專利名稱：大剪切量橫向剪切分束方法及實(shí)現(xiàn)該方法的橫向剪切分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橫向剪切分束方法及實(shí)現(xiàn)該方法的橫向剪切分束器，主要用于橫向剪切干涉儀，尤適用于高光譜分辨率的靜態(tài)雙光束干涉的無(wú)動(dòng)鏡干涉成像光譜儀。
背景技術(shù)：
八十年代以來(lái)出現(xiàn)了許多基于靜態(tài)雙光束干涉儀的無(wú)動(dòng)鏡干涉成像光譜儀。典型的靜態(tài)雙光束干涉儀有基于振幅分割的靜態(tài)Michelson干涉儀，見(jiàn)“靜態(tài)傅立葉變換光譜儀，應(yīng)用光學(xué)”M.L.Junttila，Stationary Fourier Transform Spectrometer，AppliedOptics1992，214106～4112；變形Mach-Zehnder干涉儀，見(jiàn)“靜態(tài)傅立葉變換光譜儀的性能缺點(diǎn)”M.L.Junttila，J.Kauppinen，E.Ikone，Performance Limits of StationaryFourier Spectrometers，J.O.S.A(A)，1991，91457～1462；Sagnac干涉儀，見(jiàn)“固定的三角形傅立葉變換光譜儀，應(yīng)用光學(xué)”J.G Hirschberg，etc.，PentaferometerA solidSagnac Interferometer，Applied Optics，1999，1136～138；基于波前分割的Fresnel雙鏡干涉儀，見(jiàn)“具有菲涅耳雙棱鏡和Mach-Zehnder干涉儀的光大范圍邊緣陣列，應(yīng)用光學(xué)”S.C.Leon，Broad Source Fringe Formation with a Fresnei Biprism and aMach-Zehnder Interferometer，Applied Optics，1987，245259～5265。這些靜態(tài)干涉儀產(chǎn)生的干涉圖是空間分布的強(qiáng)度信號(hào)，因此無(wú)動(dòng)鏡干涉成像光譜儀有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變或脈沖輻射的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件和掃描機(jī)構(gòu)，使得儀器的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單、緊湊，且穩(wěn)定，同時(shí)也減小了體積和重量，降低了成本。
橫向剪切分束器是橫向剪切干涉儀的核心部件。Sagnac干涉儀的橫向剪切分束器叫三角形循環(huán)光路橫向剪切分束器，又稱Sagnac分束器，其結(jié)構(gòu)可以做成實(shí)體，所以結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定。但是，在這種橫向剪切分束器中，兩束相干光要經(jīng)過(guò)分束面兩次，有一半光能會(huì)返回光源，光能的利用率較低。變形Mach-Zehnder干涉儀，其橫向剪切分束器的原理是兩束相干光都只經(jīng)過(guò)分束面一次，無(wú)光能返回光源，提高了光能的利用率。但其橫向剪切分束器不能做成實(shí)體，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不緊湊，穩(wěn)定性較差，不適于野外或干擾較大的環(huán)境使用。
上述幾種無(wú)動(dòng)鏡干涉成像光譜儀的光譜分辨率均較低。為提高剪切量，以產(chǎn)生高的光譜分辨率，橫向剪切分束器的體積就需做的很大。
美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL的研究人員提出了用大規(guī)格、寬帶量子阱紅外探測(cè)器陣列來(lái)接收經(jīng)空間調(diào)制的干涉信號(hào)的技術(shù)方案，其面陣規(guī)格為488×640，干涉系統(tǒng)采用類似Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)“傅立葉變換光譜儀技術(shù)進(jìn)展概況紅外月刊2002(9)，38-41”。