(MSP-SMMIP).它不含任何活动部件,能通过单次快拍测量获取目标强度图像和全部16个穆勒矩阵阵元图像.它主要由偏振态产生和偏振态分析两部分组成,偏振干涉条纹通过偏振态产生光路后定位于测试样品上,随后这些条纹通过空间载频将样品的Mueller矩阵分量编码,经偏振态分析光路成像于焦平面上.采用斯托克斯矢量-穆勒矩阵形式阐明了光场偏振态被MSP-SMMIP调制的过程,给出了其像面干涉图表达式,讨论了Mueller矩阵反演和系统定标的方法.基于CCD相机参数分析了系统的光学指标.通过数值模拟实验给出模拟测量结果,通过定性和定量评价测量结果表明该系统的可行性.MSP-SMMIP技术具有稳态、快拍、结构简洁、易定标、可同时实时获取目标强度图像和全部Mueller矩阵阵元图像的显著特点.     

Static polarization-difference interference imaging spectrometer

A static polarization-difference imaging spectrometer is conceptually described and demonstrated through experiment. It consists of a Wollaston prism, a Savart polariscope, a linear analyzer, and a CCD camera. This design improves the existing polarization-difference system by eliminating its moving parts and obtaining the spectral variation of the polarization state, and making the system more compact and robust. After simultaneously acquiring two sequential interference images corresponding to two orthogonal polarization states, the hyperspectral images of the states can be reconstructed, respectively. The use of uniaxial birefringent crystal can widen the detectable spectral region.     

显微偏振干涉成像光谱仪中景深对系统分辨力的影响

提出了一种基于萨伐尔(Savart)偏光镜双折射晶体进行光谱分光的显微偏振干涉成像光谱仪的创新性原理和方案;从几何光学的角度推导了显微偏振干涉成像光谱仪景深的理论计算公式;给出了景深与光谱分辨力的变化关系,证明了景深的存在使系统光谱分辨力不再唯一确定,而是在一定范围内连续变化;通过计算机模拟分析了景深对系统分辨力的影响。该研究对实现快速实时测量,减少景深对光谱分辨力的影响以及新型偏振干涉成像光谱仪的研究、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导。     

半波片角度失配对通道调制型偏振成像效果的影响及补偿

通道调制型偏振成像系统能够实时地对目标进行全偏振成像,是当前偏振成像领域的研究热点之一.基于萨瓦板的通道调制型偏振仪中半波片的光轴方向对成像结果的准确性有较大的影响.本文分析了半波片失配角的大小对探测器采集到的光强分布的影响,得到了二者之间的表达式,根据该表达式提出通过测量半波片失配角对系统进行定标并利用测得的半波片失配角对偏振成像的解调结果进行修正和补偿的方法.计算机仿真结果显示失配角为0.5?时,S1,S2和S3的解调结果准确度在经过修正补偿后分别提高了0.06%,3.49%和3.49%.表明该方法能够较好地对解调出的偏振斯托克斯参数图像进行补偿,得到更精确的成像结果,对提高通道调制型偏振成像的质量具有重要的意义.     

The double reflection on the interface of uniaxial crystals in the Savart polariscope

The reflection in the Savart polariscope is different from the isotropic medium. The double reflection of rays in the Savart polariscope is analyzed and discussed on the basis of the Snell law. The double reflection formulae of the extraordinary ray and the ordinary ray are given. These results may provide a theoretical and practical guide for studying, developing and engineering polarization interference imaging spectrometers. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40375010 and 60278019), the Science and Technology Plan Foundation of Shaanxi Province (Grant No. 2005K04-G18), and the Special Research Project of Shaanxi Provincial Educational Department (Grant No. 07JK261)     

偏振型干涉成像光谱仪中Savart偏光镜通光孔径的研究

论述了偏振型干涉成像光谱仪的核心部件——Savart偏光镜的结构和分光机理. 应用波法线追迹的方法, 对光在任意方位入射面内, 以任意入射角入射时Savart偏光镜中的光线传播规律及出射光孔径变化进行了理论推导, 给出了出射孔径与入射位置、入射角及入射方位角之间满足的关系, 并讨论了光线传播始终处于Savart偏光镜晶体内部, 最终从出射面射出所需满足的条件. 采用计算机模拟, 给出了光线垂直入射时, 出射孔径的表达式, 验证了推导的正确性; 在此基础上对自行设计的干涉成像光谱仪通光孔径进行了详细分析和讨论, 结果表明通光孔径精确值和近似值之间存在较大差异. 给出了孔径面积利用率随入射方位角的变化曲线, 阐明在干涉成像光谱仪的参数论证以及孔径光阑的选取中, 不能忽略由于晶体双折射现象带来的孔径变化. 研究结果可为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供重要的理论依据和实践指导.     

新型双通道差分偏振干涉成像系统

针对Wollaston棱镜和Savart偏光镜(SP)组合的差分成像光谱系统存在光线溢出和无法改变系统光程等问题,设计了一种新型双通道差分偏振干涉成像系统.此系统不仅可获取正交偏振图像,还可以通过调整Savart偏光镜的厚度来改变系统光程.介绍了该系统的结构、理论原理,并利用琼斯矩阵推导出四束偏振光线的复振幅及其相干光干涉强度表达式.分析了宽视场Savart偏光镜(WSP)和可调光程的Savart偏光镜(MSP)的分束特性,得出WSP相较于SP具有更好的剪切能力和WSP可优化系统光路的结论.获得了不同楔形结构角下MSP的光程差、横向剪切量随楔形移动量的变化曲线.通过实验验证,获取了不同剪切量下的干涉图像和复色光下平行、垂直分量的空间图像,进而获得了总的强度图像和差分强度图像.得出差分强度图像相较于偏振强度图像具有较高对比度的结论.研究结果对双通道成像光谱系统的性能优化具有一定的参考意义.     

Spectrum reconstruction based on the constrained optimal linear inverse methods

The dispersion effect of birefringent material results in spectrally varying Nyquist frequency for the Fourier transform spectrometer based on birefringent prism. Correct spectral information cannot be retrieved from the observed interferogram if the dispersion effect is not appropriately compensated. Some methods, such as nonuniform fast Fourier transforms and compensation method, were proposed to reconstruct the spectrum. In this Letter, an alternative constrained spectrum reconstruction method is suggested for the stationary polarization interference imaging spectrometer (SPIIS) based on the Savart polariscope. In the theoretical model of the interferogram, the noise and the total measurement error are included, and the spectrum reconstruction is performed by using the constrained optimal linear inverse methods. From numerical simulation, it is found that the proposed method is much more effective and robust than the nonconstrained spectrum reconstruction method proposed by Jian, and provides a useful spectrum reconstruction approach for the SPIIS.