基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是包括偏振分光鏡、反射式閃耀光柵、偏振片、成像光學(xué)系統(tǒng)和干涉圖樣接收面各器件；平行入射光束經(jīng)偏振分光鏡分為P光和S光，P光依次經(jīng)第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵反射后沿與入射光束相反的方向前行，經(jīng)偏振分光鏡反射后依次經(jīng)偏振片和成像光學(xué)系統(tǒng)投射到干涉圖樣接收面上；S光依次經(jīng)第二反射式閃耀光柵和第一反射式閃耀光柵反射后沿與入射光束垂直的方向依次透過偏振分光鏡、偏振片和成像光學(xué)系統(tǒng)后投射到干涉圖樣接收面上；干涉元件是針對(duì)平行入射光束在干涉圖樣接收面上獲得干涉圖樣。本發(fā)明能滿足白光偏振干涉儀的要求。
【專利說明】
基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件。
【背景技術(shù)】
[0002]干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的一種儀器。來自同一個(gè)光源的不同光束，各自經(jīng)過不同的光程，然后再經(jīng)過合并，可顯出干涉條紋。在光譜學(xué)中、微生物學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)、遙感科學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事科學(xué)、精密機(jī)械、精密測量與精密控制等方向有著重要作用。干涉儀光路中大多采用反射、折射、衍射來實(shí)現(xiàn)光的分離、偏折和匯聚。
[0003]由于干涉儀測量的依據(jù)是干涉條紋，干涉條紋的可見度對(duì)干涉儀非常重要;傳統(tǒng)干涉儀中，影響干涉條紋的可見度的主要因素是相干光束的振幅比、光源的大小和光源的非單色性。相干光束的振幅比差越大，可見度越低，設(shè)計(jì)干涉系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量使相干光束的振幅比為I，即相干光束的振幅相等；由于實(shí)際光源都有一定的大小，光源的大小會(huì)影響干涉儀的空間相干性，所以設(shè)計(jì)干涉儀時(shí)應(yīng)將光源限定在一定大小范圍內(nèi)；光源的非單色性會(huì)影響干涉儀的時(shí)間相干性，相干光的單色性與頻譜寬度是一個(gè)概念，單色性好即頻譜寬度窄，頻譜寬度越窄，干涉條紋可見度越高。
[0004]由于實(shí)際應(yīng)用的需要(如遙感應(yīng)用中)，需要一種以白光(可見光，波長380-760nm)為光源的干涉儀，由于絕大部分白光最初光源來自太陽，所以光源的振幅比、大小、非單色性都是非常數(shù)，所以設(shè)計(jì)白光干涉儀是必須盡量使振幅比為I，光源大小較小，縮緊頻譜寬度。
[0005]但是光源大小會(huì)影響遙感等設(shè)備的成像質(zhì)量和范圍，也不能限制，頻譜寬度必須滿足可見光范圍，也不能再加限制;但是，現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于滿足非限定白光光源情況下使用的干涉結(jié)構(gòu)的未有公開報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，以期能滿足白光偏振干涉儀的要求。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)是:包括偏振分光鏡、第一反射式閃耀光柵、第二反射式閃耀光柵、偏振片、成像光學(xué)系統(tǒng)和干涉圖樣接收面各器件;設(shè)置所述干涉元件的結(jié)構(gòu)形式為:
[0009]平行的入射光束A經(jīng)偏振分光鏡分束為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光，分別是反射形成的第一光束Al I和透射形成的第二光束Al 2。
[0010]所述第一光束AlI依次經(jīng)第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵反射后沿著與入射光束相反的方向入射到偏振分光鏡，并在偏振分光鏡上反射后依次經(jīng)偏振片和成像光學(xué)系統(tǒng)投射到干涉圖樣接收面上。
[0011]所述第二光束A12依次經(jīng)第二反射式閃耀光柵和第一反射式閃耀光柵反射后沿著與入射光束垂直的方向入射到偏振分光鏡，并經(jīng)偏振分光鏡透射后依次經(jīng)偏振片和成像光學(xué)系統(tǒng)后投射到干涉圖樣接收面上。
