学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

偏振干涉成像光谱仪中偏振干涉仪的性能分析及器件优化设计

作　者: 张冬青
导　师: 吴福全
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 光学
关键词: 偏振干涉仪成像光谱仪性能分析优化设计干涉光成像光谱技术干涉成像光谱仪干涉图傅立叶变换光谱仪晶体光轴
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
下　载: 432次
引　用: 4次
阅　读: 论文下载

内容摘要

早在1880年，迈克尔逊(Albert A.Michelson)发明了以他的名字命名的干涉仪时就认识到了可以从干涉条纹中导出某些光谱信息。其后，在1949年P.Fellgett首先利用干涉图和对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测量和研究光谱。1965年，J.W.Cooley和J.W.Tukey提出了快速傅里叶变换计算方法(FFT)并首先将此算法用于干涉光谱仪上，把以前几个小时才能完成的计算缩短为几秒，甚至1秒之内，从而使从干涉图获取光谱的工作成为可能，人们将根据此原理研制的仪器称为傅里叶变换光谱仪。建立在迈克尔逊干涉仪基础上的普通傅里叶变换光谱仪已经在环境污染检测、食品与农业、生物医学、天文学等科学和领域得到了广泛应用。和传统的棱镜式光谱仪相比，傅里叶变换光谱仪测量目标发射光谱的优越性相当明显：1)高光通量，又称为Jacquinot优点。2)多通道，又称Feilgett优点。此外，傅里叶变换光谱仪还具有光谱分辨率高、测量速度快、波段范围宽等优点。但这种光谱仪有一个很大的缺点就是内部扫描镜的驱动需要较高的精度，且对外界的震动敏感，所以这种依靠动镜扫描的所谓时间调制干涉光谱仪(TMII)(Temporarily Modulated Imaging Interferometer)在航空航天及野外环境中使用时有较大的局限性。因此，为了克服时间调制干涉光谱仪对运动部件的苛求，在80年代又发展了空间调制干涉光谱仪(SMII)(Spatially ModulatedImging Interferometer)，这种光谱仪的干涉图形成在空间域而不是在时间域，具有稳定性高、光谱测量的实时性好等优点，越来越受到国际光谱界的重视。基于双角反射体横切分束器的无动镜干涉成像光谱仪(见图2-2)就是其中一类典型结构。本文所重点讨论的偏振干涉成像光谱仪是在90年代初期发展起来的另一类空间调制静态傅立叶变换光谱仪器。偏振干涉成像光谱仪的基本工作原理是利用某些偏光器件的分光摘要第n页功能，把测量目标分成两个相千的虚拟光源，在探测器上得到干涉图像后再用傅立叶变挟反演出被测目标的一维光那息。这种光谱仪体积小、重量轻；无需内置动镜及驱动装置，具有稳定及对机械振动和气流不敏感的优点；省略了光束分离器和反射镜，从而避免了一部分．因反射、吸收等造成的能量损失；内置起偏器，解决了航天遥感中普遍存在的探测器对不同偏振态的偏振光影响效率不同的缺点；所有光学元件置于一个系统光轴上，易子集成。总之，偏振干涉成像光谱仪具有很广的发展前景，许多国家的科技工作者都在致力于这一研究。本文以偏振干涉成像光谱技术为研究课题，主要针对偏振干涉成像光谱仪的核·C部件一偏振平涉仪为主要研究对象，分析了偏振千涉仪的几个主要性能参数并建立了一套偏振干涉仪实验系统。根据偏振干涉成像光谱仪对分辨率和视场角的要求，在文章的最后，首次提出了一种偏振千涉仪的优化设计方案，并指出其优越性所在。这为偏振干涉光邯向高分辨率、大视场的发腴供了一种有效可行的方法。具体的，本文分为以下几个部分：第一章绪论综述了偏振干涉成像光谱仪及其发展背景和对人类的意义。第二章介绍了干涉成像光语仪．的两个发展方向：动镜式傅立叶变换光邯和静态傅立叶变换光谱仪，通过图例简述了它们的基本结构和工作原理。并对本文所研究的对象一偏振干涉成像先谱仪的结构及优越性作了概述。本文的第三章首先介绍了偏振干涉成像光谱技术获得理想光谱的基本原理；然后具体针对偏振干涉仪系统，列举了国际上两类典型的偏振分束系统，分析了寻常光和非常光在这两类分束系统中的光路。在第三节，本文对偏振干涉仪的几个关键参数如调制度、光通量进行了理论分析，这对今后的实践有一定的指导意义，是本文工作重点的一部分。在本章的最后一部分，我们建立了一套偏振干涉成像光语仪用偏振干涉仪实验系统，取得了较好的实验结果，并实验验证了我们的理论分析。在第三章的邵上，第四章主钳对基于萨瓦板的偏振干涉仪，利用光线追迹法，对通过整个偏振干涉仪系统的两束相干光的光程差A进摘要第iii页行了理论分析，在不同的晶体光轴取向的条件下，得到了一系列系统跪差凸与不同硼角a。的变化关系曲线，考虑到蝉率和视场角等参量的限定，在材的最后，我们获得了一种偏振干涉仪的最优化设计．方法，即让偏振分束器的左右两只萨瓦板的主截面相互垂直，并让两条晶体光轴与各自呵界面的夹角分别取58”和28O．耻是全文的创新点所在。采用这种设计方法，最大光程差可达多 0．6 3mm，最大分辨率Aa＿可slJ 15．scm－’，分辨率得到了较大的提高。而且在这种优化设计下，入射角在0”－3”的范围内，光程差的改变仅为0．3U。，所以全视场角至少可彭06＼总之，这一设计对偏振干涉成像光渺向高分辨率、大视场方向的?

