CN112815830B - 一种双滤波横向剪切干涉仪及基于其的光谱成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双滤波横向剪切干涉仪及基于其的光谱成像方法，解决现有干涉仪由于机械移动部件移动引入的线性误差问题，干涉仪包括沿光路依次设置的前置光学准直***、第一偏振器、第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器、第二偏振器、傅里叶变换成像物镜、光电探测器；前置光学准直***置于光路最前端，光电探测器位于傅里叶变换成像物镜的像面上；被测远场目标的反射、辐射或者透射光经前置光学准直***后被第一偏振器起偏形成线偏振光，然后依次在第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器内发生声光互作用，输出光经过第二偏振器后被傅里叶变换成像物镜聚焦于光电探测器的靶面上形成干涉条纹。

Description

一种双滤波横向剪切干涉仪及基于其的光谱成像方法

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，具体涉及一种声光调制的双滤波横向剪切干涉仪。

背景技术

当声波以一定的速度在声光介质中传输时，由于声波扰动产生一个应变力，这个应变力会使介质内的分子在一定程度上受到挤压，进而使分子的固有位置发生改变，所以声光介质的折射率发生了相应的变化，也就是说，这个过程相当于声波可以使声光介质的折射率发生改变，进而导致光的某些性质发生相应的变化。入射光在晶体内被超声波衍射，可以看作是入射光在晶体中被许多平行原子面反射形成了衍射现象。声光可调谐滤波器是超声波与光波可以在各向异性介质中发生声光作用的一种新型的分光元件。如图2所示，声光可调谐滤波器主要是由声光介质01、压电换能器02、吸收体03以及超声波驱动器04组成。计算机控制超声波驱动器04发射出带有一定频率的超声波信号，经过压电换能器02将其输入声光介质中，沿着超声波矢方向在声光介质内传输，进而在声光介质中形成一个“超声波光栅”，剩余的超声波能量被吸收体03吸收。入射光波与超声波满足动量匹配条件时，在介质内发生非线性效应，产生衍射光波。这一个过程相当于入射光波经过这个“超声波光栅”后，被衍射成窄带衍射光的过程。也可以解释为，宽带光源经过声光可调谐滤波器这个分光色散元件后被选择出单一波长的光的过程。

光是矢量波，假设光波的电矢量E₁、E₂相互垂直，利用矢量叠加方法，那么其合振动矢量可以表示为：E＝E₁+E₂。当两列波的传播方向平行，即k₁//k₂，由于光波是横波，则两列光波的磁场方向相互垂直。两列波的电场强度和磁场强度分别表示E_1x、H_1y、E_2y、E_2x，第一列光波的强度为I₁＝<|S₁|>＝<|E_1x×H_1y|>，第二列光波的强度可以表示为I₂＝<|S₂|>＝<|E_2x×H_2y|>，叠加后，总的电场强度可以表示为E＝E_1x+E_2y，总的磁场强度可以表示为H＝H_1y+H_2x，合振动的能流密度表示为：

S＝E×H＝(E_1x+E_2y)×(H_1y+H_2x)

＝E_1x×H_1y+E_1x×H_2x+E_2y×H_1y+E_2y×H_2x

＝E_1x×H_1y+E_2y×H_2x

＝S₁+S₂

合振动光强表示为：

I＝<|S|>＝<|S₁+S₂|>＝<|S₁|＞+<|S₂|＞＝I₁+I₂

也就是说，这种情况下两列波叠加后的光强就是它们各自光强的简单叠加，因而不会产生干涉现象。当两列波的传播方向相互垂直，即k₁⊥k₂，叠加效果与第一种结果类似。然而，一般情况是两列波既不平行也不相互垂直，将其中一列波的电矢量正交分解，光强为：

