Sagnac横向剪切干涉仪设计方法的研究

第19卷 第2期2010年3月 航 天 器 工 程SP ACECRA FT EN GI NEERIN G
Vo l.19 No.2
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Sagnac 横向剪切干涉仪设计方法的研究
白加光1 王忠厚1 白清兰1 肖相国1,2 相里斌3
(1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710119)
(2中国科学院研究生院,北京100039) (3中国科学院光电研究院,北京 100080)摘 要 详细论述了实体Sag nac 型干涉仪的工作原理和几何尺寸的优化设计方法,并对实体棱镜构成的干涉仪用展开成平板玻璃的方法来计算分束膜的投射高度,简单且快捷。

结合实例给出了计算结果,并对干涉仪的加工要求与装调方法等进行了定性分析。

关键词 Sag nac 干涉仪 傅里叶变换成像光谱仪 优化设计 加工装调
中图分类号:T N253 文献标志码:A 文章编号:1673 8748(2010)02 0087 05
A Study on Design Method for Sagnac Interferometer
of Lateral Shearing
BAI Jiag uang 1 WANG Zhonghou 1 BAI Qinglan 1 XIA O Xiang guo 1,2 XIAN GLI Bing 3(1Xi an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi an 710119,China)
(2Graduate Univer sity of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100039,China;
3Academ y o f Opto E lectr onics,Chinese Academy o f Sciences,Beijing 100080,China)Abstract:T he w o rking principle and optim al geom etry desig ning method for a specific Sagnac in terfero meter hav e been presented in detail T hen the best po sitio n of the optical axis is calculated by using the unfo lded lay out to do analysis.An example of this geom etry dimensions is given,and the fabricatio n specifications and alig nm ent adjustm ent methods hav e been qualitativ ely ana ly sed.
Key words:Sagnac interfer ometer;Four ier transfor m imaging spectrom eter;optimal designing;fabricatio n and alignment
收稿日期:2009 07 31;修回日期:2009 12 21
作者简介:白加光(1950-),男,高级工程师,主要从事光学设计,成像光谱仪光学技术的研究。

1 引言
傅里叶变换成像光谱仪(Fo urier T ransfo rm Im aging Spectro meters,FT IS)在20世纪90年代随着遥感成像光谱技术的发展得到大力推进和应用。

美国空军实验室于2000年7月19日在美国范登堡空军基地成功地发射了强力卫星 (Mig htySat )小卫星[1],该卫星上的超光谱成像光谱仪是第一
个采用实体型Sagnac 干涉仪的傅里叶变换成像光谱仪。

横向剪切干涉仪是空间调制型傅里叶变换成像光谱仪的核心和关键部件,其典型代表主要有
Sagnac(三角共光路)干涉型和迈克尔逊(反射镜倾斜)干涉型等。

实体型Sagnac 干涉仪以其突出优点成为横向剪切干涉仪的首选[2]。

此类干涉仪性能稳定(rugg ed)、体积小、不需要动镜且环境适应能力强,特别适合太空和高空环境工作[3]。

近几年来,该技术逐步成为以高分辨率遥感探测红外和可见光近
红外弱辐射的强有力工具,在机载和星载遥感探测任务中起到了重要作用,引起了国际上广泛的重视。

最近人们进一步提出了实体型Sag nac 干涉分光装置及其变体[4],它不仅体积小,重量轻,结构紧凑,而且能克服温度变化和机械振动等不利因素的影响
[5]。

众多文献介绍了实体Sag nac 型干涉仪的
组成结构,但是对于实体Sagnac 型干涉仪的最优设计方法文献报道较少。

本文详细论述了实体Sag nac 型干涉仪的优化设计方法,并扼要分析了加工工艺、装调和分光膜特性影响等方面的问题。

2 干涉仪工作原理
实体Sagnac 干涉仪可以用两个相同的半五角
棱镜和接触面之间镀有半透半反的分束膜(beam splitter)胶合组成[6],半五角棱镜的两个的锐角分别为45!和22 5!;入射的准直光束在分束面上的入射角为45!,一路光束反射后按顺时针方向传输,另一路光束透过分束面按反时针方向传输,如果两个棱镜相对分束膜对称组合,两路光束在干涉仪出射面上与光轴的方向相同且位置重合;如果对着入射面的棱镜沿分束面位移形成非对称组合,两路光束在干涉仪出射面上形成剪切[8],就有与光轴方向相同的两束干涉光线出射。

在成像的过程中,两干涉光束在焦平面传感器(FPA)上产生的光程差沿FPA 的其中一维方向变化,因此可以产生沿一维空间变化的干涉强度信号,即干涉条纹
[7]。

在FPA 的另一
维方向上产生目标的图像信息。

图1 空间调制干涉型傅里叶变换成像光谱仪的光路原理
F ig.1 Illust ratio n fo r F ourier transfor m imag ing spectr ometer of the spatial modulation
图1表示了空间调制干涉型傅里叶变换成像光谱仪的光路原理[6]。

