CN104034423B - 高稳定性转镜干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性转镜干涉仪，包括分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、倾斜反射镜、第三平面反射镜以及能量收集镜，其中，所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜平行设置构成旋转反射镜组，所述旋转反射镜组固定连接转轴，通过所述转轴的旋转所述旋转反射镜组转动，所述倾斜反射镜具有倾角，所述旋转反射镜组的出射光垂直入射所述倾斜反射镜。采用一对平行平面镜保证了入射光线和出射光线平行，平面镜组的旋转保证了***自稳定性和减少了探测时间，***结构简单，降低了加工装调难度和生产成本的。

Description

高稳定性转镜干涉仪

技术领域

本发明涉及光谱探测与成像技术领域，尤其涉及一种高稳定性时间调制型双光束干涉仪。

背景技术

傅里叶变换红外光谱仪(FourierTransformInfraredSpectrometer，FTIR)是利用光的干涉实现对目标的光谱进行测量的仪器，具有多通道、高通量、高信噪比、高精确度等一系列优点，在工农业生产、科学研究、环境监测、食品安全、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。

干涉仪是FTIR的核心部件，干涉仪的性能决定了仪器测量结果的优劣。目前FTIR的干涉仪通常都是基于迈克尔逊干涉仪及其变形结构，其结构通常由分束器、动镜和定镜三部分构成，动镜和定镜通常采用平面镜或立方体反射镜，通过动镜运动探测不同光程差的干涉数据。动镜的运动方式主要有两种，一种是直线运动，一种是转动运动。

对于动镜直线运动的干涉仪，最直接和简洁的方案是采用平面动镜，至今仍是一些国际著名厂商的核心专利技术，如美国Nicolet公司的Vectra专利。但其对动镜的运动精度要求非常严格，对材料、设计都有很高的要求。运动过程需要设置辅助光路，利用激光对动镜运动的方向准直性、速度均匀性、位移量等进行实时精确监测和修正；另外，因为动镜的倾斜晃动对测量精度影响很大，就需要一套高精度的控制***使动镜匀速平稳运动，但是这在实际中实现起来仍然比较困难且成本较高；再次，动镜直线往复运动对运动轨道的加工工艺依赖性较强，且易受抖动或震动等外界环境的干扰。这些原因都导致干涉仪结构复杂，***稳定性差，抗干扰能力低。

为了克服平面动镜运动精度要求太高的困难，出现了不少采用角反射体动镜直线运动的干涉仪方案，大大降低了对动镜轴承和运动检测***的要求，但由于动镜直线运动的往复特点，导致光谱探测速率较低。

在此基础上，人们提出采用转动或摆动形式的干涉仪方案，并形成了诸多专利技术，其中德国Bruker公司引以为荣的基于两个角反射体摆动的Rocksolid专利，已经产品化；美国PerkinElmer公司的基于双平行反射镜摆动的Dynascan专利，克服了干涉仪动镜运动过程中的高精度要求，实现了很高的稳定性。但由于摆动依然是往复运动，探测速度还是比较低。

另一方面，从航天遥感角度看，无论是直线往复运动还是摆动，都无法避免加速减速的过程，其对卫星平台的扰动难以克服。

国际上也有人提出基于匀速旋转反射镜的干涉仪，克服了往复运动的不足。但是这种干涉仪一般需要转镜和多个定镜组成，结构较为复杂，增大了设计研制难度，对便携性也有一定影响。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种高稳定性转镜干涉仪，提高稳定性、简化结构，同时，克服往复运动的加速减速过程，使之能够适应高速探测、航天遥感等更广阔的应用领域。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高稳定性转镜干涉仪，包括：

分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、倾斜反射镜、第三平面反射镜以及能量收集镜，其中，所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜平行设置构成旋转反射镜组，所述旋转反射镜组固定连接转轴，通过所述转轴的旋转使所述旋转反射镜组转动，所述倾斜反射镜具有倾角，所述旋转反射镜组的出射光垂直入射所述倾斜反射镜。