式中a为两列波的振动方向夹角；两列波的相位差为

由于干涉项2A1A2cosacosΔφ的存在，这两列光波可以产生干涉。不同频率的两列波叠加，光强可以表示为：

可以看出来，两列光波叠加之后，每一点的光强都会随着时间发生变化，并不是一个稳定的干涉场，会产生光学拍。实际上，只要两列光波的波长不相等，叠加之后就一定形成光学拍。综上，可以知道，两列或者多列光波产生干涉，必须满足：

(1)光波频率相同；

(2)相位差确定的简谐波；

(3)光矢量有相互平行的分量。

但是现有干涉仪由于机械移动部件的移动，使得产生干涉的两列或者多列光波的光波频率存在差异、波长调谐不稳定以及光矢量分量的平行度差异等，从而引入的线性误差问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双滤波横向剪切干涉仪及采用其对目标光束进行光谱成像的方法，该双滤波横向剪切干涉仪为电子调谐、全固态、无机械移动部件，从根本上解决现有干涉仪由于机械移动部件移动引入的线性误差问题。

本发明结合声光可调谐滤波器的强大优势，在满足以上两列或者多列光波产生干涉三个条件的情况下产生横向剪切干涉。该剪切干涉仪波长调谐稳定、可靠而且范围宽、单波长输出切换速度快、工作方式灵活多样、可以利用计算机控制电信号选择衍波长或强度输出、整体质量轻，体积小、所有元件都为固体结构，没有移动部件，抗干扰能力强，适合应用于机载、星载等多光谱成像、高光谱成像领域。

本发明的技术方案是提供一种双滤波横向剪切干涉仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学准直***、第一偏振器、第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器、第二偏振器、傅里叶变换成像物镜及光电探测器；

前置光学准直***置于光路最前端，光电探测器位于傅里叶变换成像物镜的像面上；

远场目标光经前置光学准直***后被第一偏振器起偏后形成线偏振光，然后依次在第一声光可调谐滤波器、第二声光可调谐滤波器内发生声光互作用，输出光经过第二偏振器后被傅里叶变换成像物镜聚焦于光电探测器的靶面上形成干涉条纹。

进一步地，所述第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器的各项性能参数均相同，通过计算机控制超声波驱动器，发出频率相同的超声波分别作用于两个声光可调谐滤波器。

进一步地，所述第一偏振器与第二偏振器为线偏振片，格兰-泰勒偏振棱镜或布儒斯特棱镜等可以产生偏振光的光学器件。

进一步地，所述第一偏振器与第二偏振器的偏振方向相互垂直。

本发明还提供一种基于上述双滤波横向剪切干涉仪的光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、前置光学准直***对远场目标光进行收集、准直；

步骤2、准直光经过第一偏振器后形成线偏振光；

步骤3、线偏振光垂直入射到第一声光可调谐滤波器的声光介质上；

步骤4、通过计算机控制超声波驱动器，发出超声波作用于第一声光可调谐滤波器，线偏振光与超声波驱动器发射的超声波在满足动量匹配的条件下，在第一声光可调谐滤波器声光介质内发生声光互作用产生第一+1级衍射光与第一0级透射光；

步骤5、在第一声光可调谐滤波器内产生的第一+1级衍射光与第一0级透射光进入第二声光可调谐滤波器内，并使第一0级透射光与第二声光可调谐滤波器的声光介质表面垂直；

步骤6、通过计算机控制超声波驱动器，发出与步骤4中频率相同的超声波作用于第二声光可调谐滤波器，第一0级透射光与超声波驱动器发射的超声波在满足动量匹配的条件下，在第二声光可调谐滤波器的声光介质内又一次发生声光互作用，并产生第二0级透射光与相应的第二+1级衍射光；

步骤7、来自第一声光可调谐滤波器的第一+1级衍射光与超声波驱动器发射的超声波在第二声光可调谐滤波器内产生部分动量失配，同时产生声光互作用，并输出第三+1级衍射光与-1级衍射光；

