一種可調橫向剪切量的新型偏振干涉成像光譜儀
摘要： 為了克服傳統成像光譜儀穩定性差，干涉條紋雜亂復雜等缺點(diǎn)，提出了一種基于可調橫向剪切量薩伐爾 (Savart)偏光鏡的新型偏振干涉成像光譜儀。具體分析推導了光線(xiàn)入射角變化對這種新型的可調橫向剪切量薩伐 爾偏光鏡的光程差、偏振度以及對系統干涉條紋的影響；簡(jiǎn)要論述了這種新型偏振干涉成像光譜儀的工作機理和 運行方式，從原理上論證了它具有重量輕、體積小、抗震性好、適用范圍廣、分束光線(xiàn)平行均勻分布、干涉圖樣清晰、 處理簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，為新型可調橫向剪切量的偏振干涉成像光譜儀的設計、研制、調試和工程化提供理論依據和 實(shí)踐指導。

1 引 言 自20世紀80年代初期美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí) 驗室(JPL)提出了成像光譜儀的概念至今，成像光 譜技術(shù)已得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應用 。早 期出現的成像光譜儀大多基于色散棱鏡或衍射光 柵，稱(chēng)為色散型成像光譜儀。這類(lèi)成像光譜儀原理 簡(jiǎn)單、性能穩定，但存在系統光通量小探測靈敏度低 的不足，妨礙了它的進(jìn)一步發(fā)展，對高靈敏度探測器 的依賴(lài)和對光學(xué)系統的苛刻要求成為此類(lèi)技術(shù)的瓶 頸。經(jīng)典的干涉成像光譜儀則基于邁克耳孫干涉 儀，依靠精密動(dòng)鏡的勻速、直線(xiàn)往返運動(dòng)獲得干涉 圖，光路不受狹縫限制，其系統光通量比色散型成像 光譜儀可高兩個(gè)數量級，但由于掃描時(shí)對鏡面的傾 斜和橫移具有很高的要求，系統的穩定性大大降低， 應用環(huán)境和條件也受到限制。為了克服精密動(dòng)鏡系 統穩定性的難題，人們又提出了空間調制干涉成像 光譜儀，并在航天遙感、風(fēng)場(chǎng)探測等方面得到了重要 的應用l_3]。這種成像光譜儀的光路中也設置狹縫， 其探測靈敏度不高，但與色散型光譜成像儀相比，由 于其狹縫的寬度與光譜分辨力無(wú)關(guān)，因此，在空間分 辨力要求不高的條件下，空間調制干涉成像光譜儀 也可以具有較高的靈敏度。為了解決成像光譜技術(shù) 中高穩定度與高靈敏度的矛盾，本文在對干涉成像 光譜技術(shù)多年研究結果的基礎上l_4 ]，提出了一種 可調橫向剪切量的新型偏振干涉成像光譜儀，采用 轉鏡代替直線(xiàn)運動(dòng)的精密動(dòng)鏡機構，具有較高的系 統穩定性、探測靈敏度和探測速度，同時(shí)也克服了現 有技術(shù)中存在的一些原理缺陷。

2 薩伐爾偏光鏡結構與原理分析 分束裝置是光學(xué)實(shí)驗尤其是干涉光譜儀中常用 的重要部件。傳統的邁克耳孫干涉儀中，它由一個(gè) 半透半反鏡和兩個(gè)反射鏡組成。這種分束裝置在防 震條件好的場(chǎng)合能夠有效地工作，但在環(huán)境干擾嚴 重時(shí)，由于反射鏡、半反鏡及各自的支架振動(dòng)狀態(tài) (幅度、頻率和振動(dòng)方向)的不同，造成了分束光之間 的相位抖動(dòng)，降低了形成的干涉條紋的穩定度，嚴重 時(shí)會(huì )使相關(guān)的實(shí)驗不能進(jìn)行。改進(jìn)的常規可調分束 角棱鏡 (如羅雄棱鏡、沃拉斯頓棱鏡等)雖然能形 成相對穩定的分光束，但分光束偏振性較差，光強分 布不均，以及干涉圖像復雜干涉數據不易處理等弱 點(diǎn)極大地限制了其應用與發(fā)展。而本文描述的基于 薩伐爾板的可調橫向剪切量偏光鏡產(chǎn)生的兩線(xiàn)偏振 光彼此平行，偏振度高相干性好，干涉圖像簡(jiǎn)單干涉 數據處理方便，其橫向剪切量不但具有較大取值而 且可調，這些明顯的特點(diǎn)，無(wú)疑將拓寬橫向剪切偏光 器件的應用范圍。 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡是一種新型的分 束裝置l_9]，它由如圖1所示的光軸相互垂直且各與 系統光軸成45。角的兩塊等厚單軸負(正)晶薩伐爾 板及 ／2相位延遲片組成。從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏 后，入射到薩伐爾板的左板，分為尋常光(o光)和非 常光(e光)，O光沿原方向傳播，e光偏折。