CN102782465B - 紧凑式干涉仪分光计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉仪，例如该干涉仪可以并入到手持分光计中。干涉仪包括环绕路径光学器件和检测器，环绕路径光学器件包括分束器（210）和至少两个反射元件（221，222），分束器被布置为将输入光束（205）分为第一光束和第二光束（231、232）。环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器（250）输出第一光束和第二光束。环绕路径光学器件还将第一光束和第二光束聚焦在检测器上。检测器被布置为检测由第一光束和第二光束产生的图案。在优选实施方式中，两个反射元件是一对凹面镜并且环绕路径光学器件环绕三角形区域。使用凹面镜用于反射和聚焦提供了紧凑的干涉仪。

Description

紧凑式干涉仪分光计

技术领域

本发明涉及一种紧凑式干涉仪，例如该干涉仪可以包括在手持分光计装置中。装置能够被制造为不存在任何移动部件并且因此适合于在恶劣环境中使用。

背景技术

已知有迈克耳逊干涉仪和萨尼亚克干涉仪。例如，如图1中所示，迈克耳逊干涉仪包括部分反射镜10和一对反射镜21、22。部分反射镜10将光分为两部分。镜21、22和部分反射镜10被布置为使得光沿着两个线性路径（即，分支31、32）行进。每个部分在沿着分支中的不同的分支的返回路径中行进。沿着分支中的一个分支32的光学路径长度是可调整的。这些部分在焦平面重组以形成条纹。这些部分通过透镜40组合，以相等的倾斜角到达透镜。通过将反射镜中的一个反射镜22布置在光束的方向上，能够改变两个分支之间的光学路径差。条纹55通常具有同心环的形式。当路径差改变时，条纹之间的间隔变得更大或更小。如果路径长度差随着时间线性地改变，并且检测器50被布置在条纹55的环的中心处，来自检测器的信号将随着由波长和路径差确定的周期正弦地变化。

迈克耳逊干涉仪的优点之一在于其能够接受相对较宽的角度范围上入射的输入射线。然而，在干涉条纹中，关于源的任何空间信息由于其均匀地分布在干涉环中而导致丢失。

在图2中示出萨尼亚克干涉仪。萨尼亚克干涉仪也包括部分反射镜110和一对反射镜121、122。与迈克耳逊干涉仪一样，部分反射镜进行分光，但是不同的是，没有将光分为沿着分支行进的两个部分，而是改变反射镜的位置从而这两个部分没有直接反射回部分反射镜110而是反射到另一反射镜121或122。因此，这些部分沿着类似的环绕路径但是在相反方向上行进。因此，萨尼亚克干涉仪有时被已知为公共路径干涉仪。这两个部分经由部分反射镜110离开并且通过透镜140以产生条纹155。不同于迈克耳逊干涉仪，条纹155是线性的而不是圆形的。

如果检测器50被布置在干涉图案中，并且一个镜122如图中的箭头所示地往复运动，则来自检测器的信号将正弦地变化。或者，跨过干涉图案移动检测器，信号也将正弦地变化。

萨尼亚克干涉仪和迈克耳逊干涉仪之间的另一差异在于迈克耳逊干涉仪要求非常精确地定位每个臂的镜，而萨尼亚克干涉仪的镜的位置具有相对较大的容许度，这是因为由于光束的三角路径是非对称的并且提供了两个光束的剪切而导致产生了路径差。

Berlinghieri J.C.等人在1989年9月6-8日在亚利桑那州的图森的天文学中的CCD（CCDs in Astronomy）：会议论文集中的“A CCD Fourier Transform Spectrometer”中报告了上述基于萨尼亚克方案的干涉仪。所报告的装置使用CCD阵列来检测干涉图案。Okamoto T.在1984年的Applied Optics第23卷第2册中的“Fourier TransformSpectrometer with Self-Scanning Photodiode Array”中描述了类似的但是包括额外的镜以折叠朝向检测器的输出光束的装置。Okamoto还认为该系统的光学吞吐量大于迈克耳逊类型干涉仪的光学吞吐量，这是因为，在这样的干涉仪中，分辨能力受到源的范围的限制。Lucey P.G.等人在1993年的Proc.SPIE第1937卷130页中的“SMIFTS:A Cryogenically Cooled,Spatially Modulated Imaging Infrared InterferometerSpectrometer”中也描述了类似的但是额外地包括有柱形透镜以在检测器处重成像输入孔径的装置。

还已经考虑了其它的干涉仪构造，例如，由Katzberg和Statham在1996年8月的NASA Technical paper（3570）中讨论的DASI（数字阵列扫描干涉仪）。该装置包括渥拉斯顿棱镜和检测器阵列。