步骤8、从第二声光可调谐滤波器输出第二0级透射光和-1级衍射光的偏振方向与第二偏振器的偏振方向相互垂直，输出的第二+1级衍射光和第三+1级衍射光的偏振方向与第二偏振器的偏振方向相互平行，第二+1级衍射光和第三+1级衍射光透过第二偏振器；

步骤9、第二+1级衍射光和第三+1级衍射光形成一个横向剪切量s；

步骤10、带有横向剪切量s的第二+1级衍射光和第三+1级衍射光被傅里叶变换成像物镜聚焦在探测器靶面上形成带干涉调制的目标景物图像；

步骤11、通过数据处理、傅里叶变换得到目标的光谱信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明所有元件都为固体结构，没有移动部件，抗干扰能力强，适合应用于机载、星载等多光谱成像、高光谱成像领域。

2、本发明***无机械移动部件，计算机控制超声波驱动器发射超声波，超声波与入射光波在声光介质内发生互作用，不需要手动调节元器件进行扫描，同时可通过在计算机上调谐附加在两个声光可调谐滤波器上的超声驱动频率的大小和强度即可调节干涉条纹的对比度，横向剪切引起的光谱分辨率变化完全电控，使得该***具有波长调谐稳定、可靠而且范围宽、单波长输出切换速度快、工作方式灵活多样、整体质量轻，体积小等优点。

3、本发明入射光为线偏振光时，经过声光可调谐滤波器只产生一级衍射，不会产生多级重叠。

4、本发明经过两次声光滤波后，最终输出的两束衍射光的偏振方向相同，相比传统意义上干涉本发明干涉图的对比度更强。

附图说明

图1是一种双滤波横向剪切干涉仪示意图；

图中附图标记为：1—前置光学准直***；2—第一偏振器；3—第一声光可调谐滤波器；4—第二声光可调谐滤波器；5—第二偏振器；6—傅里叶变换成像物镜；7—光电探测器；

31-第一0级透射光，32-第一+1级衍射光，41-第二0级透射光，42-第二+1级衍射光，43-第三+1级衍射光，44--1级衍射光。

图2是声光可调谐滤波器的工作原理示意图。

01-声光介质，02-压电换能器，03-吸收体，04-超声波驱动器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

如图1所示，本实施例提供的一种双滤波横向剪切干涉仪，包括前置光学准直***1、第一偏振器2、第一声光可调谐滤波器3、第二声光可调谐滤波器4、第二偏振器5、傅里叶变换成像物镜6及光电探测器7。

前置光学准直***1置于光路最前端，第一偏振器2置于前置光学准直***1的输出光路上，第一声光可调谐滤波器3、第二声光可调谐滤波器4依次置于第一偏振器2的输出光路上，第二偏振器5置于第二声光可调谐滤波器4的输出光路上，傅里叶变换成像物镜6置于第二偏振器5的输出光路上，光电探测器7位于傅里叶变换成像物镜6的像面上。被测远场目标的反射、辐射或者透射光经前置光学准直***1后被第一偏振器2起偏后形成线偏振光，然后依次在第一声光可调谐滤波器3、第二声光可调谐滤波器4内发生声光互作用，输出光经过第二偏振器5后被傅里叶变换成像物镜6聚焦于光电探测器7的靶面上形成干涉条纹。