在其已實(shí)現(xiàn)的火星水氣探測(cè)系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)中，橫向剪切分束器使用了剪切分光棱鏡，該儀器體積是同參數(shù)下的Michelson干涉儀、Sagnac干涉儀或Wollaston棱鏡型干涉儀的四十分之一，重約10kg，在剪切量為25mm的情況下，光譜分辨率可達(dá)1cm-1，能量利用率也大幅度提高。但其橫向剪切分束器是由3塊玻璃拼裝而成的，其組裝、鍍膜等加工技術(shù)的要求非常嚴(yán)格，加工難度也較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大剪切量橫向剪切分束方法及實(shí)現(xiàn)該方法的橫向剪切分束器，其解決了背景技術(shù)中結(jié)構(gòu)緊湊但光能利用率及光譜分辨率低；或能量利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，光譜分辨率高，但對(duì)加工技術(shù)要求過(guò)高的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種大剪切量橫向剪切分束方法，其特殊之處在于該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下1)入射光IR入射到與水平光軸成45度角的半透半反面(DG)上；2)半透半反面(DG)將入射光IR分為反射光束IF0和透射光束IT0；(1)反射光束IF0①反射光束IF0被反射至位于反射光束IF0光路上、與半透半反面(DG)平行的反射面(AB)上；②被反射面(AB)反射出的反射光束IF1，被反射至位于反射光束IF1光路上、與反射面(AB)成90度角的反射面(BC)上；③被反射面(BC)反射出的反射光束IF2，由透射面(DF)出射，形成出射光IFC；(2)透射光束IT0①透射光束IT0透過(guò)半透半反面(DG)，到達(dá)位于透射光束IT0光路上、與反射面(BC)平行的反射面(EF)；
②被反射面(EF)反射出的反射光束IT1，由透射面(DF)出射，形成出射光ITC；3)反射光束IF0、反射光束IF1、反射光束IF2的光程和與透射光束IT0、反射光束IT1的光程和無(wú)光程差；反射光束IF2與反射光束IT1平行；4)出射光IFC和出射光ITC為兩束平行相干光。
一種實(shí)現(xiàn)上述大剪切量橫向剪切分束方法的橫向剪切分束器，由厚度相等的光學(xué)玻璃拼裝構(gòu)成，其特殊之處在于所述的光學(xué)玻璃包括一塊梯形玻璃1和一塊三角形玻璃2；所述的梯形玻璃1為直角梯形，其斜腰ADA′D′與下底CDC′D′的夾角為45度；所述的三角形玻璃2為等腰直角三角形；所述梯形玻璃1的下底CDC′D′與三角形玻璃2的一個(gè)腰DED′E′膠合為一體，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′與三角形玻璃2的底DFD′F′垂直；所述梯形玻璃1的斜腰ADA′D′為入射面ADA′D′，其上設(shè)有入射光IR的入射區(qū)域MNM′N′；所述梯形玻璃1的下底CDC′D′與三角形玻璃2的腰DED′E′粘合的部位是鍍有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和鍍有增透膜的增透面CGC′G′，所述半透半反面DGD′G′的位置與入射區(qū)域MNM′N′相應(yīng)；所述梯形玻璃1的上底ABA′B′是鍍有反射膜的反射面ABA′B′，其直角腰BCB′C′是鍍有反射膜的反射面BCB′C′；所述三角形玻璃2的另一個(gè)腰EFE′F′是鍍有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′為透射面DFD′F′。
上述梯形玻璃1的較合理尺寸比例是上底ABA′B′長(zhǎng)與其直角腰BCB′C′長(zhǎng)相等，下底CDC′D′長(zhǎng)是上底ABA＇B′長(zhǎng)的兩倍。
上述梯形玻璃1和三角形玻璃2玻璃的厚度與限定入射光IR的狹縫的長(zhǎng)度相應(yīng)，即由入射光IR的狹縫的長(zhǎng)度確定。
上述光軸OO′以位于所述入射區(qū)域MNM′N′的中心，并且垂直于所述入射面ADA′D′為宜。
上述半透半反面DGD′G′的大小可與入射光IR的最大視場(chǎng)角相應(yīng)，即由入射光IR的最大視場(chǎng)角確定。
上述入射區(qū)域MNM′N′的中心高度應(yīng)使邊緣視場(chǎng)角光線的反射光線不會(huì)反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′。
