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     

Savart偏光镜的透射率对空间调制偏振干涉成像光谱仪通量的影响

空间调制偏振干涉成像光谱仪的核心是干涉仪,干涉仪的重要组成部分是Savart偏光镜.Savart偏光镜的透射率直接决定着空间调制偏振干涉成像光谱仪的光通量,进而影响到目标的干涉图和目标的像.因此有必要研究Savart偏光镜的透射率对光通量的影响.在介绍干涉仪结构的基础上,利用电磁场边界条件和折射定律分别求得了光在Savart偏光镜的4个分界面:空气/Savart偏光镜的左板;Savart偏光镜的左板/胶粘剂;胶粘剂/ Savart偏光镜的右板;Savart偏光镜的右板/空气的透射率和光强,同时得到了光通过干涉仪后的两束干涉光的光强.利用光的叠加原理得到了干涉后的总的光强,并求出了光通过Savart偏光镜的透射率和光通量的数学表达式.通过两者的关系式可以很直观的看到Savart偏光镜的透射率对空间调制偏振干涉成像光谱仪的光通量的影响,为研究空间调制偏振干涉成像光谱仪提供了一定的理论依据.     

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     

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。     

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.     

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     

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。     

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。     

双路四通道同时干涉成像光谱仪EI北大核心CSCD

双路四通道同时干涉成像光谱仪以视场光阑代替狭缝,无旋转和移动部件,通过消色差分光棱镜和Savart偏光镜将入射光分为四对相干光束,同时在探测器上获取四幅不同偏振信息的目标图像,进而利用傅里叶变换运算并对数据进行处理得到偏振光谱图像。分析系统结构和原理得出不同偏振状态下的干涉强度表达式,四幅干涉图相加获取目标图像的总强度,同一Savart偏光镜的干涉强度相减获得纯干涉条纹,将两纯干涉条纹进行加减运算可降低系统的背景噪声,提高了系统信噪比。在考虑晶体色散关系的基础上分析讨论了光程差随波长、入射角、入射面与晶体主截面夹角以及晶体厚度的变化,在傍轴条件下设计出横向剪切量、成像透镜焦距和晶体厚度的具体参数,实现了高光谱分辨率成像,为新型干涉成像光谱仪的设计与应用提供了一种新方案。     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的最佳角度分析

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测,这一方法将偏振测量与干涉成像光谱技术相结合,一方面能提供辐射测量所不能提供的物体偏振信息,另一方面又可获取目标的空间图像和光谱,具有比辐射测量更高的准确度.在简要分析了利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振检测的理论基础上,深入研究了偏振检测的方法,分析比较了目前常用的偏振探测角度（45°,60°）对偏振度探测的影响.进一步计算推导出偏振测量的最优探测角度,将之与以往常用的探测角度进行了分析比较,证明了此最佳探测角度可以有效地减小偏振误差、提高偏振探测的精度.这将极大地提高偏振干涉成像光谱仪的应用范围,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及仪器研制提供重要的理论依据. 关键词： 偏振检测 偏振干涉成像光谱仪 探测角 Savart偏光镜     

Relationship between incident angle and dispersion in static large field of view polarization interference imaging spectrometer

The static large field of the view polarization interference imaging spectrometer is based on the modified Savart polariscope. There appears a dispersion between the ordinary ray and extraordinary ray when light passes through the modified Savart polariscope. The dispersion greatly influences the intensities and the results of the interferogram and target image in the static large field of the view polarization interference imaging spectrometer. At the same time, the incident angle determines the dispersion. When the light goes through the modified Savart polariscope, the dispersion occurs in the left plate, the half-wave plate and the right plate of the modified Savart polariscope. Using the extension of Snell's law, the dispersion in the crystal is theoretically calculated and numerically simulated separately. The relationship curve between incident angle and the dispersion is obtained by simulation.     

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.     

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.     

Effects of optical axis direction on optical path difference and lateral displacement of Savart polariscope

A simple method is applied to calculating the optical path difference (OPD) of a plane parallel uniaxial plate with an arbitrary optical axis direction. Then, the theoretical expressions of the OPD and lateral displacement (LD) of Savart polariscope under non-ideal conditions are obtained exactly. The variations of OPD and LD are simulated, and some important conclusions are obtained when the optical axis directions have an identical tolerance of \pm 1^{{\circ}}. An application example is given that the tolerances of optical axis directions are gained according to the spectral resolution tolerances of the stationary polarization interference imaging spectrometer (SPIIS). Several approximate formulae are obtained for explaining some conclusions above. The work provides a theoretical guidance for the optic design, crystal processing, installation and debugging, data analysis and spectral reconstruction of the SPIIS.     

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.     

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.