CN104713649B - 一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪，包括分光镜、第三、四平面反射镜以及分光镜与第三、四平面反射镜之间的光束路径上分别设置的动镜和定镜，动镜和定镜设计为可同步进行摆动或转动的一体式结构。其可从根本上消除了相互独立的动镜和定镜托架运动误差造成的光路失调，提高傅里叶变换光谱仪在中干涉仪精度以及稳定性，并且在相同的摆动或者转动角度下，可以获得更大的光程差。

Description

一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪

技术领域

本发明涉及光谱仪领域，具体涉及一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪具有波长准确度高、扫描速度快、光谱分辨率高、信噪比高，检测限低、光通量大、多通道同时检测等优点，在物质检测与无损测量研究中被广泛应用，在生产生活以及科研领域发挥着越来越大的作用，特别是在工业、农业、地矿勘探、环境保护、交通、医疗等等诸多行业中应用前景广阔。

傅里叶变换光谱仪基于迈克尔逊干涉以及傅立叶变换技术，***主要组成包括光源，分束器，干涉仪，光电检测器，机电控制及数据处理装置等。其工作过程可描述为：宽带光源发出光经准直后形成平行光束，入射到分束器后分成两束，两束光经固定镜和动镜反射后返回到分束器再次相遇，形成干涉光束，通过光束聚焦***汇聚到光电检测器。动镜沿入射光方向的运动改变两条不同路径反射光束之间的光程差，产生时间序列干涉信号，检测器接收干涉信号并将之转化为电信号输出，通过电路***的调制解调、带通滤波、放大等处理后，经AD转化器采集为数字信号存储于计算机中，由计算机软件程序对采集的数字信号进行切趾、相位校正及快速傅里叶变换后获得测量光谱。

傅立叶变换近红外光谱仪中核心部件为干涉仪，其最大移动光程差决定了光谱仪的最高分辨率，稳定性决定了光谱仪测量精度以及重复性。干涉仪由分束器，动镜，定镜以及对应的移动机构组成。高精密傅里叶光谱仪，对于干涉仪的基本要求是移动行程长，稳定性高，重复性好，动镜在移动过程中仪器的光路保持不变，并且不受动镜移动过程中产生的机械振动及工作环境温度变化的影响。

影响干涉仪精度的因素较多，其中动镜、定镜制造过程中工艺尺寸差异，动镜在扫描过程中运动误差是最主要的影响因素。驱动动镜做直线往复运动对于机械加工以及传动***要求很高，动镜运动过程中误差主要来源于两个方面：一是由于匀速性不好带来的光程差采样误差，它将引起相位的改变，使干涉图失去对称性；二是平面动镜在移动过程中的倾斜会导致光束偏转，它在降低干涉图调制度的同时还可能带来相位误差

干涉仪中光学元件微小失准会显著影响干涉仪性能。迈克耳逊干涉仪要求动镜在移动过程中保持镜子与波阵面垂直或平行，定镜或者动镜的相对于入射光的平行波阵面的任意短期或长期变化会影响干涉信号，并造成光谱测量的误差。为了减小机械、声学和热扰动的失准影响，干涉仪被设计成具有大质量和热容量。明显地，使用大干涉仪的仪器不易于携带，甚至于不能活动。在商业化干涉仪常采用被动或者主动装置来尽量减小失准效应，其中被动装置包括使用直角反射镜、后向反射镜或其他补偿装置。主动装置包括动态镜对准装置或主动热控制装置。其改进方法包括：Thermo公司的干涉仪采用了高速动态数字准直技术、模块化光学平台和光学元件的对准定位设计；PerkinElmer公司采用了机械转动双动镜干涉仪和“绝对标准化仪器”(absolute virtual instrument，AVI)功能；Bruker公司采用立体角镜干涉仪；ABB公司采用“叉骨”干涉仪；Buchi公司采用偏振干涉仪等。这些改进措施都能在一定程度上改善光谱仪器的性能及长期稳定性，但在应用中也存在一些问题，有些需要专业维护人员对仪器尽心定期校准，才能保证仪器测量精度。

国内外一系列专利及文章也对干涉仪设计进行了改进，如Wadsworth等人于1997年提出了转镜干涉技术方案，利用转镜旋转产生光程差实现干涉，但是由于转镜材料在不同波长折射率下光程差是非线性，容易造成干涉信号变化，因此对转镜材料的选择提出了很高的要求，制造成本较高。

廖宁放等人(专利：一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，201210254898.6)设计了一种旋转式傅里叶变换干涉仪，以分束器或立方角反射镜转动扫描方式代替传统的动镜直线运动扫描方式，具有共光路的特性，即使分束器在旋转过程中有微小晃动，也不会影响干涉效果；以立方角反射镜代替传统傅里叶变换成像光谱仪中的平面镜，避免了因平面镜倾斜带来的问题，提高了仪器的稳定性、可靠性以及抗震动冲击的能力。

