偏振干涉成像光谱仪中Wollaston棱镜光程差及条纹定位面的精确计算与分析

论述了基于单Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的基本原理;采用波法线追迹方法,对光以4种不同入射方式经过偏振干涉成像光谱仪中单Wollaston棱镜的精确光程差、分束角及干涉条纹定位面进行了计算,并给出它们与棱镜楔角、入射角及入射位置之间的理论公式;采用计算机模拟对光程差、分束角及条纹定位面的精确值和近似值进行分析与比较,结果表明精确值和近似值之间存在较大差异;当棱镜楔角、入射角及入射位置增大时,精确值和近似值之间的偏离量随之增大;利用得到的精确值分析了条纹定位面的偏离量及其对傅里叶透镜成像的影响 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 Wollaston棱镜 光程差 条纹定位面     

光正反方向入射冰洲石Wollaston棱镜分束角的温度效应

为了了解温度变化对光正反方向入射冰洲石晶体Wollaston棱镜分束角的影响,首先明确了棱镜的结构角和晶体中o光、e光的主折射率是决定棱镜分束角的两个因素;然后从温度对这两个因素的影响出发,从理论上对光正反方向入射冰洲石晶体Wollaston棱镜o光、e光分束角的温度效应进行了研究,结果表明：随温度的升高,光正反方向入射时Wollaston棱镜两分束角均在减小,但光正方向入射时o光分束角减小的幅度要比e光大得多,而光反方向入射时e光下降幅度要比o光大得多;总体上光反方向入射要比正方向入射分束角受温度的影响大,实验测试结果与理论分析相吻合.     

冰洲石晶体Wollaston棱镜分束角的温度效应

为了了解温度变化对冰洲石晶体W0llaston棱镜分束角的影响,首先需决定棱镜分束角的两个因素,即棱镜的结构角和晶体中o光、e光的主折射率;然后从温度对这两个因素的影响出发,从理论上对冰洲石晶体Wollaston棱镜中的o光、e光分束角的温度效应进行了研究。结果表明,随着温度的升高,两分束角减小,但o光减小的幅度要比e光大得多。建立了实验测试系统,实验测试结果与理论分析结果相吻合。     

双向分束角对称的偏光分束镜设计与性能分析

为了获得分束角对称的偏光分束棱镜,在双Wollaston棱镜结构的基础上,通过合理设计棱镜左右两端晶体光轴的取向,使棱镜整体呈中心切面对称;在保证对正向入射的光对称分束的同时,对反向入射光同样可以对称分束,达到了双向对称分束的目的;在此基础上给出了晶体光轴的旋转角δ与棱镜结构角S以及与波长的关系;并分析了对633 nm设计的棱镜用于其他波长时分束角的对称性.结果表明：在±300 nm的光谱范围内,分束角的不对称度均小于0.24°.     

洛匈棱镜的正反向特性

给出了洛匈棱镜正、反向使用时分束角的精确表达式。从理论上证明,对任意合理的结构角及主折射率值来说,洛匈棱镜反向使用时的分束角小于正向使用时的分束角。研究了在锥光入射条件下洛匈棱镜中的e光和o光的传播方向、折射率、主平面、偏振方向等问题。证明了洛匈棱镜正向使用时第二块晶体中无偏折的光波只含有o光,参考圆圆周上各点光波的主平面相互平行,通过一个检偏器后可以实现消光;洛匈棱镜反向使用时,第二块晶体无偏折的光波同时包含了o光和e光,参考圆圆周上各点光波的主平面沿参考圆的径向,e光和o光的偏振方向分别沿径向和垂直于径向,通过检偏器后形成锥光干涉现象,不能消光。     

差分偏振干涉成像光谱仪Ⅱ.光学设计与分析

基于Wollaston棱镜角剪切和Savart偏光镜横向剪切组合的静态差分偏振干涉成像光谱仪可同时获取二维目标的正交偏振组分的高光谱图像信息.依据干涉光谱学原理和实际探测器提出了该仪器的光学技术指标,并论证各关键偏光元件的光学设计方案.主要是利用波法线追迹法论证Savart偏光镜、Wollaston棱镜和Glan-Taylor棱镜等元件的参数选择依据.着重分析双折射元件色散特性对入射角、厚度及结构角的影响,并提出解决方案.为差分偏振干涉成像光谱仪的工程化提供理论指导.     

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.     

