CN105572042A - 傅立叶变换光谱仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种傅立叶变换光谱仪及其测试方法。傅立叶变换光谱仪包括：依次共光轴设置的起偏器、作用液晶盒、补偿液晶盒、检偏器、光电探测器和计算装置；作用液晶盒中的双折射液晶分子的方向与起偏器的起偏方向的夹角为45度；作用液晶盒具有可调节的加载电压以使光电探测器获得不同的光强；补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒；检偏器的偏振方向垂直于起偏器；计算装置根据光电探测器获取的光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。本发明所采用光学元件均共光轴、体积小，因此实现的傅立叶变换光谱仪结构紧凑，便于***集成。

Description

傅立叶变换光谱仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种光谱探测技术，具体地说是一种傅立叶变换光谱仪及其测试方法。

背景技术

傅立叶变换光谱仪具有高通量、高信噪比、高光谱分辨率等特点，广泛应用于材料检测、化学分析和环境监测等领域。传统的傅立叶变换光谱仪的光学结构主要基于迈克尔寻干涉仪，其将光分成两束，其中一束固定光程，另一束通过机械方式改变反射镜的位置以改变其光程，再将两束光合束产生干涉，最后进行傅立叶变换以得到探测光的光谱。然而，其反射镜高精度的机械移动使传统傅立叶变换光谱仪不仅复杂、价格昂贵，而且体积大，不便于集成。

如何使傅立叶光谱仪小型化、简单化成为了人们的研究目标，经十多年的努力，目前已有一些较好的解决思路。其中基于双折射材料o光和e光的偏振干涉是一种较好的静态傅立叶变换光谱方式，但一般的双折射材料的双折射率差的可调节范围非常有限，难以获得高分辨、高集成的光谱仪。

发明内容

针对傅立叶变换光谱仪难以小型化、集成化的问题，本发明提供了一种傅立叶变换光谱仪及其测试方法，其基于双折射液晶材料的紧凑型傅立叶变换光谱仪，该光谱仪无需机械移动、所有光学元件共光轴，便于集成。

作为本发明的第一方面，提供了一种傅立叶变换光谱仪，包括：依次共光轴设置的起偏器、作用液晶盒、补偿液晶盒、检偏器、光电探测器和计算装置；作用液晶盒中的双折射液晶分子的方向与起偏器的起偏方向的夹角为45度；作用液晶盒具有可调节的加载电压以使光电探测器获得不同的光强；补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒；检偏器的偏振方向垂直于起偏器；计算装置根据光电探测器获取的光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。

进一步地，作用液晶盒和补偿液晶盒的厚度相等。

进一步地，补偿液晶盒加载固定的电压。

作为本发明的第二方面，提供了一种傅立叶变换光谱仪的测试方法，包括：利用起偏器将通过其的探测光变换为线偏振光；使线偏振光通过作用液晶盒、补偿液晶盒、检偏器和光电探测器；调节作用液晶盒的加载电压，从而使光电探测器得到不同的光强；根据光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。

进一步地，使作用液晶盒中的双折射液晶分子的方向与起偏器的起偏方向的夹角为45度。

进一步地，使补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒。

进一步地，使检偏器的偏振方向垂直于起偏器。

进一步地，作用液晶盒的加载电压为变化区间为[0,20]伏特、频率为1kHz的交流方波电压。

进一步地，作用液晶盒采用双折射的向列相液晶，通过改变作用液晶盒的加载电压使通过作用液晶盒的o光和e光的折射率差等间隔渐变，从而获取光强。

进一步地，利用补偿液晶盒对来自作用液晶盒的o光和e光进行零光程差补偿。

本发明中的作用液晶盒加载可变电压以调控液晶o光和e光的折射率差以产生干涉图，补偿液晶盒加载固定电压以进行零光程差补偿，然后将光电探测器所探测到的干涉图进行傅立叶变换以得到光谱。此外，本发明所采用光学元件均共光轴、体积小，因此实现的傅立叶变换光谱仪结构紧凑，便于***集成。

附图说明

图1为本发明提供的光谱仪结构的结构示意图。

图2为起偏器的正视图。

图3为作用液晶盒的正视图。

图4为补偿液晶盒的正视图。

图5为检偏器的正视图。

图6为一光谱测试结果。

图中，1、起偏器；2、作用液晶盒；3、补偿液晶盒；4、检偏器；5、光电探测器；6、圆形边框；7、偏振方向；8、边框；9、液晶分子；10、边框；11、液晶分子；12、圆形边框；13、偏振方向；14、外壳。

