一种多棱镜组合设计优化图像干涉性能的新方法

近几 年 ， 双折 射棱 镜 光谱 仪成 为 静态 光谱 仪Biblioteka Baidu研究 的热 点 ，Ｃ ｒｌ研究 了以一定角度 入射双 折射棱 镜后 ，干涉 条纹 ａｏｅ 产生变化对光谱分 析造 成的影响［ ； ａｔｒｏ ９ Ｐ ｔ ｓｎ将双折射棱镜 ｅ
应用 于大 气 中苯 含 量 的检 测 ，其 可 实 现 ｐ ｍ 级 的 浓 度 检 ｐ
第 ３ 卷 ， １ 期 １ 第 １
２０１１年 １１月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ １Ｎ ．１ｐ３６－１６ ｏ ３ ， ｏ１ ，ｐ１３ ６ ． ３
Ｎｏ ｅ ｂ ｒ ０ １ ｖ ｍ ｅ ，２ １
Ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
引 言
光谱探测作 为一种重 要 的测 试手段 ， 在科 研 、生产 、环 境检测等方 面 ， 都发挥着重要 的作 用 。在户外 高速光谱 探测 的应用领域 中采用无 扫描结构 ， 小体积 紧凑 结构具 有显著优 势 。按调制方 式分 两类 ，一 类是 时 问调 制 的迈 克 尔 逊光 谱 仪 ，另一类是空 间调制 的静态傅 里叶变换 光谱仪 。时间调制 迈克尔逊光谱仪通 过机械扫描装置提供变化的光程差实现光 谱获取 。对于时 间调制型 的光谱仪 而言 ，其光谱 分辨率 可 以 很高 ， 由于需要 机械 扫描 ，其结构 复杂 ，体积庞 大 ，抗震 但
辨率 与干涉条 纹质 量之间的矛盾 ， 本文对传统 双折射棱 镜的 改 良实现了在 大 幅提 高干 涉条纹 质量 的 同时提 高光 谱分 辨
率。
性能差 ， 以调节 ，不适 合户外高速光谱探测 。 难 采用 空间调制技 术 获取光 谱 的干 涉具 有迈 克尔 逊倾 斜
镜 、菲涅耳双棱镜 、双折射棱 镜 、 双直 角反射镜 、横 向剪切 、 波导 型、液 晶偏 振型 、斜楔 、马赫一 曾德 干涉 具＿ ］ １ 等多 种结 构 。由这些干涉具 构成 的静 态 盯 光 谱仪 ， 构简 单 ，体积 结 小， 在实时探测领域具有广泛 的应 用前景 。但 它们普遍 存在 着低光谱 分辩 率问题 ，这限制 了其应 用 。为此 ，人们开 始探 讨提 高分 辩力 的方法 ，如加拿 大 Ｉａ ｏ ｖｎ ｖ采用 阶梯 平面 反射 镜 ； ａ ｔ ｎ采用合成 时间孔径 技术 将几个 具 有不 同光 学延 Ｓ ｎｒ ａ 迟 的静态 Ｆ Ｔ光谱 仪器形 成 的干 涉条重 构＿ ；Ｄ ｒｅ ｔｅｓ ６ ａｒｎＳｅｒ 采用 双折射棱 镜和 面阵 Ｃ Ｄ研究 了激 光光谱 ［ 。中 国科学 Ｃ ７ ］
１ 双折射棱镜 的优化设计
１ １ 传 统 双 折 射 棱 镜 ．
传统 双折射棱镜 如图 １ 所示 ， 入射光通 过双折射棱 镜晶 体后 Ｏ 和 ｅ 光 光会分 开 ， 分开 的角度取决于 晶体 的折射 率和 双折射棱镜 的结构 角 。由于棱镜 出射 面为 平面 ， 以对 应的 所 分束 角 ａ是以入射光延长线对称张开 的。
在 传 统 双 折射 棱 镜 中 ， 涉 具 主 要 由起 偏 器 Ｐ 、检 偏 器 干
院西 安光 机 所 的 静态 干涉 成 像 光 谱 仪 ，采 用 了 Ｓ ｇ ａ ａ ｎｃ结
收稿 日期 ： ０ ０１—１ ２ １ —１２ 。修订 Ｅ期 ： ０ １０ —０ ｔ ２ １—４２
Ｐ、 双折 射棱 镜及 柱面镜等组成 。 中， 其 起偏器 Ｐ 的偏振方
摘
要
为 了在不影 响干涉条 纹成像 质量的基础上通过增大 双折射棱镜结 构角 的方 法获得更 细致的光谱 成
分 ，优化设计了双折射棱镜的结构 。通过计算分束角与结构角之 间的函数关系 ，分析得知在传统双折射棱镜 后 附加一个 与第二个楔 形同性质 的等腰三 角形棱镜 ，使 出射 棱镜 的 Ｏ光和 ｅ 光平行 于光轴 ，即分束 角 ａ为
更精确 。
关键词
光谱探测 ； 多棱镜组合 ；分束角 ；图像干 涉
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ：１． ９４ ｉｉｓ． ０００ ９ （０ １ １—１ ３０ ＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ —５ ３２ １ ） １３ ６—４
中 图分 类 号 ： ４ ６３ ０ ３ ．
构 ， ］ 分辨率为 １８５ｃ ～。 ０． ｍ
基金项 目： 国家 自然科学￣
（０７２８ ， ５ ８ ５ ４ ） 山西省 自 然科学基金项 目（０ ９ １ ２ —） ２ ０ １ ０ ６２ 资助 ｅ ａ ： ｘ ｃ ａｇ ｅｇ ２ ・ｏ － ｉ ｓｙｚ ｎ ｐ ｎ ＠１ ６ ｃｒ ｍ ｌ ｈ ｎ
０， 。 从而干涉条纹 的成像不再受 分束 角的变化所影响 。 并将优化 的双折射棱镜 制成棱镜组以进一步提高光谱 分辨率 。实验分别采用传统双折射棱镜组和优化 的双折射棱镜 组对 ９ ０ｍ 的激光光 源进行测量 。实验数 据 ８ 可知 ，采用优化的双折射棱镜组得到 的干涉条纹对 比度更清 晰 ， 对应 由 Ｄ Ｐ傅里 叶变换得到 的光 谱数据 也 Ｓ
一
种 多棱镜 组合 设 计优 化 图像 干涉 性 能 的新 方 法
张 鹏 ，王建 荣 ，张国晨 ，侯 文
１ ．中 北 大 学 电 子 测 试技 术 国家 重 点实 验 室 ，山 西 太 原 ２ ．太 原 科 技 大 学 应 用科 学 院 ，山西 太 原 ０ ０ ２ ３０４ ０ ０ ５ ３０ １
测 ＿ 美 国 的 Ｄａ ｉ ｈｌｐＫｏ ｓｒｋ研 究 的 静 态 傅 里 叶 变 】 叩； ｎｅ Ｐ ｉｉ ｍｉ ｅ ｌ ｌ ａ
换光谱仪 ， 用双 折射 棱 镜组 增 加 光程 差 ，但 图像拼 接 复 采 杂； 仝雷在其硕士论文 中研究 了增大双折射棱 镜结构角 提高 光谱 分辨率的方法 ， 最小光谱分辨率为 ７ ． ｍ ６ ６ｃ 。目前 ， 对 双折射棱镜 的研究 过程 中都遇到了共 同的 问题 ，就是光 谱分