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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