上述入射區(qū)域MNM′N′的寬度可由限定入射光IR的狹縫與入射面ADA′D′的間距及入射光IR的視場(chǎng)角確定。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.采用本發(fā)明的方法，橫向剪切分束器的結(jié)構(gòu)可以做成實(shí)體，且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、緊湊，重量更輕，成本也相對(duì)較低。
2.在相同的剪切量要求下，其用于橫向剪切干涉儀，體積是Michelson干涉儀、Sagnac干涉儀或Wollaston棱鏡型干涉儀的四十分之一。
3.兩束相干光只經(jīng)過(guò)分束面一次，無(wú)光能返回光源，光能利用率較Sagnac干涉儀的橫向剪切分束器可提高一倍。
4.可以產(chǎn)生很大的橫向剪切量，從而可產(chǎn)生高光譜分辨率。
5.本發(fā)明的橫向剪切分束器由兩塊玻璃組裝而成，對(duì)加工技術(shù)、加工設(shè)備的要求相對(duì)較低。
6.由兩塊玻璃組裝的結(jié)構(gòu)，加工難度較低，技術(shù)參數(shù)更易確保實(shí)現(xiàn)，從而具有更好的穩(wěn)定性。
7.抗干擾能力強(qiáng)，適用于野外或干擾較大的環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖；圖2為本發(fā)明橫向剪切分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用本發(fā)明的橫向剪切干涉儀的實(shí)施例示意圖。
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明1-梯形玻璃，2-三角形玻璃，3-橫向剪切分束器，4-傅立葉變換透鏡，5-柱面鏡，6-CCD探測(cè)器，7-目標(biāo)，8-前置輔助光學(xué)系統(tǒng)，9-前置透鏡，10-狹縫，11-計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可將入射光分為兩束平行相干光。
參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的橫向剪切分束方法實(shí)現(xiàn)步驟如下1.入射光IR入射到與水平光軸成45度角的半透半反面DG上。
2.半透半反面DG將入射光IR分為反射光束IF0和透射光束IT0。
1)反射光束IF0
(1)反射光束IF0被反射至位于反射光束IF0的光路上、與半透半反面DG平行的反射面AB上。即，反射膜面AB與水平光軸亦成45度角。
(2)被反射面AB反射出的反射光束IF1，被反射至位于反射光束IF1的光路上、與反射面AB成90度角的反射面BC上。即，反射膜面BC與半透半反膜面DG垂直。
(3)被反射面BC反射出的反射光束IF2，由透射面DF出射，形成出射光IFC。
2)透射光束IT0(1)透射光束IT0透過(guò)半透半反面DG，到達(dá)位于透射光束IT0的光路上、與反射面BC平行的反射面EF。即，反射膜面EF與半透半反膜面DG垂直。
(2)被反射面EF反射出的反射光束IT1，由透射面DF出射，形成出射光ITC。
3.反射光束IF0、反射光束IF1、反射光束IF2的光程和與透射光束IT0、反射光束IT1的光程和無(wú)光程差；反射光束IF2與反射光束IT1平行。
4.出射光IFC和出射光ITC為兩束平行相干光。
參見(jiàn)圖2，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的橫向剪切分束器，主要由兩塊厚度相等的光學(xué)玻璃拼裝構(gòu)成，即一塊梯形玻璃1和一塊三角形玻璃2。玻璃的厚度由橫向剪切分束器入射光IR的狹縫的長(zhǎng)度確定。梯形玻璃1為直角梯形，較合理的結(jié)構(gòu)是上底ABA′B′長(zhǎng)與直角腰BCB′C′長(zhǎng)相等，下底CDC′D′長(zhǎng)是上底ABA′B′長(zhǎng)的兩倍。三角形玻璃2為等腰直角三角形。
梯形玻璃1的下底CDC′D′與三角形玻璃2的一個(gè)腰DED′E′粘合為一體，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′與三角形玻璃2的底DFD′F′垂直。