[0012]所述干涉元件是針對(duì)平行的入射光束在所述干涉圖樣接收面上獲得干涉圖樣。
[0013]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述偏振分光鏡設(shè)置為與入射光束成45°角;所述第一光束All在所述第一反射式閃耀光柵上的入射角為22.5° ;所述第二光束A12在所述第二反射式閃耀光柵上的入射角為22.5°。
[00M]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:
[00?5]令:第一光束All在所述第一反射式閃耀光柵上的入射角為al，出射角為a2;
[0016]第一光束AlI在所述第二反射式閃耀光柵上的入射角為bl，出射角為b2;
[0017]第二光束A12在所述第一反射式閃耀光柵上的入射角為Cl，出射角為c2;
[0018]第二光束A12在所述第一反射式閃耀光柵上的入射角為dl，出射角為d2;
[0019]并令:a= a2_al，b = b2_bl，c = c2_cl，d = d2_dl ；
[0020]設(shè)置第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵的閃耀方向，使得在a、b、c和d之間存在如下關(guān)系:3 =匕=(-0) = (-(1)。
[0021]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述偏振片設(shè)置為其透光軸與其入射的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光的偏振方向均成45°角。
[0022]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵為相同器件。
[0023]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述所述第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵的一級(jí)衍射效率不低于80% ;
[0024]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述偏振分光鏡對(duì)于P光具有不低于85%的反射效率;對(duì)于S光具有不低于85%的透射效率；
[0025]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述干涉圖樣接收面是處在所述成像光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上；
[0026]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述第一反射式閃耀光柵、第二反射式閃耀光柵和偏振分光鏡為集成器件。
[0027]本發(fā)明基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件的特點(diǎn)也在于:所述集成器件按如下方式制作:在一塊BK7或者其它同級(jí)別的光學(xué)玻璃上切下一五棱柱體，在所述五棱柱體的第一面和第二面上分別形成第一反射式閃耀光柵和第二反射式閃耀光柵，所述第一面和第二面之間間隔有底面;令:與所述底面相對(duì)的棱邊為頂邊，頂邊所在的角為五棱柱的頂角，按如下兩種不同的方式形成偏振分光鏡:
[0028]方式一:對(duì)于五棱柱體，過其頂邊以及底面的中心位置進(jìn)行切分，形成兩個(gè)相對(duì)的切分面;在任一切分面上形成偏振分光鏡;再原位粘合五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作；
[0029]方式二:對(duì)于五棱柱體，在頂角位置處切下一長方體，再將長方體在對(duì)角線位置上進(jìn)行切分，形成對(duì)角線位置上的兩個(gè)切分面，在任一切分面上形成偏振分光鏡;再依次原位粘合長方體和五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作。
[0030]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0031]1、本發(fā)明正是滿足了三個(gè)要求，一是干涉儀中光束中各頻率相同；二是干涉儀中光束相位差與波長成一個(gè)定比；三是干涉儀中光束的偏振方向相同，因此是一種滿足了非限定白光光源情況下使用的干涉結(jié)構(gòu)，干涉效果好。
