专利名称：大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，主要用于横向剪切干涉仪，尤适用于高光谱分辨率的静态双光束干涉的无动镜干涉成像光谱仪。
背景技术：
八十年代以来出现了许多基于静态双光束干涉仪的无动镜干涉成像光谱仪。典型的静态双光束干涉仪有基于振幅分割的静态Michelson干涉仪，见“静态傅立叶变换光谱仪，应用光学”M.L.Junttila，Stationary Fourier Transform Spectrometer，AppliedOptics1992，214106～4112；变形Mach-Zehnder干涉仪，见“静态傅立叶变换光谱仪的性能缺点”M.L.Junttila，J.Kauppinen，E.Ikone，Performance Limits of StationaryFourier Spectrometers，J.O.S.A(A)，1991，91457～1462；Sagnac干涉仪，见“固定的三角形傅立叶变换光谱仪，应用光学”J.G Hirschberg，etc.，PentaferometerA solidSagnac Interferometer，Applied Optics，1999，1136～138；基于波前分割的Fresnel双镜干涉仪，见“具有菲涅耳双棱镜和Mach-Zehnder干涉仪的光大范围边缘阵列，应用光学”S.C.Leon，Broad Source Fringe Formation with a Fresnei Biprism and aMach-Zehnder Interferometer，Applied Optics，1987，245259～5265。这些静态干涉仪产生的干涉图是空间分布的强度信号，因此无动镜干涉成像光谱仪有可能实现对时变或脉冲辐射的实时监测。没有运动部件和扫描机构，使得仪器的结构变得简单、紧凑，且稳定，同时也减小了体积和重量，降低了成本。
横向剪切分束器是横向剪切干涉仪的核心部件。Sagnac干涉仪的横向剪切分束器叫三角形循环光路横向剪切分束器，又称Sagnac分束器，其结构可以做成实体，所以结构紧凑、稳定。但是，在这种横向剪切分束器中，两束相干光要经过分束面两次，有一半光能会返回光源，光能的利用率较低。变形Mach-Zehnder干涉仪，其横向剪切分束器的原理是两束相干光都只经过分束面一次，无光能返回光源，提高了光能的利用率。但其横向剪切分束器不能做成实体，导致结构不紧凑，稳定性较差，不适于野外或干扰较大的环境使用。
上述几种无动镜干涉成像光谱仪的光谱分辨率均较低。为提高剪切量，以产生高的光谱分辨率，横向剪切分束器的体积就需做的很大。
美国喷气推进实验室JPL的研究人员提出了用大规格、宽带量子阱红外探测器阵列来接收经空间调制的干涉信号的技术方案，其面阵规格为488×640，干涉系统采用类似Sagnac干涉仪的结构，见“傅立叶变换光谱仪技术进展概况红外月刊2002(9)，38-41”。在其已实现的火星水气探测系统的原型设计中，横向剪切分束器使用了剪切分光棱镜，该仪器体积是同参数下的Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Wollaston棱镜型干涉仪的四十分之一，重约10kg，在剪切量为25mm的情况下，光谱分辨率可达1cm-1，能量利用率也大幅度提高。但其横向剪切分束器是由3块玻璃拼装而成的，其组装、镀膜等加工技术的要求非常严格，加工难度也较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，其解决了背景技术中结构紧凑但光能利用率及光谱分辨率低；或能量利用率高，结构紧凑，光谱分辨率高，但对加工技术要求过高的技术问题。
本发明的技术解决方案是一种大剪切量横向剪切分束方法，其特殊之处在于该方法的实现步骤如下1)入射光IR入射到与水平光轴成45度角的半透半反面(DG)上；2)半透半反面(DG)将入射光IR分为反射光束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、与半透半反面(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、与反射面(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透过半透半反面(DG)，到达位于透射光束IT0光路上、与反射面(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的光程和与透射光束IT0、反射光束IT1的光程和无光程差；反射光束IF2与反射光束IT1平行；4)出射光IFC和出射光ITC为两束平行相干光。