袁艳等人提出的转镜式高灵敏度干涉仪设计，采用基于sagnac分束结构的转镜干涉技术，但是该结构中分束镜和两个反射镜之间的角度具有严格限制，不易装调，结构不紧凑，稳定性较差，很难实现实物化以及商业化制造。

杨庆华等人提出的双动镜干涉仪结构(200810017691.0)由一个分束器、一个固定的平面反射镜、平行安装在可被线性移动的公共滑动部件上的第一动镜和第二动镜组成；第一动镜和第二动镜被一个刚性结构平行地固定在一起，作为一个单独的运动部件，分束器和平面反射镜相互垂直，它们与第一动镜和第二动镜之间的夹角均为45度；光程差由平行平面双动镜的直线往复运动产生，光程差为双动镜位移(相对于其零光程差位置)的4倍。这种干涉仪结构简单、成本低，但是刚性连接结构造成***制造复杂，并且光路特性容易受到刚性连接应变影响，对于连接装置制造精度要求很高，很难实现商业化。

Simon等人(美国专利No.5,309,217)发明了使用枢轴和后向反射镜的干涉仪。其优点是稳定的、易于对准。但是该专利中设计的光路***需要多个额外的镜面并增加了整个光路有效路径长度，其造成的不良后果是显著增大了由热变化导致光路的不稳定性，并且光学元件和相关的结构体积较大，影响整个仪器的紧凑性。

综上所述，迄今为止傅立叶变换光谱仪中干涉仪中所采用的的直线动镜扫描和转镜扫描原理各有特点，但都分别存在稳定性差、对转镜材料要求高、直线滑道“爬行”引起的光路失调，相互独立的动镜和定镜托架存在运动误差，直线往复运动和摆动往复运动固有的换向死点造成的非均匀机械磨损，光路结构不易装调等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种傅里叶变换光谱用干涉仪，其可从根本上消除了相互独立的动镜和定镜托架运动误差造成的光路失调，提高傅里叶光谱仪在使用中干涉仪精度以及稳定性，并且在相同的摆动或者转动角度下，获得更大的光程差。

为实现是上述目的，本发明采用下述方案进行实施：

一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪，包括分光镜、第三、四平面反射镜以及分光镜与第三、四平面反射镜之间的光束路径上分别设置的动镜和定镜，动镜和定镜为同步进行摆动或转动的一体式结构。

进一步的：

动镜、定镜与第三、四平面反射镜之间分别设置有第一、二空心角反射镜。

分光镜与动镜和定镜之间还分别设置有第一、二平面反射镜。

本发明具体有如下四种实施方式：

其一：

所述的动镜和定镜为一双面平面反射镜的两反射面分别构成，第一、三平面反射镜和第一空心角反射镜与第二、四平面反射镜分置于双面平面反射镜的两外侧，反光镜位于靠近第一、二平面反射镜的双面平面反射镜的外端，双面平面反射镜转动固定在支架上，构成该转动连接的转轴轴线与动镜、定镜的法线成垂直布置。

其二：

所述的动镜和定镜为一双面平面反射镜的两反射面分别构成，第一、三平面反射镜和第一空心角反射镜与第二、四平面反射镜分置于双面平面反射镜的两外侧，反光镜位于靠近第一、二平面反射镜的双面平面反射镜的外端，双面平面反射镜转动固定在刚性支架上，构成该转动连接的转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

优选为，分光镜的分光角为45°，转轴轴线与动镜、定镜的法线夹角为2°。

其三：

所述的动镜和定镜为一平面反射镜的反射面沿一直分割线分割成的两部分构成，该平面反射镜转动固定在旋转支架上，构成该转动连接的转轴轴线与直分割线相交，分光镜、第三、四平面反射镜、第一、二空心角反射镜均位于该平面反射镜反射面的外侧，且第三平面反射镜、第一空心角反射镜与第四平面反射镜、第二空心角反射镜关于直分割线相对称对应布置，分光镜位于第一、二空心角反射镜的中间，第三、四反射镜分置于第一、二空心角反射镜的外侧，转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

优选为，分光镜的分光角为45°，转轴轴线与动镜、定镜的法线成夹角为2°。

其四：

所述的动镜和定镜为由同一转轴连接为一体的两平面放射镜构成，动镜和定镜的反射面相向设置，分光镜、第三、四平面反射镜关于动镜、定镜转轴对应分置于动镜、定镜的两外侧，动镜、定镜的转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