[0032]2、本發(fā)明進(jìn)一步通過將第一反射式閃耀光柵、第二反射式閃耀光柵和偏振分光鏡作為集成器件，使整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，設(shè)備生產(chǎn)安裝簡單，對(duì)安裝精度要求低。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖和光路圖
[0034]圖2和圖3為本發(fā)明中集成器件不實(shí)施方式示意圖；
[0035]圖中標(biāo)號(hào):I第一反射式閃耀光柵、2偏振分光鏡、3第二反射式閃耀光柵、4偏振片、5成像光學(xué)系統(tǒng)、6干涉圖樣接收面。
【具體實(shí)施方式】
[0036]參見圖1，本實(shí)施例中基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件包括偏振分光鏡2、第一反射式閃耀光柵1、第二反射式閃耀光柵3、偏振片4、成像光學(xué)系統(tǒng)5和干涉圖樣接收面6各器件;設(shè)置干涉元件的結(jié)構(gòu)形式為:
[0037]平行的入射光束A經(jīng)偏振分光鏡2分束為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光，分別是反射形成的第一光束Al I和透射形成的第二光束Al2;第一光束Al I依次經(jīng)第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3反射后沿著與入射光束相反的方向入射到偏振分光鏡2，并在偏振分光鏡2上反射后依次經(jīng)偏振片4和成像光學(xué)系統(tǒng)5投射到干涉圖樣接收面6上;第二光束A12依次經(jīng)第二反射式閃耀光柵3和第一反射式閃耀光柵I反射后沿著與入射光束垂直的方向入射到偏振分光鏡2，并經(jīng)偏振分光鏡2透射后依次經(jīng)偏振片4和成像光學(xué)系統(tǒng)5后投射到干涉圖樣接收面6上。干涉元件是針對(duì)平行的入射光束A在干涉圖樣接收面6上獲得干涉圖樣。
[0038]圖1所不，由前置光學(xué)系統(tǒng)形成的平行的入射光束A由偏振分光鏡2分束為振動(dòng)方向相互垂直的兩束線偏振光，即第一光束Al I和第二光束Al 2;第一光束Al I依次到達(dá)第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3;由于閃耀光柵的閃耀作用，第一光束All在第一反射式閃耀光柵I上的入射角和出射角并不相等，在第二反射式閃耀光柵3上的入射角和出射角也不相等，第一光束All經(jīng)兩次閃耀光柵的偏置，再經(jīng)偏振分光鏡2的反射形成第一光束出射光BI I。同樣，第二光束A12依次到達(dá)第二反射式閃耀光柵3和第一反射式閃耀光柵I;在第二反射式閃耀光柵3上的入射角和出射角不相等，在第一反射式閃耀光柵I上的入射角和出射角也不相等，經(jīng)兩次閃耀光柵的偏置，再經(jīng)偏振分光鏡2的反射形成第二光束出射光B12。
[0039]第一光束出射光Bll和第二光束出射光B12在經(jīng)過偏振片4檢偏后使其偏振方向?yàn)橥环较?；?jīng)成像光學(xué)系統(tǒng)5后即在干涉圖樣接收面6上獲得干涉條紋，對(duì)于干涉條紋經(jīng)過相應(yīng)的處理即可獲得由前置光學(xué)系統(tǒng)形成的平行入射光束A的偏振態(tài)信息。
[0040]具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置為:
[0041 ]為了保證，第一光束出射光和第二光束偏振方向相同，偏振分光鏡2設(shè)置為其透光軸與其入射的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光的偏振方向均成45°角;第一光束All在第一反射式閃耀光柵I上的入射角為22.5°;第二光束A12在第二反射式閃耀光柵3上的入射角為22.5°。以此保證在第一光束出射光Bll和第二光出射光B12之間存在一定的距離，從而滿足干涉條件，形成干涉條紋。
[0042]令:第一光束AlI在第一反射式閃耀光柵I上的入射角為al，出射角為a2;
[0043]第一光束AlI在第二反射式閃耀光柵3上的入射角為bl，出射角為b2;
[0044]第二光束A12在第二反射式閃耀光柵3上的入射角為Cl，出射角為c2;
[0045]第二光束A12在第一反射式閃耀光柵I上的入射角為dl，出射角為d2;
[0046]并令:a= a2_al，b = b2_bl，c = c2_cl，d = d2_dl ；