具体实施方式

请参考图1，其示出了本发明的结构示意图。其中，1为起偏器、2为作用液晶盒、3为补偿液晶盒、4为检偏器、5为光电探测器、14为外壳。请参考图2，其示出了起偏器的正视图，其中，6表示起偏器的圆形边框，7表示起偏器的偏振方向。图3示出了作用液晶盒的正视图，其中8表示液晶盒的边框，9表示液晶分子，其排列方向与起偏器的偏振方向呈45度；图4示出了补偿液晶盒的正视图，其中10表示液晶盒的边框，11表示液晶分子，其排列方向与作用液晶盒中液晶分子垂直；图5示出了检偏器的正视图，其中12表示检偏器的圆形边框，13表示检偏器的偏振方向，其与起偏器相互垂直。

作为本发明的第一方面，请参考图1至图5，提供了一种傅立叶变换光谱仪，特别是一种基于双折射液晶的紧凑型傅立叶变换光谱仪，包括：依次共光轴设置的起偏器1、作用液晶盒2、补偿液晶盒3、检偏器4、光电探测器5和计算装置；作用液晶盒2中的双折射液晶分子的方向与起偏器1的起偏方向的夹角为45度；作用液晶盒2具有可调节的加载电压以使光电探测器5获得不同的光强；补偿液晶盒3中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒2；检偏器4的偏振方向垂直于起偏器1；计算装置根据光电探测器5获取的光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。优选地，作用液晶盒2和补偿液晶盒3的厚度相等。优选地，补偿液晶盒3加载固定的电压。

本发明的两偏振片中的一个为起偏器，另一个为检偏器；两个液晶盒中的一个(作用液晶盒2)加载可变电压以调控液晶o光和e光的折射率差以产生干涉图，另一个(补偿液晶盒3)加载固定电压以进行零光程差补偿，然后将光电探测器所探测到的干涉图进行傅立叶变换以得到光谱。此外，本发明所采用光学元件均共光轴、体积小，因此实现的傅立叶变换光谱仪结构紧凑，便于***集成。

优选地，探测光通过起偏器后为线偏振光I₀(λ)。优选地，线偏振光进入作用液晶盒后，将分成强度相等的o光与e光，在加载可变电压V_t下，其e光的折射率n_e随之变化，o光折射率不变，因此经该液晶盒后，其o、e光将产生光程差：

Δd(V_t)＝Δn(V_t)D(1)

其中,Δn(V_t)为随加载电压变化的o、e光折射率差，D为液晶盒厚度。

优选地，从作用液晶盒出射的光进入补偿液晶盒，其o光、e光发生互换，对补偿液晶盒加载一固定的电压V₀，当V_t＝V₀时，作用液晶盒所产生的o、e光光程差将被补偿液晶盒抵消，即获得了零光程差补偿。

优选地，通过检偏器的光将产生偏振干涉，其干涉光强为：

$I_{\mathrm{out}}(\mathrm{\λ},V_t)=\frac{1}{2}{I}_0\left(\mathrm{\λ}\right)(1+\cos (\mathrm{\Δd}\left(V_t\right)-\mathrm{\Δd}\left(V_0\right)+\mathrm{\π}))---\left(2\right)$

当入射光为多波长的复色光时，所述光电探测器上探测到的总光强为公式(2)的积分，即：

$I_{\mathrm{out}}\left(V_t\right)=\∫I_{\mathrm{out}}(\mathrm{\λ},V_t)\mathrm{d\λ}=\frac{1}{2}\∫I_0\left(\mathrm{\λ}\right)(1+\cos (\mathrm{\Δd}\left(V_t\right)-\mathrm{\Δd}\left(V_0\right)+\mathrm{\π}))\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

所述公式(3)满足傅立叶变换规律，因此获的入射光谱的变换公式为：

$I_0\left(\mathrm{\λ}\right)=\∫(I_{\mathrm{out}}\left(V_t\right)-\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{out}}\left(V_0\right))\cos (\mathrm{\Δn}\left(V_t\right)D-\mathrm{\Δn}\left(V_0\right)D+\mathrm{\π})\mathrm{d\Δn}---\left(4\right)$