全文目录

第一章绪论  11-14
第二章干涉成像光谱仪的概况  14-20
  §2-1 傅立叶变换成像光谱仪  14-18
    §2-1-1 成像光谱仪及其分类  14
    §2-1-2 傅立叶变换成像光谱仪的分类及发展  14-15
    §2-1-3 动镜式与静止式傅立叶变换光谱仪  15-18
  §2-2 偏振干涉成像光谱仪  18-20
    §2-2-1 偏振干涉成像光谱仪的结构  18-19
    §2-2-2 偏振干涉成像光谱仪的优点  19-20
第三章偏振干涉成像光谱技术  20-39
  §3-1 干涉图的傅立叶变换和理想光谱的获得  20-24
    §3-1-1 干涉图的模拟数字表达式  20-21
    §3-1-2 干涉图与光谱图的傅立叶变换关系  21-22
    §3-1-3 干涉图的采样  22
    §3-1-4 滤波与变迹  22-24
  §3-2 偏振干涉仪的分束原理  24-27
    §3-2-1 萨瓦（Savart）板  24-25
    §3-2-2 渥拉斯顿（Wollaston）棱镜  25-27
  §3-3 偏振干涉仪的性能分析  27-37
    §3-3-1 偏振干涉仪的调制度  27-32
    §3-3-2 偏振干涉仪的光通量  32-37
  §3-4 偏振干涉仪实验系统  37-39
第四章偏振干涉仪的优化设计  39-56
  §4-1 分束器件中的光线追迹  39-46
  §4-2 偏振干涉仪的参量分析  46-51
    §4-2-1 光程差分析  46-49
    §4-2-2 视场角分析  49
    §4-2-3 原设计方案的缺点  49-51
  §4-3 偏振干涉仪的优化设计方案  51-55
    §4-3-1 Matlab编程获得光程差曲线  51-52
    §4-3-2 结果分析  52-54
    §4-3-3 优化设计方案  54-55
  §4-4 新设计方案的优点  55-56
参考文献  56-59
致谢  59

偏振干涉成像光谱仪中偏振干涉仪的性能分析及器件优化设计

内容摘要

全文目录

相似论文