优选，分光镜的分光角为45°，动镜、定镜间距为30mm，动镜、定镜的转轴轴线与动镜、定镜的法线夹角为5°。

本发明采用动镜和定镜合为一体的干涉仪结构，包括与入射光束成45°的分束器，固定反射平面镜以及空心角反射镜。***光路关于动镜定镜组合体对称，平面反射镜将分光镜分出的两束光反射到动镜定镜组合体的反射面上，空心角反射镜及平面反射镜共同作用，将从动镜定镜组合体上反射的光原路返回到分光镜形成干涉。

本发明的创新之处在于：

动镜定镜组合体(一体式结构)大大简化了干涉仪的结构，提供了将干涉仪的运动机构简化为动镜定镜组合的绕组合体中心摆动或连续匀速转动的可能性。组合体采用整体成形制造方法，具有两个工作面，将两个工作面制造差异降到最低，减小了制造工艺尺寸对于光谱仪精度的影响

可采用对称双锥型滚柱轴承支撑旋转机构，这样可以将间隙减到最小，动镜和定镜合为一体，使其经受相同的摆动，转动，振动和变形，动镜定镜合一连续匀速转动将大大提高采样速率并大大减小直线往复运动和摆动往复运动换向死点造成的非均匀机械磨损。

动镜定镜组合体的两反射面相互平行，当平面反射镜与角锥棱镜正确调整后，转动动镜定镜组合体不会改变两光束重合在分光镜上干涉位置以及准直特性，只产生光程的差异。在相同摆动或转动角度下，动镜定镜合一结构产生的光程差是摆动或转动单一动镜的一倍。该结构还方便于根据情况在分束器与平面反射镜之间的光路上设置有同时补偿各种波长光程差的补偿板。

本发明的有益效果在于：

动镜和定镜合为一体或将动镜和定镜固定在同一刚性机械结构上，其经受相同的摆动，转动，振动和变形，从根本上消除了相互独立的动镜和定镜托架运动误差造成的光路失调，对于运动过程中误差较大，即其振动，应变，倾斜所噪声的干涉图调制度和相位的影响较小。光程差为双动镜位移，即很小的双动镜位移可获得较大的光程差，适用于高光谱分辨率光谱仪。

附图说明

图1、2、3、4为本发明的四种具体实施方式。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪，包括分光镜、第三、四平面反射镜以及分光镜与第三、四平面反射镜之间的光束路径上分别设置的动镜和定镜，动镜和定镜之间为同步进行摆动或转动的一体式结构。动镜、定镜与第三、四平面反射镜之间分别设置有第一、二空心角反射镜。分光镜与动镜和定镜之间还分别设置有第一、二平面反射镜。

图1所示，其为本发明第一种实施方式，该实施方式中：所述的动镜和定镜为一双面平面反射镜的两反射面分别构成，第一、三平面反射镜和第一空心角反射镜与第二、四平面反射镜分置于双面平面反射镜的两外侧，反光镜位于靠近第一、二平面反射镜的双面平面反射镜的外端，双面平面反射镜转动固定在支架上，构成该转动连接的转轴轴线与动镜、定镜的法线成垂直布置。

具体如图1所示，图中结构1是作为动镜定镜组合体的双面镀膜平行平面反射镜(双面平面反射镜)，可以绕摆动中心2摆动。3是50％分光镜。4是经准直后的入射光束。5是经历分束和光程差动后再次重合到一起的出射光。6和7是平面反射镜，将分光镜分出的两束光反射到动镜定镜组合体1的反射面上。8和9是空心角反射镜，10和11是平面反射镜。8～10和9～11的作用是将从动镜定镜组合体1上反射的光原路返回到分光镜形成同光路干涉。由于动镜定镜组合体1的两反射面相互平行，当平面反射镜10和11正确调整后，转动动镜定镜组合体1不会改变两光束重合在分光镜上的同光路干涉的准直。转动动镜定镜组合体1只产生两路光路光程的差异，从而实现傅立叶变换所需的光程差扫描。

图2所示，其为本发明第二种实施方式，该实施方式中：所述的动镜和定镜为一双面平面反射镜的两反射面分别构成，第一、三平面反射镜和第一空心角反射镜与第二、四平面反射镜分置于双面平面反射镜的两外侧，反光镜位于靠近第一、二平面反射镜的双面平面反射镜的外端，双面平面反射镜转动固定在刚性支架上，构成该转动连接的转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

具体如图2所示，该图中20是动镜定镜组合体的双面镀膜平行平面反射镜。该双面平行平面反射镜以其法线与旋转轴21成一固定的θ角固定在刚性支架22上。23是50％分光镜。24是经准直后的入射光束。25是经历分束和光程差动后再次重合到一起的出射光。26和27是平面反射镜，将分光镜出射的两束光反射到动镜定镜组合体20的反射面上。28和29是空心角反射镜，30和31是平面反射镜。28～30和29～31的作用是将从动镜定镜组合体20上反射的光原路返回到分光镜形成同光路干涉。由于动镜定镜组合体20的两反射面相互平行，当平面反射镜26和27正确调整后，刚性支架22带动动镜定镜组合体20绕旋转轴21转动时不会改变两光束重合在分光镜上的同光路干涉的准直。转动动镜定镜组合体20只产生两路光路光程的差异，从而实现傅立叶变换所需的光程差扫描。