平行光进入所述分束器后，一路透射光线垂直到达所述第三平面反射镜得到第一透射光线，另一路反射光线到达所述第一平面反射镜得到第一反射光线；

所述第一透射光线经所述第三反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述分束器反射得到第二反射光线；

所述第一反射光线顺序经过所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜反射后，垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射光线顺序经过所述第二平面反射镜和所述第一平面反射镜沿原光路返回，再次通过所述分束器透射后得到第二透射光线；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经所述能量收集镜会聚到达探测器形成干涉。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，采用一对平行平面镜保证了入射光线和出射光线平行，旋转反射镜组在旋转过程中，出射光线的方向始终不变，保证了***的稳定性和出射光束的相干性。由于旋转反射镜组可实现高速旋转，提高了***探测速率。整个***结构简单，降低了加工装调难度和生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪构成示意图。

图2为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪中旋转反射镜组构成示意图。

图3为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪中旋转反射镜组构成示意图。

图4为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪转动机构示意图。

图5为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪中反射镜组法线与入射光线转动示意图。

图6为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪的应用流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种高稳定性转镜干涉仪，包括分束器11、第一平面反射镜12、第二平面反射镜13、倾斜反射镜14、第三平面反射镜16以及能量收集镜17，其中，第一平面反射镜12与第二平面反射镜13平行设置构成旋转反射镜组，旋转反射镜组固定连接转轴15，通过转轴15的旋转，旋转反射镜组转动，倾斜反射镜14具有倾角，旋转反射镜组的出射光垂直入射倾斜反射镜14：

平行光进入分束器11后，一路透射光线垂直到达第三平面反射镜16得到第一透射光线，另一路反射光线到达第一平面反射镜12得到第一反射光线；

所述第一透射光线经第三反射镜16反射后沿原光路返回，再次通过分束器11反射得到第二反射光线；

所述第一反射光线顺序经过第一平面反射镜12和第二平面反射镜13反射后，垂直入射到倾斜反射镜14，经倾斜反射镜14反射光线顺序经过第二平面反射镜13和第一平面反射镜12沿原光路返回，再次通过分束器11透射后得到第二透射光线；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经能量收集镜17会聚到达探测器形成干涉。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例高稳定性转镜干涉仪是一种高稳定性时间调制型双光束干涉仪，其采用一对平行平面镜保证了入射光线和出射光线平行，旋转反射镜组在旋转过程中，出射光线的方向始终不变，保证了***的稳定性和出射光束的相干性。由于旋转反射镜组可实现高速旋转，提高了***探测速率。整个***结构简单，降低了加工装调难度和生产成本。

本发明实施例的干涉仪，还可以包括探测器，随着旋转反射镜组的匀速转动，探测器接收到不同光程差时的干涉强度，形成时间序列排列的干涉图。

探测器可以根据现有技术得以理解，在此不作赘述。示例性的，如图1所示，探测器18。

能量收集镜17可以为球面反射镜或球面透镜，或者所述能量收集镜为非球面反射镜或非球面透镜，不受限制，可以根据现有技术得以理解。

分束器11可以包括分束镜或分光棱镜，不受限制，可以根据现有技术得以理解。示例性的，如图1所示，光源19发出的光经过准直后转变为平行光，进入分束器11被分成两束，即双光束。

示例性的，本发明实施例的干涉仪，如图2所示，旋转反射镜组固定连接转轴的方式，可以为：

第一平面反射镜21与第二平面反射镜22通过连接杆23固定连接，第一平面反射镜21与转轴24固定连接。

连接杆23可以为1条或多条。

或者，可选的，如图3所示，旋转反射镜组固定连接转轴的方式，可以为：

第二平面反射镜31通过连接杆32与转轴33固定连接，第一平面反射镜34与转轴33固定连接。

可见，在转轴转动过程中，第一平面反射镜和第二平面反射镜式始终保持平行。本领域技术人员可以理解，旋转反射镜组固定连接转轴的方式不受上述示例性限制，任何其他可实现方式具在保护范围内。