渥拉斯顿棱镜在不同方式组合下的光路特性分析

分析了具有相同结构角的两个渥拉斯顿棱镜在不同方式组合下的光路特性。给出了分束角与结构角的关系表达式,同时也给出了分束角与结构角的关系曲线。使用He Ne激光器(波长λ=633nm)对两个结构角S=27°的渥拉斯顿棱镜在四种不同组合方式下的光路进行了测试。结果表明,测试结果与理论计算完全相符。     

偏光棱镜性能参量的求解新法

建立了一个共点三轴系统,给出了相应的角参量关系公式,并利用其得到了任意空间角度入射时可调分束角棱镜的分束角公式,证明了此方法在解决与棱镜结构有关的问题时简单有效.     

新型干涉高光谱成像系统的光束剪切特性分析

提出了一种基于新型双折射横向剪切分束器的高光谱成像方法,采用的横向剪切分束器主要由Wollaston棱镜和角锥反射体组成.在分析双折射分束器的偏光结构和分光机理的基础上,利用光线追迹方法分析了光束在Wollaston棱镜中的传播特性,通过计算光束在双折射分束器中的传播方向及出射位置,推导出调制光程差的理论表达公式.根据理论推导结果,分别仿真分析了系统在不同扫描模式下光程差与入射光视场角以及角锥顶点偏移量的调制关系.基于理论分析结果搭建了实验装置,对光程差分析结果进行验证,实验结果与理论分析结果匹配较好.所提方法可以提高剪切光束的平行性,保证干涉条纹的高调制度,降低了复原光谱准确度对光学装调精度和元件加工精度的依赖性,具有结构稳定、复杂度低的显著特点.     

基于多级组合棱镜提高激光中心波长检测精度的研究

为了在保证抗干扰能力不下降的条件下提高对激光中心波长的检测精度,设计了多级组合棱镜系统,并提出了多级组合棱镜的干涉条纹拼接处理方法及相位耦合的计算公式.通过计算多级组合棱镜的干涉图强度、光程差函数及光谱分辨率,分析了采用三块子棱镜的组合结构的光谱获取,给出了用于分段干涉条纹拼接的处理方法及步骤,最终光谱分辨率可达2.8...     

基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术

本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术, 提出一种成像光谱偏振技术的新方案. 本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图, 四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像, 正反相干涉图相减获取纯干涉条纹, 纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹, 对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息. 文中描述了方案的原理结构, 推导出了干涉强度的表达式, 并利用计算机仿真验证了方案的可行性. 为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.     

双沃拉斯顿棱镜光强分束比精确分析

利用折射定律,介质膜两侧折射率不同时多光束干涉理论和菲涅耳公式,精确推导了双沃拉斯顿棱镜的光强分束比的具体表达式。以公式为基础,通过Matlab软件数值模拟作图分析光强分束比随入射角、入射波长和结构角的变化关系曲线。结果表明:在棱镜为介质胶合型时,光强分束比随入射角和入射波长的变化很小,光强分束比基本为1;棱镜为空气胶合型时,光强分束比随入射角,结构角和波长的变化很大。两种情况下,光强分束比随各参量的变化基本呈周期性变化。     

聚敛光下的Wollaston棱镜光强分束比研究

从棱镜的结构特点出发,利用折射定律和菲涅耳公式,推导了Wollaston棱镜对聚敛光的光强分束比随方位角的变化关系式。在入射角给定的情况下,分析了方位角对光强分束比的影响。结果表明:在入射角取定值时,方位角对光强分束比的影响基本呈二次曲线型变化;当方位角在160°～180°时,光强分束比最小。     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

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。     

改型Wollaston棱镜的光程差及其特性分析

简述了改型Wollaston棱镜的偏光结构和分光机理;应用波法线追迹法分析了光在棱镜中的传播规律与波矢轨迹;推导出了任意入射面内、以任意角入射时光在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了改型Wollaston棱镜中o光和e光光程差的理论表达公式;采用计算机模拟,给出了光程差随入射角、入射面与棱镜主截面的夹角、棱镜结构角及波长的变化曲线,并对其变化特性进行了深入的分析. 该研究对偏光棱镜的理论研究具有普遍的指导意义,为偏振分光器件及干涉成像光谱仪的研制和应用提供了重要的理论依据和实践指导. 关键词： 改型Wollaston棱镜 波法线追迹法 光程差     

偏光分束镜分束角的不对称性研究

文中给出了渥拉斯顿棱镜分束角的不对称性,并对通过调整胶合介质层来消除可调分束角棱镜的不对称性进行了分析。