前置镜的像面上设置狭缝,为干涉仪提供了一个目标源,通过干涉仪的横向剪切作用,目标源被分成两个分开的虚物,通过傅氏镜系统在它的出瞳面上形成一个具有极小夹角的相干双平面波,二平面波相干形成干涉条纹。

柱面镜的作用是把二相干平面波的干涉条纹压缩成一条线[9],被干涉图方向上的一列CCD 所探测。

3 优化设计
实体Sagnac 干涉仪是干涉光谱成像的关键部
件,它的作用是按照系统光路的要求分光,工作布置图如图2所示。

Sagnac 干涉仪在不同的工作面上镀不同的膜系,共有三种膜系,工作波段为450~950nm,入射面和出射面镀宽带高增透膜,反射面镀宽带高内反膜,分束面镀宽带高效分光膜。

分光膜对光谱成像仪的光谱分辨率、系统的能量利用率、干涉条纹的调制度、图像的信噪比都有直接影响。

从图2中看出,为了提高系统能量利用率,入射光线在分束膜上经过两透两反。

要求S1、S4镀多层宽带增透膜,S2、S3镀多层内反膜。

在胶合面要求局部镀消偏振宽带分光膜,透反分光比为1∀1;R P #T P ;R S #T S 要
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图2 干涉仪分光示意图
Fig 2 Schematic o f the beamsplitter of the
Sag nac int erfero meter
求小于7%,该局部分光膜不仅对系统能量利用率、干涉条纹调制度、图像信噪比影响比较大,而且还制约着干涉仪的空间结构尺寸、入射光线的光束宽度和光束入射高度。

将图2所示干涉仪(五角棱镜)展开成平板玻璃,研究宽带分光膜在五角棱角胶合面上的局部分布情况和Sag nac 干涉仪的空间几何尺寸。

由图3展开图可知,进入干涉仪的光束共有三次通过胶合面,为了提高系统能量利用率和图像信噪比,要求入射光束在分束面两透两反,透反区域应有一定量的隔离(无重叠)。

这一条件制约着干涉仪的空间结构尺寸、入射光线的光束宽度和光束入射高度。

对展
开图(图3)研究如下
:
图3 Sagnac 干涉仪展开光路图
Fig 3 U nfolded lay out of the Sagnac interfer ometer
P 为一点光源,发出上光线PA 3和下光线PB 3。

在展开图中光线PA 3与干涉仪棱镜胶合面OO ∃的分别相交与A 1、A 2和A 3点,PB 3与干涉仪棱镜胶合面OO ∃的分别相交于B 1、B 2和B 3点。

Sagnac 干涉仪是平面镜棱镜系统(可用展开平板玻璃的折射代替棱镜的折射),结合平面反射镜的成像特性,描出光线依次与棱镜胶合面的交点A 1∃、A 2、A 3∃和B 1∃、B 2、B 3∃。

在五角棱镜胶合面上入射光束的投影面积依次为A 1∃B 1∃,A 2B 2,A 3∃B 3∃,要保证三次通过胶合面时仅有两次被分光,必须满足条件:OB 2> 3∃。

设光轴展开总长为L p ,五角棱镜直角边长为L,光线入射高度为H ,光线发散角为 ,在满足如上
条件的情况下存在如下关系式:
3∃=2!%cos sin (45!
+ )&1
2(2%L +!)(1)!&L P %tan
(2)对于干涉光谱成像系统,
那么有以下公式
2!%cos sin (45!
+ )&12(2%L +!)
(3)!&(2+
2)%L %tan
(4)
即,当入射光束的发散角 确定时,实体Sa
gnac 干涉仪的结构尺寸和光束的入射高度就唯一确定了。

Sagnac 干涉仪局部宽带分光膜在胶合面分布如图3所示,Sag nac 干涉仪展开光路如图3中右侧C 向视图所示,其中
OA 3∃=12
∋(2∋L +H )
A 2
B 2=H
(5)
考虑到两块半五角棱镜胶合的平行精度,在胶
合面O ∃端边缘镀一窄条宽带分光膜。

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第2期 白加光等:Sag nac 横向剪切干涉仪设计方法的研究
4 应用实例计算
4 1 主要技术指标
1)工作波段:450~950nm;
2)谱段数:110~128;
3)CCD探测器:512(空间)∋512(光谱方向二合一),像元大小S为16∀m,采用单边过零28元,有效采样点数N S为228像元;
4)傅氏镜焦距f:130m m。

4 2 干涉仪横向剪切量参数计算
波数间隔为11696cm-1,光谱分辨率为98cm-1,最大光程差[5]为L=51∀m,干涉仪横向剪切量d和错位量c分别为:
d=Lf
N S S
=0 9mm;c=d/0 5858=1 6mm
通过公式(3)、(4)、(5),计算得到干涉仪外形尺寸与分光膜区域投影高度数据如表1中参数1所示,实际装调结果如参数2所示。