计算表明，在分光角为45度，θ角为2°时，动镜定镜组合体旋转一周可以实现最大19.36毫米的光程差扫描。

图3所示，其为本发明第三种实施方式，该实施方式中：所述的动镜和定镜为一平面反射镜的反射面沿一直分割线分割成的两部分构成，该平面反射镜转动固定在旋转支架上，构成该转动连接的转轴轴线与直分割线相交，分光镜、第三、四平面反射镜、第一、二空心角反射镜均位于该平面反射镜反射面的外侧，且第三平面反射镜、第一空心角反射镜与第四平面反射镜、第二空心角反射镜关于直分割线相对称对应布置，分光镜位于第一、二空心角反射镜的中间，第三、四反射镜分置于第一、二空心角反射镜的外侧，转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

具体如图3所示，该实施方式中，30是作为动镜定镜组合体的单面镀膜平面反射镜。两束光路均通过这同一平面反射镜反射，任何形变，震动导致的误差都会因发生在同一刚体上而抵消。该平行平面反射镜30以其法线与旋转轴32成一固定的θ角固定在刚性旋转支架31上。33是50％分光镜。34是经准直后的入射光束。35是经历分束和光程差动后再次重合到一起的出射光。36和37是空心角反射镜，38和39是平面反射镜。36～38和37～39的作用是将从动镜定镜组合体30上反射的光原路返回到分光镜形成同光路干涉。当平面反射镜38和39正确调整后，刚性支架31带动动镜定镜组合体30绕旋转轴32转动时不会改变两光束重合在分光镜上的同光路干涉的准直。转动动镜定镜组合体30只产生两路光路光程的差异，从而实现傅立叶变换所需的光程差扫描。

计算表明，在分光角为45度，θ角为2°时，动镜定镜组合体旋转一周可以实现最大20.56毫米的光程差扫描。

图4所示，其为本发明第四种实施方式，该实施方式中：所述的动镜和定镜为由同一转轴连接为一体的两平面放射镜构成，动镜和定镜的反射面相向设置，分光镜、第三、四平面反射镜关于动镜、定镜转轴对应分置于动镜、定镜的两外侧，动镜、定镜的转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。

具体如图4所示，该图中50和51是平面反射镜，两镀膜反射面平行相向而置。平面反射镜50和51以其法线方向与旋转轴成θ角的方式固定在刚性结构52上。刚性结构52连同平面反射镜50和51构成的动镜定镜组合体可以绕旋转轴53转动。54是50％分光镜。55是经准直后的入射光束。56是经历分束和光程差动后再次重合到一起的出射光。57和58是平面反射镜(或类似图1中8～10的角反射镜和平面镜组合)。由于平面反射镜50和51的反射面相互平行，经分光镜54分出的光分别在平面反射镜50和51的反射表面上各反射一次，被平面反射镜57或58反射后沿原路返回到分光镜形成同光路干涉。由于平面反射镜50和51的反射面相互平行，动镜定镜组合体50～51～52绕旋转轴53转动不会改变两光路的准直。该绕旋转轴53转动只产生两路光路光程的差异，从而实现傅立叶变换所需的光程差扫描。

计算表明，在分光角为45度，动镜定镜间隔30毫米，θ角为5°时，动镜定镜组合体旋转一周可以实现最大29.6毫米的光程差扫描。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪，包括分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜以及分光镜与第一平面反射镜、第二平面反射镜之间的光路上分别设置的动镜和定镜，其特征在于，动镜和定镜为同步进行摆动或转动的一体式结构；动镜、定镜与第一平面反射镜、第二平面反射镜之间分别设置有第一空心角反射镜、第二空心角反射镜；所述的动镜和定镜为一平面反射镜的反射面沿一直分割线分割成的两部分构成，该平面反射镜转动固定在旋转支架上，构成该转动连接的转轴轴线与直分割线相交，分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一空心角反射镜、第二空心角反射镜均位于该平面反射镜反射面的外侧，且第一平面反射镜、第一空心角反射镜与第二平面反射镜、第二空心角反射镜关于直分割线相对称对应布置，分光镜位于第一空心角反射镜、第二空心角反射镜的中间，第一平面反射镜、第二平面反射镜分置于第一空心角反射镜、第二空心角反射镜的外侧，转轴轴线与动镜、定镜的法线成锐角夹角布置。