梯形玻璃1的斜腰ADA′D′為入射面ADA′D′，其上設(shè)有允許光入射的入射區(qū)域MNM′N′。入射區(qū)域MNM′N′的寬度由狹縫2與入射面ADA′D′的間距及入射光IR的視場(chǎng)角決定，入射區(qū)域MNM′N′的中心高度應(yīng)使邊緣視場(chǎng)角光線的反射光線不會(huì)反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′，且邊緣視場(chǎng)角光線的透射光線不會(huì)直接到達(dá)透射面DFD′F′透射出去。
梯形玻璃1的下底CDC′D′與三角形玻璃2的腰DED′E′相粘合的部位上，是鍍有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和鍍有增透膜的增透面CGC′G′。半透半反面DGD′G′的位置與入射區(qū)域MNM′N′相應(yīng)，半透半反面DGD′G′的大小，由入射光IR的最大視場(chǎng)角決定。梯形玻璃1的上底ABA′B′為鍍有反射膜的反射面ABA′B′，直角腰BCB′C′為鍍有反射膜的反射面BCB′C′。
三角形玻璃2的另一個(gè)腰EFE′F′為鍍有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′為透射面DFD′F′。
光軸OO′位于入射面ADA′D′的入射區(qū)域MNM′N′的中心，且垂直于入射面ADA′D′。
梯形玻璃1和三角形玻璃2的尺寸大小，應(yīng)保證被半透半反面DGD′G′分出的反射光束IF0和透射光束IT0，在由透射面DFD′F′出射時(shí)不產(chǎn)生光程差。
參見(jiàn)圖1、2，本發(fā)明的工作過(guò)程如下1.入射光IR照射到入射面ADA′D′的允許入射區(qū)域MNM′N′上。
2.入射光IR通過(guò)入射區(qū)域MNM′N′到達(dá)半透半反面DGD′G′，被分為反射光束IF0和透射光束IT0。
1)反射光束IF0被反射到反射面ABA′B′；又被反射到反射面BCB′C′，再被反射至增透面CGC′G′，通過(guò)增透面CGC′G′到達(dá)透射面DFD′F′，最后，通過(guò)透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光IFC。
2)透射光束IT0透過(guò)半透半反面DGD′G′，到達(dá)反射面EFE′F′，被反射到透射面DFD′F′，通過(guò)透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光ITC。
3.出射光IFC和出射光ITC即為兩束平行的相干光。
參見(jiàn)圖3，采用本發(fā)明的橫向剪切干涉儀的工作原理如下1.來(lái)自目標(biāo)7的平行光束通過(guò)前置透鏡9，會(huì)聚到狹縫10處。如果目標(biāo)7的光為非平行光，需經(jīng)前置輔助光學(xué)系統(tǒng)8將其轉(zhuǎn)化為平行光。狹縫10位于前置透鏡9的焦點(diǎn)位置。
2.通過(guò)狹縫10的光束照射到橫向剪切分束器3上。
3.橫向剪切分束器3將入射光分為兩束平行的相干光。
4.兩束平行相干光經(jīng)傅立葉變換透鏡4傅氏變換，經(jīng)柱面鏡5會(huì)聚，被CCD探測(cè)器6接收，形成目標(biāo)7的干涉光譜圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)11變換還原成目標(biāo)7的圖像。
權(quán)利要求
1.一種大剪切量橫向剪切分束方法，其特征在于該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下1)入射光IR入射到與水平光軸成45度角的半透半反面(DG)上；2)半透半反面(DG)將入射光IR分為反射光束IF0和透射光束IT0；(1)反射光束IF0①反射光束IF0被反射至位于反射光束IF0光路上、與半透半反面(DG)平行的反射面(AB)上；②被反射面(AB)反射出的反射光束IF1，被反射至位于反射光束IF1光路上、與反射面(AB)成90度角的反射面(BC)上；③被反射面(BC)反射出的反射光束IF2，由透射面(DF)出射，形成出射光IFC；(2)透射光束IT0①透射光束IT0透過(guò)半透半反面(DG)，到達(dá)位于透射光束IT0光路上、與反射面(BC)平行的反射面(EF)；②被反射面(EF)反射出的反射光束IT1，由透射面(DF)出射，形成出射光ITC；3)反射光束IF0、反射光束IF1、反射光束IF2的光程和與透射光束IT0、反射光束IT1的光程和無(wú)光程差；反射光束IF2與反射光束IT1平行；4)出射光IFC和出射光ITC為兩束平行相干光。