如图1、2、3所示，第一平面反射镜与转轴固定连接，可以包括：

根据第一平面反射镜与其法线(图中虚线所示)的交点位置，转轴一端在位置与第一平面反射镜固定连接。

转轴可以竖直设置，转轴一端穿过倾斜反射镜。

转轴的另一端连接电机，电机输出匀速转速。

可见，电机驱动转轴带动第一平面反射镜和第二平面反射镜进行匀速转动。

如图4所示，本发明实施例的干涉仪，倾斜反射镜可以包括反射平面(AB所示平面)和水平面(AC所示平面)，反射平面为平面反射镜面，倾斜反射镜的倾角θ为反射斜面与水平面之间的夹角。

或者，倾斜反射镜为倾斜设置的平面反射镜，倾斜反射镜的倾角θ为倾斜反射镜倾斜设置时与水平面之间的夹角。

也就是，倾斜反射镜可以是以倾角θ倾斜设置的平面反射镜，或者，倾斜反射镜为楔形，其反射平面和水平面为倾角θ。倾斜反射镜的设置方式，配合旋转反射镜组实现旋转反射镜组的出射光入射倾斜反射镜。

本发明实施例的干涉仪，当第一平面反射镜与第二平面反射镜之间的距离、第一平面反射镜的法线与转轴之间的夹角以及倾斜反射镜的倾角为已知时，根据转轴的转速即可确定光程差。具体参考图4所示，进行说明。

设倾斜反射镜的倾角为θ，转轴转速为ω，一个转动周期内任意时刻t时，第一平面反射镜法线与转轴的夹角为α，第一平面反射镜的入射光线与该镜的法线夹角为β。

为了达到测量的目的，需要推导出该时刻干涉仪的光程差，具体推导步骤如下：

当光线通过分束器向第一平面反射镜入射时，过第一平面反射镜与转轴交点O做平行于AB的辅助线l与第二平面反射镜的反射光线O′G交于D点，令：

L₁＝OO′；L₂＝O′D；

第一平面反射镜与第二平面反射镜之间的垂直距离为h。

由三角关系可得：

L₁＝hcosβ公式(1)

L₂＝L₁cos(2β)公式(2)

所以：

$L\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{L}_1+L_2=2L_1{\cos }^2\mathrm{\β}=2h\cos \mathrm{\β}$ 公式(3)

推导公式(2)中cosβ的表达式

第一平面反射镜的法线绕转轴旋转，其几何关系如图5所示，OH相当于转轴，EO为法线，FO相当于第一平面反射镜的入射光线，∠EHF＝ωt。令：HE＝R₁，HF＝R₂，EO＝a，FO＝b，FE＝c。为方便推导，再令OH＝1。则由三角关系，有：

a＝1cosα公式(4)

b＝1cosθ公式(5)

R₁＝tanα公式(6)

R₂＝tanθ公式(7)

$c^2=R_1^2+R_2^2-{2R}_1{R}_2\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)$ 公式(8)

c²＝a²+b²-2abcosβ公式(9)

联立公式(4)—(9)，可得：

cosβ＝cosαcosθ+sinαsinθcos(ωt)公式(10)

由公式(3)和(10)，可得

L＝2h[cosαcosθ+sinαsinθcos(ωt)]公式(11)

由上式，可取ωt＝π2时，求得过零点光程为：

L₀＝2hcosαcosθ公式(12)

因此，可得光程差ΔL为：

ΔL＝2(L-L₀)＝4hsinαsinθcos(ωt)公式(13)

h表示第一平面反射镜与第二平面反射镜之间的垂直距离，α表示第一平面反射镜的法线与转轴之间的夹角，θ表示倾角。

由公式(13)可知，h，α，θ已知的情况下，只要能够准确获得相位ωt，就可达到精确测量光程差的目的。还可以通过改变距离h来改变干涉仪的分辨率。

所述转轴转速ω的大小可以根据使用需求设计，其主要取决于探测器采样速率、入射辐射特性和灵敏度，在此不做赘述。获得相位ωt的方式，可以为通过激光标定实现，具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。