下面结合附图1及图2对本发明进行详述：

被测远场目标的反射、辐射或者透射光经前置光学准直***1后被第一偏振器2起偏形成线偏振光，该线偏振光入射光入射至第一声光可调谐滤波器3，通过调节超声驱动频率的大小和强度使得该线偏振光与超声波在第一声光可调谐滤波器3内发生声光互作用，即入射光波矢量、超声波矢量与衍射光波矢量恰好满足动量匹配条件。声光互作用后，从第一声光可调谐滤波器3输出带有夹角的第一0级透射光31与第一+1级衍射光32，且第一0级透射光31与第一+1级衍射光32的偏振方向相互垂直；第一0级透射光31与第一+1级衍射光32入射到第二声光可调谐滤波器4上，且第一0级透射光31的入射方向垂直第二声光可调谐滤波器4的声光介质表面；第一0级透射光31与超声波射频驱动器发出的超声波在第二声光可调谐滤波器4内又一次发生声光互作用，输出第二0级透射光41与第二+1级衍射光42；第一+1级衍射光32与超声波射频驱动器发出的超声波在第二声光可调谐滤波器4内会产生轻微动量失配，也会发生部分声光互作用，输出第三+1级衍射光43与-1级衍射光44；从第二声光可调谐滤波器4输出四束光，分别为第二0级透射光41、第二+1级衍射光42、第三+1级衍射光43以及-1级衍射光44；从第二声光可调谐滤波器4输出的第二0级透射光41和-1级衍射光44的偏振方向与第二偏振器5的偏振方向相互垂直，而输出的第二+1级衍射光42和第三+1级衍射光43与第二偏振器5的偏振方向相互平行，故只有第二+1级衍射光42和第三+1级衍射光43透过第二偏振器；输出的第二+1级二次衍射光和第三+1级衍射光43带有横向剪切量s；带有横向剪切量s的第二+1级衍射光42和第三+1级衍射光43被傅里叶变化成像物镜6聚焦在光电探测器7的靶面上；最后通过数据处理、傅里叶变换得到目标的光谱信息。

由于第一声光可调谐滤波器3和第二声光可调谐滤波器4的各项性能物理指标参数都相同，故通过计算机控制超声波驱动器，发出频率相同的超声波分别作用于两个声光可调谐滤波器上，相同的超声波频率会产生相同的波长输出，也就是说带有横向剪切量s的第二+1级衍射光42和第三+1级衍射光43满足相干条件；横向剪切量可以表示为：

式中，L为压电换能器长度；x为第一声光可调谐滤波器和第二声光可调谐滤波器之间的距离；n为波长下声光介质的折射率；V、f分别为超声波在声光介质内的速度和超声频率；λ为衍射光输出波长。可以看出，本发明的这种双滤波横向剪切干涉仪不仅可以通过改变两个声光可调谐滤波器的间距，而且通过改变附加在两个声光可调谐滤波器上的超声驱动频率引起横向剪切量大小调谐。通过调谐最终输出带有横向剪切量的两束衍射光的强度改变干涉条纹的对比度。本发明横向剪切干涉仪所能实现的最大光程差：

式中，N代表面阵探测器的靶面像元数；f_ftl表示傅里叶变换成像物镜的焦距；b代表面阵探测器的靶面像元尺寸。最大光程差决定***的光谱分辨率，也就是说，***最终的光谱分辨率不仅和探测器靶面大小有关，而且和两个声光可调谐滤波器的间距以及附加在两个声光可调谐滤波器上的超声驱动频率有关。

Claims (5)

1.一种双滤波横向剪切干涉仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置光学准直***(1)、第一偏振器(2)、第一声光可调谐滤波器(3)、第二声光可调谐滤波器(4)、第二偏振器(5)、傅里叶变换成像物镜(6)及光电探测器(7)；