當兩束 光通過(guò) ／2板時(shí)，由于它們的偏振方向與 ／2板光 軸都成45。角，所以?xún)墒�線(xiàn)偏振光出射 ／2板時(shí)振動(dòng) 方向轉動(dòng)了90。。射入第二塊晶體板后，原O光變?yōu)?e光，原e光變?yōu)�。光，在薩伐爾板的后表面偏折后 沿平行于入射光的方向射出，并由此形成一定的橫 向簡(jiǎn)切量d，為光線(xiàn)經(jīng)成像系統形成干涉圖樣奠定 了基礎。 圖1 薩伐爾偏光鏡結構組成與光學(xué)原理圖 Fig．1 Structure and optical principle of Savart polariscope 在圖2中，光線(xiàn)從折射率為 的各向同性介質(zhì) 以0點(diǎn)為入射點(diǎn)入射薩伐爾偏光鏡。入射光入射角 為i，入射面與ZOX平面(主截面)成 角。 圖2 薩伐爾偏光鏡光線(xiàn)追跡圖 Fig．2 Beam tracing diagram of Savart polariscope 通過(guò)計算可知經(jīng)薩伐爾偏光鏡后光線(xiàn)成為平行 于入射光線(xiàn)且有一定間距的二光束l_1 ，其總的橫向 剪切量為 d一麗一~／1葡丌 ， (1) 總的光程差A—L。 一L 。一 l l，分別將各參量 代入： ． t ( ) ~／ 2( )一 sin i ~／ 壘 ； 一ni l l一 1 ( )一 sin i 。 。 (cos + sin )sin i+ 孺 ∞o z +十 in2w) in2 2) 更為詳細的具體推導可參考文獻[10]。以方解 石晶體為例( 一1．48640，‰一1．65835)，可得到圖3 所示的薩伐爾偏光鏡光程差隨i，0．／的變化曲線(xiàn)。 ’ 、I — i=0。 ， ～ ＼ 、 一i=2。 。 — 一 。 。 — ． ／ ／ ～ 0 60 l2O l80 240 300 360 ∞／(。) 圖3 光程差隨i， 的變化曲線(xiàn) Fig．3 Variation of optical path difference versus the parameters of i and(u 結合圖像可以直觀(guān)地發(fā)現，橫向剪切量和光程 差在叫一180。左右成對稱(chēng)分布，這是因為視場(chǎng)補償 型薩伐爾偏光鏡前后兩個(gè)薩伐爾板的光軸方向在空 間關(guān)于叫一180。完全對稱(chēng)所導致的。橫向剪切量和 光程差在入射角 ≠0時(shí)圍繞i一0做類(lèi)似于正弦曲 線(xiàn)的上下波動(dòng)。橫向剪切量在0。、180。出現最小值， 在90。、270。出現最大值。而光程差在0。出現最小 值，在180。出現最大值，并在90。、270。出現零光程 差。這些都與兩塊薩伐爾板的光軸方向有直接 關(guān)系。 根據可調分束角棱鏡，在光源以固定方向入射 時(shí)通過(guò)旋轉鏡體改變入射角從而得到較大的分束角 獲得大光程差的原理口¨，我們也可利用薩伐爾偏光 鏡光程差隨入射角近似線(xiàn)性增長(cháng)的特點(diǎn)，在保持入 射平面與主截面叫不變的前提下，旋轉棱鏡改變入 射角i即可獲取較大的光程差，若在此條件下連續 采樣一定的干涉數據即可獲取光源在一定光程差范 圍內的干涉數據，適當處理即可獲取光譜信息，這也 是我們設計的基于可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡的 新型偏振干涉光譜儀的理論基礎。

3 干涉成像光譜儀 圖4是我們自主設計的基于雙折射晶體(可調 橫向簡(jiǎn)切量薩伐爾偏光鏡)分光器的偏振干涉成像 光譜儀的光路圖。其中P1和P2為偏振方向互相 垂直放置的兩偏振片，薩伐爾偏光鏡固定在叫一 180。的平面上，并可在紙面方向上圍繞鏡體中心旋 轉擺動(dòng)。初始時(shí)刻，P1的偏振方向與薩伐爾偏光鏡 左板主光軸成45。角，以確保兩分光光束光強對稱(chēng) 分布，且初始光程差為零，便于后期數據處理。 Slit r 一 J l ^ 。 {。。 一{ 一l ’Ce O ／] 一 l， j oe Savart Z 圖4 新型司調橫向剪切量偏振干涉成像光譜儀原理圖 由上面的計算分析可知當叫一180。時(shí)系統可獲 得最大的光程差，而光譜儀的分辨力一般與光程差 成正比l_】 ，從而有利于提高光譜儀的分辨力。