如图6所示，本发明干涉仪实现干涉的具体实施步骤为：

61、光源辐射光经过准直后转变为平行光，进入分束器，同时电机驱动转轴带动第一平面反射镜和第二平面反射镜进行匀速转动；

62、入射平行光束通过分束器分光，一路透射到达第三平面反射镜称为第一透射光线，另一路反射到达第一平面反射镜称为第一反射光线；

63、第一反射光线先后经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后，垂直入射到倾斜反射镜上；

64、入射到倾斜反射镜上的光线经反射后沿原光路返回，再次通过分束器透射后得到第二透射光线；

65、第一透射光线经第三反射镜反射后沿原光路返回，再次通过分束器反射得到第二反射光线；

66、第二透射光线和第二反射光线经能量收集镜会聚至探测器，得到最终干涉信号。

本发明实施例的干涉仪：

采用倾斜反射镜和旋转式反射镜组代替动镜，克服了平面动镜直线运动式干涉仪的缺点，对运动误差免疫，提高了***稳定性，具有较强的抗干扰能力。

旋转反射镜组的出射光垂直入射所述倾斜反射镜，保证光路原路返回，***光路没有变化，光学***聚焦点始终位于点探测器，有利于提高***稳定性。

***结构简单，降低了加工装调难度和生产成本。

使用匀速电机对干涉仪进行转动控制相对容易，且通过准确获得相位ωt，可达到精确测量光程差，有利于提高测量精度。

在每个转动周期可全程采样，可实现高速旋转，大大减小探测时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，包括分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、倾斜反射镜、第三平面反射镜以及能量收集镜，其中，所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜平行设置构成旋转反射镜组，所述旋转反射镜组固定连接转轴，通过所述转轴的旋转所述旋转反射镜组转动，所述倾斜反射镜具有倾角，所述旋转反射镜组的出射光垂直入射所述倾斜反射镜：

平行光进入所述分束器后，一路透射光线垂直到达所述第三平面反射镜得到第一透射光线，另一路反射光线到达所述第一平面反射镜得到第一反射光线；

所述第一透射光线经所述第三平面反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述分束器反射得到第二反射光线；

所述第一反射光线顺序经过所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜反射后，垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射光线顺序经过所述第二平面反射镜和所述第一平面反射镜沿原光路返回，再次通过所述分束器透射后得到第二透射光线；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经所述能量收集镜会聚到达探测器互相干涉。

2.根据权利要求1所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴转速为ω，一个转动周期内任意时刻t时，光程差ΔL＝2(L-L₀)＝4hsinαsinθcos(ωt)，

其中，L＝2h[cosαcosθ+sinαsinθcos(ωt)]；

取ωt＝π/2时，L₀＝2hcosαcosθ；

h表示所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜之间的垂直距离，α表示所述第一平面反射镜的法线与所述转轴之间的夹角，θ表示所述倾斜反射镜的倾角。

3.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述倾斜反射镜包括反射平面和水平面，所述倾斜反射镜的倾角为所述反射斜面与所述水平面之间的夹角，所述反射平面为平面反射镜面；

或者，所述倾斜反射镜为倾斜设置的平面反射镜，所述倾斜反射镜的倾角为所述倾斜反射镜倾斜设置时与水平面之间的夹角。

4.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜通过连接杆固定连接，所述第一平面反射镜与所述转轴固定连接；

或者，所述第二平面反射镜通过连接杆与所述转轴固定连接，所述第一平面反射镜与所述转轴固定连接。

5.根据权利要求4所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴一端在所述第一平面反射镜与其法线的交点位置与所述第一平面反射镜固定连接。

6.根据权利要求5所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴竖直设置，所述转轴一端穿过所述倾斜反射镜。

7.根据权利要求6所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴的另一端连接电机，所述电机输出匀速转速。

8.根据权利要求1所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述分束器包括分光棱镜。

9.根据权利要求1所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述能量收集镜为球面反射镜或球面透镜，或者所述能量收集镜为非球面反射镜或非球面透镜。