前置光学准直***(1)置于光路最前端，光电探测器(7)位于傅里叶变换成像物镜(6)的像面上；

远场目标光经前置光学准直***(1)后被第一偏振器(2)起偏后形成的线偏振光；

该线偏振光入射至第一声光可调谐滤波器(3)，通过调节超声驱动频率的大小和强度使得该线偏振光与超声波在第一声光可调谐滤波器(3)内发生声光互作用，声光互作用后，从第一声光可调谐滤波器(3)输出带有夹角的第一0级透射光(31)与第一+1级衍射光(32)，且第一0级透射光(31)与第一+1级衍射光(32)的偏振方向相互垂直；第一0级透射光(31)与第一+1级衍射光(32)入射到第二声光可调谐滤波器(4)上，且第一0级透射光(31)的入射方向垂直第二声光可调谐滤波器(4)的声光介质表面；第一0级透射光(31)与超声波射频驱动器发出的超声波在第二声光可调谐滤波器(4)内又一次发生声光互作用，输出第二0级透射光(41)与第二+1级衍射光(42)；第一+1级衍射光(32)与超声波射频驱动器发出的超声波在第二声光可调谐滤波器(4)内会产生动量失配，也会发生部分声光互作用，输出第三+1级衍射光(43)与-1级衍射光(44)；从第二声光可调谐滤波器(4)输出四束光，分别为第二0级透射光(41)、第二+1级衍射光(42)、第三+1级衍射光(43)以及-1级衍射光(44)；第二+1级衍射光(42)和第三+1级衍射光(43)透过第二偏振器(5)；输出的第二+1级衍射光(42)和第三+1级衍射光(43)带有横向剪切量s；带有横向剪切量s的第二+1级衍射光(42)和第三+1级衍射光(43)被傅里叶变化成像物镜(6)聚焦在光电探测器(7)的靶面上。

2.根据权利要求1所述的双滤波横向剪切干涉仪，其特征在于：所述第一声光可调谐滤波器(3)和第二声光可调谐滤波器(4)的各项性能参数均相同；分别接收超声波驱动器发出频率相同的超声波。

3.根据权利要求2所述的双滤波横向剪切干涉仪，其特征在于：所述第一偏振器(2)与第二偏振器(5)为线偏振片，格兰-泰勒偏振棱镜或布儒斯特棱镜。

4.根据权利要求3所述的双滤波横向剪切干涉仪，其特征在于：所述第一偏振器(2)与第二偏振器(5)的偏振方向相互垂直。

5.一种基于权利要求1至4任一所述双滤波横向剪切干涉仪的光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、前置光学准直***对远场目标光进行收集、准直；

步骤2、准直光经过第一偏振器后形成线偏振光；

步骤3、线偏振光垂直入射到第一声光可调谐滤波器的声光介质上；

步骤4、通过计算机控制超声波驱动器，发出超声波作用于第一声光可调谐滤波器，线偏振光与超声波在满足动量匹配的条件下，在第一声光可调谐滤波器声光介质内发生声光互作用产生第一+1级衍射光与第一0级透射光；

步骤5、在第一声光可调谐滤波器内产生的第一+1级衍射光与第一0级透射光进入第二声光可调谐滤波器内，并使第一0级透射光与第二声光可调谐滤波器的声光介质表面垂直；

步骤6、通过计算机控制超声波驱动器，发出与步骤4中频率相同的超声波作用于第二声光可调谐滤波器，第一0级透射光与超声波驱动器发射的超声波在满足动量匹配的条件下，在第二声光可调谐滤波器的声光介质内又一次发生声光互作用，并产生第二0级透射光与相应的第二+1级衍射光；

步骤7、来自第一声光可调谐滤波器的第一+1级衍射光与超声波驱动器发射的超声波在第二声光可调谐滤波器内产生部分动量失配，同时产生声光互作用，并输出第三+1级衍射光与-1级衍射光；

步骤8、从第二声光可调谐滤波器输出第二0级透射光和-1级衍射光的偏振方向与第二偏振器的偏振方向相互垂直，输出的第二+1级衍射光和第三+1级衍射光的偏振方向与第二偏振器的偏振方向相互平行，第二+1级衍射光和第三+1级衍射光透过第二偏振器；

步骤9、第二+1级衍射光和第三+1级衍射光形成一个横向剪切量s；

步骤10、带有横向剪切量s的第二+1级衍射光和第三+1级衍射光被傅里叶变换成像物镜聚焦在探测器靶面上形成带干涉调制的目标景物图像；

步骤11、通过数据处理、傅里叶变换得到目标的光谱信息。

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