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述大剪切量橫向剪切分束方法的橫向剪切分束器，由厚度相等的光學(xué)玻璃拼裝構(gòu)成，其特征在于所述的光學(xué)玻璃包括一塊梯形玻璃(1)和一塊三角形玻璃(2)；所述的梯形玻璃(1)為直角梯形，其斜腰(ADA′D′)與下底(CDC′D′)的夾角為45度；所述的三角形玻璃(2)為等腰直角三角形；所述梯形玻璃(1)的下底(CDC′D′)與三角形玻璃(2)的一個(gè)腰(DED′E′)膠合為一體，且梯形玻璃(1)的斜腰(ADA′D′)與三角形玻璃(2)的底(DFD′F′)垂直；所述梯形玻璃(1)的斜腰(ADA′D′)為入射面(ADA′D′)，其上設(shè)有入射光IR的入射區(qū)域(MNM′N′)；所述梯形玻璃(1)的下底(CDC′D′)與三角形玻璃(2)的腰(DED′E′)粘合的部位是鍍有半透半反膜的半透半反面(DGD′G′)和鍍有增透膜的增透面(CGC′G′)，所述半透半反面(DGD′G′)的位置與入射區(qū)域(MNM′N′)相應(yīng)；所述梯形玻璃(1)的上底(ABA′B′)是鍍有反射膜的反射面(ABA′B′)，該梯形玻璃(1)的直角腰(BCB′C′)是鍍有反射膜的反射面(BCB′C′)；所述三角形玻璃(2)的另一個(gè)腰(EFE′F′)是鍍有反射膜的反射面(EFE′F′)，該三角形玻璃(2)的底(DFD′F′)為透射面(DFD′F′)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述梯形玻璃(1)的上底(ABA′B′)長(zhǎng)與其直角腰(BCB′C′)長(zhǎng)相等，該梯形玻璃(1)下底(CDC′D′)長(zhǎng)是上底(ABA′B′)長(zhǎng)的兩倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述梯形玻璃(1)和三角形玻璃(2)玻璃的厚度與限定入射光IR的狹縫的長(zhǎng)度相應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述光軸OO′位于所述入射區(qū)域(MNM′N′)的中心，且垂直于所述入射面(ADA′D′)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述的半透半反面(DGD′G′)的大小，與入射光IR的最大視場(chǎng)角相應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述的入射區(qū)域(MNM′N′)的中心位于使邊緣視場(chǎng)角光線的反射光線不會(huì)反射至入射面(ADA′D′)或反射面(BCB′C′)位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的橫向剪切分束器，其特征在于所述的入射區(qū)域(MNM′N′)的寬度由限定入射光IR的狹縫與入射面(ADA′D′)的間距及入射光IR的視場(chǎng)角確定。
全文摘要
一種大剪切量橫向剪切分束方法及實(shí)現(xiàn)該方法的橫向剪切分束器，其使入射光入射到半透半反面上，分為反射光束和透射光束。反射光束被反射至與半透半反面平行的反射面上，再被反射至與該反射面垂直的反射面上，由透射面出射，形成一束出射光。透射光束透過(guò)半透半反面，到達(dá)與半透半反面垂直的反射面，由透射面出射，形成一束出射光。兩束出射光無(wú)光程差且平行，為兩束平行相干光。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中結(jié)構(gòu)緊湊但光能利用率及光譜分辨率低；或能量利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊、光譜分辨率高，但對(duì)加工技術(shù)要求過(guò)高的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明僅由兩塊玻璃組成，加工難度低，穩(wěn)定性更好，光能利用率高，可產(chǎn)生高光譜分辨率，抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G02B27/60GK1916575SQ200510043118
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者蘇麗娟, 相里斌, 袁艷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所