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

下面，以一个具体的实施例，对本发明的工作原理进行示例性的描述。例如，可将波长为633nm的探测光依次通过共光轴的起偏器、作用液晶盒、补偿液晶盒和检偏器，最后到达光电探测器。其中，作用液晶盒中的双折射液晶分子的方向与起偏器起偏方向为45度，该液晶盒加载可变的电压V_t,其为变化区间为[0,20]伏特、频率为1kHz的交流方波电压。优选地，补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒。优选地，作用液晶盒和补偿液晶盒的厚度相等，例如均为100um，液晶材料相同，均采用双折射的向列相液晶，例如，其o、e光的折射率差最大为2.34。优选地，补偿液晶盒加载的固定电压为20V，频率为1kHz的交流方波电压。优选地，检偏器的偏振方向垂直于起偏器。改变作用液晶盒的加载电压，使o、e光的折射率差等间隔渐变，获取光电探测器上对应的光强，然后利用公式(4)进行傅立叶变换，即得到探测光的光谱，其结果如图6所示，所获得的光谱频率准确，分辨率为10.5nm，增加液晶厚度，该分辨率将提高。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与传统的基于迈克尔寻干涉的傅立叶变换光谱仪相比，本发明提供的光谱仪中没有机械移动，不需要复杂的机械控制设备，因此体积、成本均大幅下降；

(2)本发明提供的光谱仪中所有光学元件均共光轴，光路非常简单，因此光谱仪的***设计容易实现，也便于将其集成到其他光学***中；

(3)由于液晶和光电探测器均具有阵列化的特点，因此本发明提供的设计思路可发展成阵列化的光谱仪，以提高光谱探测通量或进行快速光谱成像。

作为本发明的第二方面，提供了一种傅立叶变换光谱仪的测试方法，包括：利用起偏器1将通过其的探测光变换为线偏振光；使线偏振光通过作用液晶盒2、补偿液晶盒3、检偏器4和光电探测器5；调节作用液晶盒2的加载电压，从而使光电探测器5得到不同的光强；根据光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。

优选地，使作用液晶盒2中的双折射液晶分子的方向与起偏器1的起偏方向的夹角为45度。

优选地，使补偿液晶盒3中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒2。

优选地，使检偏器4的偏振方向垂直于起偏器1。

优选地，作用液晶盒2的加载电压为变化区间为[0,20]伏特、频率为1kHz的交流方波电压。

优选地，作用液晶盒2采用双折射的向列相液晶，通过改变作用液晶盒2的加载电压使通过作用液晶盒2的o光和e光的折射率差等间隔渐变，从而获取光强。

优选地，利用补偿液晶盒3对来自作用液晶盒2的o光和e光进行零光程差补偿。

Claims (10)

1.一种傅立叶变换光谱仪，其特征在于，包括：依次共光轴设置的起偏器(1)、作用液晶盒(2)、补偿液晶盒(3)、检偏器(4)、光电探测器(5)和计算装置；

所述作用液晶盒(2)中的双折射液晶分子的方向与所述起偏器(1)的起偏方向的夹角为45度；所述作用液晶盒(2)具有可调节的加载电压以使所述光电探测器(5)获得不同的光强；

所述补偿液晶盒(3)中的液晶分子的方向垂直于所述作用液晶盒(2)；

所述检偏器(4)的偏振方向垂直于所述起偏器(1)；

所述计算装置根据所述光电探测器(5)获取的光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。

2.根据权利要求1所述的傅立叶变换光谱仪，其特征在于，所述作用液晶盒(2)和所述补偿液晶盒(3)的厚度相等。

3.根据权利要求1所述的傅立叶变换光谱仪，其特征在于，所述补偿液晶盒(3)加载固定的电压。

4.一种傅立叶变换光谱仪的测试方法，其特征在于，包括：

利用起偏器(1)将通过其的探测光变换为线偏振光；

使所述线偏振光通过作用液晶盒(2)、补偿液晶盒(3)、检偏器(4)和光电探测器(5)；

调节所述作用液晶盒(2)的加载电压，从而使所述光电探测器(5)得到不同的光强；

根据所述光强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，使所述作用液晶盒(2)中的双折射液晶分子的方向与所述起偏器(1)的起偏方向的夹角为45度。

6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，使所述补偿液晶盒(3)中的液晶分子的方向垂直于所述作用液晶盒(2)。

7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，使所述检偏器(4)的偏振方向垂直于所述起偏器(1)。

8.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述作用液晶盒(2)的加载电压为变化区间为[0,20]伏特、频率为1kHz的交流方波电压。

9.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述作用液晶盒(2)采用双折射的向列相液晶，通过改变所述作用液晶盒(2)的加载电压使通过所述作用液晶盒(2)的o光和e光的折射率差等间隔渐变，从而获取所述光强。

10.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，利用所述补偿液晶盒(3)对来自所述作用液晶盒(2)的o光和e光进行零光程差补偿。