一种实现上述大剪切量横向剪切分束方法的横向剪切分束器，由厚度相等的光学玻璃拼装构成，其特殊之处在于所述的光学玻璃包括一块梯形玻璃1和一块三角形玻璃2；所述的梯形玻璃1为直角梯形，其斜腰ADA′D′与下底CDC′D′的夹角为45度；所述的三角形玻璃2为等腰直角三角形；所述梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的一个腰DED′E′胶合为一体，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′与三角形玻璃2的底DFD′F′垂直；所述梯形玻璃1的斜腰ADA′D′为入射面ADA′D′，其上设有入射光IR的入射区域MNM′N′；所述梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的腰DED′E′粘合的部位是镀有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和镀有增透膜的增透面CGC′G′，所述半透半反面DGD′G′的位置与入射区域MNM′N′相应；所述梯形玻璃1的上底ABA′B′是镀有反射膜的反射面ABA′B′，其直角腰BCB′C′是镀有反射膜的反射面BCB′C′；所述三角形玻璃2的另一个腰EFE′F′是镀有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′为透射面DFD′F′。
上述梯形玻璃1的较合理尺寸比例是上底ABA′B′长与其直角腰BCB′C′长相等，下底CDC′D′长是上底ABA＇B′长的两倍。
上述梯形玻璃1和三角形玻璃2玻璃的厚度与限定入射光IR的狭缝的长度相应，即由入射光IR的狭缝的长度确定。
上述光轴OO′以位于所述入射区域MNM′N′的中心，并且垂直于所述入射面ADA′D′为宜。
上述半透半反面DGD′G′的大小可与入射光IR的最大视场角相应，即由入射光IR的最大视场角确定。
上述入射区域MNM′N′的中心高度应使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′。
上述入射区域MNM′N′的宽度可由限定入射光IR的狭缝与入射面ADA′D′的间距及入射光IR的视场角确定。
本发明具有以下优点1.采用本发明的方法，横向剪切分束器的结构可以做成实体，且结构更简单、紧凑，重量更轻，成本也相对较低。
2.在相同的剪切量要求下，其用于横向剪切干涉仪，体积是Michelson干涉仪、Sagnac干涉仪或Wollaston棱镜型干涉仪的四十分之一。
3.两束相干光只经过分束面一次，无光能返回光源，光能利用率较Sagnac干涉仪的横向剪切分束器可提高一倍。
4.可以产生很大的横向剪切量，从而可产生高光谱分辨率。
5.本发明的横向剪切分束器由两块玻璃组装而成，对加工技术、加工设备的要求相对较低。
6.由两块玻璃组装的结构，加工难度较低，技术参数更易确保实现，从而具有更好的稳定性。
7.抗干扰能力强，适用于野外或干扰较大的环境。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明横向剪切分束器的结构示意图；图3为采用本发明的横向剪切干涉仪的实施例示意图。
附图标号说明1-梯形玻璃，2-三角形玻璃，3-横向剪切分束器，4-傅立叶变换透镜，5-柱面镜，6-CCD探测器，7-目标，8-前置辅助光学系统，9-前置透镜，10-狭缝，11-计算机处理系统。
具体实施例方式
本发明可将入射光分为两束平行相干光。
参见图1，本发明的横向剪切分束方法实现步骤如下1.入射光IR入射到与水平光轴成45度角的半透半反面DG上。