[0047]設(shè)置第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3的閃耀方向，使得在a、b、c和d之間存在如下關(guān)系:3 =匕=(-0) = (-(1)。
[0048]設(shè)置a= b，使得第一光束在經(jīng)兩次閃耀光柵之后所產(chǎn)生的閃耀角相互抵消，并使光束位置發(fā)生偏移；同樣，設(shè)置c = d，第二光束在經(jīng)兩次閃耀光柵之后所產(chǎn)生的閃耀角相互抵消，并使光束位置發(fā)生偏移，設(shè)置a = b=(-c) = (-d)，則兩次偏移方向相反，從而使第一光束出射光BI I和第二光束出射光BI 2之間形成一個(gè)距離。
[0049]偏振片4設(shè)置為其透光軸與其入射的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光的偏振方向均成45°角。這樣可保證第一光束出射光和第二光束出射光在經(jīng)過偏振片4的檢偏后偏振方向變?yōu)橥环较颉?br>[0050]本實(shí)施例中第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3為相同器件。相同器件是指兩光柵之間具有相同的刻線數(shù)、相同的閃耀角和相同的一級(jí)衍射效率，更優(yōu)的選擇是兩光柵由同一片母柵復(fù)制得到。這樣可保證第一光束和第二光束相互平行且出射時(shí)兩光束產(chǎn)生的偏移量相同。
[0051 ]本實(shí)施例中以第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3的一級(jí)衍射效率不低于80%，以獲得較高的衍射效率，保證干涉條紋的亮度。
[0052]設(shè)置偏振分光鏡2對(duì)于P光具有不低于85%的反射效率;對(duì)于S光具有不低于85 %的透射效率，以此獲得較高的分光效率，保證干涉條紋的亮度。
[0053]設(shè)置干涉圖樣接收面6是處在成像光學(xué)系統(tǒng)5的焦平面上；以便形成穩(wěn)定清晰的干涉條紋，并由CCD或者其它感光元件接收。
[0054]本實(shí)施例中將第一反射式閃耀光柵1、第二反射式閃耀光柵3和偏振分光鏡2按如下方式制成集成器件。
[0055]如圖2和圖3所示，在一塊BK7或者其它同級(jí)別的光學(xué)玻璃上切下一五棱柱體，在五棱柱體的第一面21和第二面23上分別形成第一反射式閃耀光柵I和第二反射式閃耀光柵3，第一面21和第二面23之間間隔有底面22;令:與底面22相對(duì)的棱邊為頂邊24，頂邊24所在的角為五棱柱的頂角，按如下兩種不同的方式形成偏振分光鏡2:
[0056]方式一:如圖2所示，對(duì)于五棱柱體，過其頂邊24以及底面22的中心位置進(jìn)行切分，形成兩個(gè)相對(duì)的切分面25;在任一切分面25上形成偏振分光鏡2;再原位粘合五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作。
[0057]方式二:如圖3所示，對(duì)于五棱柱體，在頂角位置處切下一長方體，再將長方體在對(duì)角線位置上進(jìn)行切分，形成對(duì)角線位置上的兩個(gè)切分面25，在任一切分面25上形成偏振分光鏡2;再依次原位粘合長方體和五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作。
[0058]圖2和圖3所示的制作方法可保證干涉元件具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在制作過程中各角及面的相對(duì)位置受環(huán)境影響小，便于和其它光學(xué)設(shè)備進(jìn)行裝配。
[0059]本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)成像式寬光譜偏振干涉，為寬光譜，如可見光波段場景偏振分量獲取提供光學(xué)結(jié)構(gòu)支持，主要應(yīng)用于寬頻段偏振干涉成像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是包括偏振分光鏡(2)、第一反射式閃耀光柵(I)、第二反射式閃耀光柵(3)、偏振片(4)、成像光學(xué)系統(tǒng)(5)和干涉圖樣接收面(6)各器件;設(shè)置所述干涉元件的結(jié)構(gòu)形式為: 平行的入射光束A經(jīng)偏振分光鏡(2)分束為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光，分別是反射形成的第一光束Al I和透射形成的第二光束Al 2; 