光源 (Source)發(fā)出的光通過(guò)狹縫后經(jīng)起偏器變?yōu)檠仄��?片偏振方向振動(dòng)的線(xiàn)偏振光，入射到薩伐爾偏光鏡 上后發(fā)生雙折射，成為兩束線(xiàn)偏振光：尋常光(0光) 和非尋常光(e光)，0光沿原入射方向傳播，e光則 發(fā)生偏折。而在進(jìn)入薩伐爾偏光鏡右板時(shí)，由于光 軸方向的改變，原。光變成e光，原e光變成。光。 出射光變成兩束有橫向剪切量，振動(dòng)方向互相垂直 且平行于原入射光傳播方向的線(xiàn)偏振光，經(jīng)分析器 后兩束光振動(dòng)方向一致，經(jīng)成像鏡后在探測器表面 相遇形成干涉條紋。旋轉偏光鏡，通過(guò)旋轉鏡體使 入射角在一i到i區間內往復連續變化，雖然由于旋 轉使入射點(diǎn)發(fā)生變化，但是根據薩伐爾偏光鏡出射 光線(xiàn)與入射光線(xiàn)平行傳播的特點(diǎn)，易知鏡體旋轉造 成入射角改變(不同入射點(diǎn))與光線(xiàn)入射角改變(同 一入射點(diǎn))造成的光程差分布是相同的，即可獲取如 圖3隨旋轉入射角變化的光程差分布，并由此獲得 最終不同光程差下的干涉條紋。且由于入射角關(guān)于 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡中心平面(圖4中的 YZ面)具有良好的上下對稱(chēng)變化性，因此通過(guò)適當 的數據采集(單邊或雙邊)l_1 ，就可以得到一定光程 差范圍內的一組干涉數據，由于這種干涉圖像采集 模式類(lèi)似邁克耳孫干涉光譜儀，因此數據之間關(guān)系 清晰，數據采樣與復原處理可利用光程差非線(xiàn)性的 轉鏡式傅里葉變換光譜儀的處理方式l_】 ，相關(guān)實(shí)驗 表明這種轉鏡式傅里葉變換光譜儀中用轉鏡代替直 線(xiàn)移動(dòng)的精密動(dòng)鏡，可有效提高光譜分辨力和時(shí)間 分辨力[14ds]。此外，由圖3光程差隨i，叫的變化曲 O 5毗 O毗 5∞ O 5∞ O毗 5吡 O O O O O O O O O 一 一 一 一 芒aJ 葛II苗盆rBu 盆0 線(xiàn)可知，當 一定時(shí)(cu≠180。)，光程差始終與i成 近似的線(xiàn)性關(guān)系，而對 的小幅變化不敏感，因此 干涉成像光譜儀中薩伐爾偏光鏡允許的傾斜誤差容 限較大，系統穩定性大大提高 。

4 結 論 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡與可調分束角棱 鏡相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于保持了分束后的出射光 線(xiàn)極高的偏振度，且分束光線(xiàn)保持彼此平行，光束強 度分布對稱(chēng)均勻，克服了分束角型分束棱鏡光線(xiàn)發(fā) 散不易收集，干涉條紋雜亂復雜等缺點(diǎn)。而基于可 調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡的新型偏振干涉成像光 譜儀，和傳統的邁克耳孫干涉儀相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是 裝置的整體性強，消除了半反半透鏡和反射鏡之間 的相對震動(dòng)，同時(shí)由于兩光束均出射于同一器件，對 于工作平臺和分束棱鏡震動(dòng)造成的兩光束之間相位 相對抖動(dòng)也有很好的補償作用，可得到相當穩定的 干涉條紋，大大提高了光學(xué)系統的抗震性能。 其次由于使用了薩伐爾偏光鏡，改傳統干涉儀 動(dòng)鏡相對移動(dòng)為繞分束器中心旋轉，采用轉鏡代替 直線(xiàn)運動(dòng)或擺動(dòng)的精密動(dòng)鏡機構，具有較高的系統 穩定性、探測靈敏度和探測速度，能夠在與被探測目 標相對靜止的情況下，獲取目標的兩維空間信息和 一維光譜信息。因此光譜儀具有體積小，重量輕，抗 震性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。依靠轉動(dòng)鏡體形成連續變化的 光程差，在采用非線(xiàn)性補償后_】 ，可大大拓寬轉鏡 的折射率、工作角等參量的選擇余地，在工程設計中 也具有很大的實(shí)際意義，極大地提高了干涉成像光 譜儀的應用范圍。