表1 干涉仪外形尺寸与分光膜区域高度数据
Tabal1 Geometric dimensions of the interferometer and beam projective height of the beamsplitter
参数L/mm L P/mm H/mm OA3∃/m m T(厚度)/mm备注123 431805 71!8 20 5740理论值223 431805 71!7 81218 4640实际值
5 加工与装调要求
干涉仪是静态干涉成像光谱仪的核心元件[10],选用均匀性好的K9或BK7玻璃进行加工,两块棱镜的反射面面形精度要求较高,光圈不规则度要求不小于1/20#。

两块棱镜的塔高一致性要求小于0 01mm,同时保证组合后的第一光学平行差和第二光学平行差均小于7角秒。

实体Sagnac干涉仪两块半五角棱镜的胶合过程在装配工艺中保证,干涉仪装调工艺有两部分组成:干涉仪的胶合和微应力安装。

干涉仪胶合大体有两种方法:干涉法和垫板法。

采用干涉法进行干涉仪的胶合时将在分光面涂胶后的干涉仪置于检测光路中(光路系统由激光器、平行光管、CCD摄像机三部分组成),平行光管的光源为激光,激光单色光(632 8nm)通过平行光管、干涉仪后,进入CCD摄像机。

在摄像机的监视器上看到等间隔的干涉条纹,通过干涉条纹的变化监控干涉仪的胶合装调。

这种胶合工艺的优点是干涉仪的非工作面无需抛光加工,且非工作面与胶合面的90!夹角的精度要求相对较低。

但是胶合时调整干涉仪所用的时间较长时,重复操作容易造成膜层损伤。

采用垫板法对干涉仪进行胶合时原理简单,装调方便。

但是这种胶合工艺要求干涉仪两块半五棱镜的非工作面作抛光加工,两块半五角棱镜胶合面与非工作面的90!夹角的精度较高,而且垫板的厚度精度和平行差精度也要严格控制。

干涉仪在装夹过程中产生的应力变形会直接影响静态干涉成像光谱仪的成像质量。

为了尽量消除装夹应力影响,在Sagnac干涉仪的两端面(非光学面)分别胶粘了一定厚度的光学玻璃垫板,垫板的选材必须与干涉仪的材料相同,然后将干涉仪和玻璃平板一起胶粘在干涉仪的底座上。

6 小结
本文详细地论述了实体Sagnac干涉仪的设计方法,给出了设计公式和相关计算结果,并对加工装调工艺、分光膜特性等进行了初步分析研究。

解决了静态干涉成像光谱仪干涉仪设计的技术问题,同时本文对干涉仪的条纹对比度、宽带分光膜的偏振度指标等具体问题给出了定性分析。

这些问题的详细论证有待结合具体实践再作更进一步的研究。

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(编辑:朱丽)
动态新闻
美国空军授出(宽带全球卫星通信)卫星发射合同
据美国av iationw eek 网站2010年1月4日报道,美国空军选择联合发射联盟(U LA)的德尔它 4火箭发射第四颗宽带全球卫星通信(WGS)卫星入轨。

发射WGS 4卫星的联合发射联盟公司于2006年12月成立,迄今已发射37次,包括22次发射德尔它 2火箭,11次发射宇宙神 5火箭,4次发射德尔它 4火箭,所有发射都取得成功。

WGS 系列卫星将极大增强宽带服务,为战场提供地图、数据之类的通信,中继无人机视频,发送语音和数据信息等。

WGS 1卫星为美国太平洋司令部提供服务,覆盖美国西海岸到东南亚;W GS 2卫星为中央司令部的军事行动处理数据,包括伊拉克和阿富汗的军事行动,覆盖印度洋。

WGS 3卫星覆盖大西洋东部,为美国的欧洲司令部和非洲司令部提供服务,并为中东地区提供租借支持。

WGS 3是WGS 第一批次中的最后一颗卫星,WGS 4属于第二批次卫星,操作者可以经由卫星更有效地中继来自无人机的数据。

这颗卫星可能在2011年12月∗2012年2月之间发射。

俄罗斯违反协议拒向美国提供用于NASA 深空探测的钚238
据美国太空新闻网2009年12月11日报道,俄罗斯撕毁了在2010年和2011年向美国交付共10kg 钚238的协议,并坚持应就NASA 深空探测计划的关键材料达成新的交易。

这项变动发生在美国国会否决奥巴马总统关于2010年为能源部逐步重启钚238民用生产申请3000万美元的请求之后。

美国核实验室重新生产同位素,预期成本最少为1.5亿美元,而且在资金获得批准后还要花费6~7年时间。

一位美国共和党议员表示,俄罗斯决定扣留已经应允的钚元素,肯定是考虑美国现在不会在2011年之前花费任何资金来重启自己的生产。

在过去几十年,NA SA 依靠钚238来为远程航天器供电。

2006年用于探测冥王星的新地平线探测器发射升空,它携带有重11kg 的钚元素,(火星科学实验室)(M SL)漫游器将在2011年后期发射,它也将携带有3.5kg 的钚。

据了解,美国在20世纪80年代末停止生产钚238,然而美国核实验室仍然能够处理和储存用于放射性动力系统的材料。

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