所述第一光束AU依次經(jīng)第一反射式閃耀光柵(I)和第二反射式閃耀光柵(3)反射后沿著與入射光束A相反的方向入射到偏振分光鏡(2)，并在偏振分光鏡(2)上反射后依次經(jīng)偏振片(4)和成像光學(xué)系統(tǒng)(5)投射到干涉圖樣接收面(6)上； 所述第二光束A12依次經(jīng)第二反射式閃耀光柵(3)和第一反射式閃耀光柵(I)反射后沿著與入射光束A垂直的方向入射到偏振分光鏡(2)，并經(jīng)偏振分光鏡(2)透射后依次經(jīng)偏振片(4)和成像光學(xué)系統(tǒng)(5)后投射到干涉圖樣接收面(6)上； 所述干涉元件是針對(duì)平行的入射光束A在所述干涉圖樣接收面(6)上獲得干涉圖樣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述偏振分光鏡(2)設(shè)置為與入射光束A成45°角;所述第一光束Al I在所述第一反射式閃耀光柵(I)上的入射角為22.5°;所述第二光束A12在所述第二反射式閃耀光柵(3)上的入射角為22.5。。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是: 令:第一光束All在所述第一反射式閃耀光柵(I)上的入射角為al，出射角為a2; 第一光束All在所述第二反射式閃耀光柵(3)上的入射角為bl，出射角為b2; 第二光束A12在所述第二反射式閃耀光柵(3)上的入射角為Cl，出射角為c2; 第二光束A12在所述第一反射式閃耀光柵(I)上的入射角為dl，出射角為d2; 并令:a = a2_al，b = b2_bl，c = c2_cl，d = d2_dl 設(shè)置第一反射式閃耀光柵(I)和第二反射式閃耀光柵(3)的閃耀方向，使得在a、b、c和d之間存在如下關(guān)系:3 =匕=(-0) = (-(1)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述偏振片(4)設(shè)置為其透光軸與其入射的兩束偏振方向相互垂直的線偏振光的偏振方向均成45° 角。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述第一反射式閃耀光柵(I)和第二反射式閃耀光柵(3)為相同器件。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述所述第一反射式閃耀光柵(I)和第二反射式閃耀光柵(3)的一級(jí)衍射效率不低于80%。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述偏振分光鏡(2)對(duì)于P光具有不低于85%的反射效率;對(duì)于S光具有不低于85%的透射效率。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述干涉圖樣接收面(6)是處在所述成像光學(xué)系統(tǒng)(5)的焦平面上。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述第一反射式閃耀光柵(I)、第二反射式閃耀光柵(3)和偏振分光鏡(2)為集成器件。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反射式閃耀光柵的簡化Sagnac干涉元件，其特征是:所述集成器件按如下方式制作:在一塊BK7或者其它同級(jí)別的光學(xué)玻璃上切下一五棱柱體，在所述五棱柱體的第一面(21)和第二面(23)上分別形成第一反射式閃耀光柵(I)和第二反射式閃耀光柵(3)，所述第一面(21)和第二面(23)之間間隔有底面(22);令:與所述底面(22)相對(duì)的棱邊為頂邊(24)，頂邊(24)所在的角為五棱柱的頂角，按如下兩種不同的方式形成偏振分光鏡(2): 方式一:對(duì)于五棱柱體，過其頂邊(24)以及底面(22)的中心位置進(jìn)行切分，形成兩個(gè)相對(duì)的切分面(25);在任一切分面(25)上形成偏振分光鏡(2);再原位粘合五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作； 方式二:對(duì)于五棱柱體，在頂角位置處切下一長方體，再將長方體在對(duì)角線位置上進(jìn)行切分，形成對(duì)角線位置上的兩個(gè)切分面(25)，在任一切分面(25)上形成偏振分光鏡(2);再依次原位粘合長方體和五棱柱體，完成五棱柱體集成器件的制作。
【文檔編號(hào)】G01B9/02GK106052550SQ201610291271
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】金施群, 邢金玉, 嚴(yán)成宸, 閆真真, 侯少陽
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)