2.半透半反面DG将入射光IR分为反射光束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、与半透半反面DG平行的反射面AB上。即，反射膜面AB与水平光轴亦成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、与反射面AB成90度角的反射面BC上。即，反射膜面BC与半透半反膜面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透过半透半反面DG，到达位于透射光束IT0的光路上、与反射面BC平行的反射面EF。即，反射膜面EF与半透半反膜面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的光程和与透射光束IT0、反射光束IT1的光程和无光程差；反射光束IF2与反射光束IT1平行。
4.出射光IFC和出射光ITC为两束平行相干光。
参见图2，实现本发明方法的横向剪切分束器，主要由两块厚度相等的光学玻璃拼装构成，即一块梯形玻璃1和一块三角形玻璃2。玻璃的厚度由横向剪切分束器入射光IR的狭缝的长度确定。梯形玻璃1为直角梯形，较合理的结构是上底ABA′B′长与直角腰BCB′C′长相等，下底CDC′D′长是上底ABA′B′长的两倍。三角形玻璃2为等腰直角三角形。
梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的一个腰DED′E′粘合为一体，且梯形玻璃1的斜腰ADA′D′与三角形玻璃2的底DFD′F′垂直。
梯形玻璃1的斜腰ADA′D′为入射面ADA′D′，其上设有允许光入射的入射区域MNM′N′。入射区域MNM′N′的宽度由狭缝2与入射面ADA′D′的间距及入射光IR的视场角决定，入射区域MNM′N′的中心高度应使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面ADA′D′或反射面BCB′C′，且边缘视场角光线的透射光线不会直接到达透射面DFD′F′透射出去。
梯形玻璃1的下底CDC′D′与三角形玻璃2的腰DED′E′相粘合的部位上，是镀有半透半反膜的半透半反面DGD′G′和镀有增透膜的增透面CGC′G′。半透半反面DGD′G′的位置与入射区域MNM′N′相应，半透半反面DGD′G′的大小，由入射光IR的最大视场角决定。梯形玻璃1的上底ABA′B′为镀有反射膜的反射面ABA′B′，直角腰BCB′C′为镀有反射膜的反射面BCB′C′。
三角形玻璃2的另一个腰EFE′F′为镀有反射膜的反射面EFE′F′，其底DFD′F′为透射面DFD′F′。
光轴OO′位于入射面ADA′D′的入射区域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，应保证被半透半反面DGD′G′分出的反射光束IF0和透射光束IT0，在由透射面DFD′F′出射时不产生光程差。
参见图1、2，本发明的工作过程如下1.入射光IR照射到入射面ADA′D′的允许入射区域MNM′N′上。
2.入射光IR通过入射区域MNM′N′到达半透半反面DGD′G′，被分为反射光束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′，通过增透面CGC′G′到达透射面DFD′F′，最后，通过透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光IFC。
2)透射光束IT0透过半透半反面DGD′G′，到达反射面EFE′F′，被反射到透射面DFD′F′，通过透射面DFD′F′透射出分束器，形成出射光ITC。
3.出射光IFC和出射光ITC即为两束平行的相干光。
参见图3，采用本发明的横向剪切干涉仪的工作原理如下1.来自目标7的平行光束通过前置透镜9，会聚到狭缝10处。如果目标7的光为非平行光，需经前置辅助光学系统8将其转化为平行光。狭缝10位于前置透镜9的焦点位置。
2.通过狭缝10的光束照射到横向剪切分束器3上。
3.横向剪切分束器3将入射光分为两束平行的相干光。
4.两束平行相干光经傅立叶变换透镜4傅氏变换，经柱面镜5会聚，被CCD探测器6接收，形成目标7的干涉光谱图，经计算机处理系统11变换还原成目标7的图像。
权利要求
1.一种大剪切量横向剪切分束方法，其特征在于该方法的实现步骤如下1)入射光IR入射到与水平光轴成45度角的半透半反面(DG)上；2)半透半反面(DG)将入射光IR分为反射光束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、与半透半反面(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、与反射面(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透过半透半反面(DG)，到达位于透射光束IT0光路上、与反射面(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的光程和与透射光束IT0、反射光束IT1的光程和无光程差；反射光束IF2与反射光束IT1平行；4)出射光IFC和出射光ITC为两束平行相干光。
2.一种实现权利要求1所述大剪切量横向剪切分束方法的横向剪切分束器，由厚度相等的光学玻璃拼装构成，其特征在于所述的光学玻璃包括一块梯形玻璃(1)和一块三角形玻璃(2)；所述的梯形玻璃(1)为直角梯形，其斜腰(ADA′D′)与下底(CDC′D′)的夹角为45度；所述的三角形玻璃(2)为等腰直角三角形；所述梯形玻璃(1)的下底(CDC′D′)与三角形玻璃(2)的一个腰(DED′E′)胶合为一体，且梯形玻璃(1)的斜腰(ADA′D′)与三角形玻璃(2)的底(DFD′F′)垂直；所述梯形玻璃(1)的斜腰(ADA′D′)为入射面(ADA′D′)，其上设有入射光IR的入射区域(MNM′N′)；所述梯形玻璃(1)的下底(CDC′D′)与三角形玻璃(2)的腰(DED′E′)粘合的部位是镀有半透半反膜的半透半反面(DGD′G′)和镀有增透膜的增透面(CGC′G′)，所述半透半反面(DGD′G′)的位置与入射区域(MNM′N′)相应；所述梯形玻璃(1)的上底(ABA′B′)是镀有反射膜的反射面(ABA′B′)，该梯形玻璃(1)的直角腰(BCB′C′)是镀有反射膜的反射面(BCB′C′)；所述三角形玻璃(2)的另一个腰(EFE′F′)是镀有反射膜的反射面(EFE′F′)，该三角形玻璃(2)的底(DFD′F′)为透射面(DFD′F′)。
3.根据权利要求2所述的横向剪切分束器，其特征在于所述梯形玻璃(1)的上底(ABA′B′)长与其直角腰(BCB′C′)长相等，该梯形玻璃(1)下底(CDC′D′)长是上底(ABA′B′)长的两倍。
4.根据权利要求2或3所述的横向剪切分束器，其特征在于所述梯形玻璃(1)和三角形玻璃(2)玻璃的厚度与限定入射光IR的狭缝的长度相应。
5.根据权利要求4所述的横向剪切分束器，其特征在于所述光轴OO′位于所述入射区域(MNM′N′)的中心，且垂直于所述入射面(ADA′D′)。
6.根据权利要求5所述的横向剪切分束器，其特征在于所述的半透半反面(DGD′G′)的大小，与入射光IR的最大视场角相应。
7.根据权利要求6所述的横向剪切分束器，其特征在于所述的入射区域(MNM′N′)的中心位于使边缘视场角光线的反射光线不会反射至入射面(ADA′D′)或反射面(BCB′C′)位置。
8.根据权利要求7所述的横向剪切分束器，其特征在于所述的入射区域(MNM′N′)的宽度由限定入射光IR的狭缝与入射面(ADA′D′)的间距及入射光IR的视场角确定。
全文摘要
一种大剪切量横向剪切分束方法及实现该方法的横向剪切分束器，其使入射光入射到半透半反面上，分为反射光束和透射光束。反射光束被反射至与半透半反面平行的反射面上，再被反射至与该反射面垂直的反射面上，由透射面出射，形成一束出射光。透射光束透过半透半反面，到达与半透半反面垂直的反射面，由透射面出射，形成一束出射光。两束出射光无光程差且平行，为两束平行相干光。本发明解决了背景技术中结构紧凑但光能利用率及光谱分辨率低；或能量利用率高、结构紧凑、光谱分辨率高，但对加工技术要求过高的技术问题。本发明仅由两块玻璃组成，加工难度低，稳定性更好，光能利用率高，可产生高光谱分辨率，抗干扰能力强。
文档编号G02B27/60GK1916575SQ200510043118
公开日2007年2月21日 申请日期2005年8月18日 优先权日2005年8月18日
发明者苏丽娟, 相里斌, 袁艳 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所