上述装置中的很多装置都是麻烦的，要求分光的质量和位置的严格控制，并且不能够提供实时输出光谱。

发明内容

本发明提供了一种干涉仪，其包括分束或路径差异化光学器件以及检测器，其中：分束或路径差异化光学器件包括分束器和至少两个反射元件，分束器被布置为将输入光束分为第一和第二光束，第一反射元件被布置为将第一光束沿着第一路径导向检测器并且第二反射元件被布置为将第二光束沿着第二路径导向检测器，第一和第二路径具有光学路径差；分束或路径差异化光学器件被布置为将第一和第二光束聚焦到检测器；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。分束或路径差异化光学器件将输入光束分为两个光束并且将这两个光束沿着路径引导以在检测器处重组。这两个光束的路径具有光学路径差或者检测器长度方向上的光学路径差的变化。分束或路径差异化光学器件的第一个功能在于将光束分为第一和第二光束，并且可以替代地为已知的偏置光学器件。

本发明的干涉仪的优点在于：这两个光束在检测器上的聚焦是由诸如反射元件的分束或路径差异化光学器件提供的。这提供了紧凑的干涉仪。

反射元件的数目优选地为两个并且反射元件被布置为将光束聚焦在检测器上从而在检测器平面上产生干涉图。

分束或路径差异化光学器件可以被布置为第一光束和第二光束被围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导。

第一反射元件和第二反射元件可以是凹面镜。

本发明还提供了一种干涉仪，其包括环绕路径光学器件和检测器，其中：该环绕路径光学器件包括分束器以及至少两个反射元件，该分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，该环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器输出第一和第二光束；环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束聚焦在检测器上；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。环绕路径是环绕光束被在导向检测器之前循环一次的区域的路径。这两个光束反向传播并且可以因此被视为反向循环。环绕路径导致干涉仪有时被已知为共路径干涉仪。然而，由于当光束在检测器的方向上离开分束器时光束离开的位置和角度都略有不同，因此，这两个光束所采取的确切路径也并不是完全相反的。即，这两个光束在通过分束器时彼此间隔剪切距离。

上述干涉仪的优点在于聚焦功能被包括在诸如镜的环绕路径光学器件中，从而减少了组件的数目。特别地，不要求输出傅立叶光学器件从而能够使得装置更小并且更紧凑。另一优点在于干涉仪能够被布置为不要求移动部件来产生干涉图案。

反射元件优选地为镜，但是可以包括衍射光栅。在一个实施方式中，这两个反射元件可以一起形成为一个单元。

检测器对由第一光束和第二光束的干涉产生的干涉图进行采样。

环绕路径光学器件的光束聚焦可以通过反射元件中的至少一个反射元件的弯曲来实现。环绕路径光学器件的光束聚焦可以通过反射元件中的两个反射元件的弯曲来实现。

反射元件中的至少一个反射元件的弯曲可以被设置为将第一光束和第二光束聚焦在检测器上从而像平面处的光场的形状基本上匹配检测器的检测面的形状。反射元件中的至少一个反射元件的弯曲可以设置为聚焦第一光束和第二光束从而像平面具有平面光场。

干涉仪可以包括两个反射元件，其中，分束器和两个反射元件可以被布置为第一光束由分束器导向两个反射元件中的第一反射元件并且第二光束由分束器导向两个反射元件中的第二反射元件。

反射元件中的第一反射元件可以被布置为将第一光束导向反射元件中的第二反射元件，并且反射元件中的第二反射元件可以被布置为将第二光束导向反射元件中的第一反射元件，并且第二反射元件和第一反射元件可以被布置为将第一光束和第二光束分别导向分束器。

分束器可以分别通过透射和反射产生第一光束和第二光束。

分束器可以将来自环绕路径的第一光束和第二光束导向检测器。分束器可以分别通过透射和反射将第一光束和第二光束导向检测器。

干涉仪可以进一步包括输入光学器件以准直输入光束。例如，单筒望远镜或双筒望远镜布置方案。

这两个反射元件的弯曲可以相同，并且反射元件中的至少一个反射元件可以是凹的。

检测器可以被布置为沿着线检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。检测器优选地为线性阵列传感器。

检测器可以包括被布置为沿着线往复移动的至少一个传感器。

环绕路径可以是三角形的、方形的或任何其它环形状。

反射元件和分束器可以相对于彼此是固定的。检测器可以相对于环绕路径光学元件是固定的。

优选地，分束器可以将输入光束分为强度基本上相等的第一光束和第二光束。

环绕路径光学器件或反射元件和分束器可以形成为一体。

检测器被布置为输出指示干涉图案中的空间变化的信号。

本发明还提供了一种分光计，其包括上述干涉仪，并且进一步包括分析器，该分析器被布置为基于干涉图案的傅里叶变换提供在输入光束中存在的波长的指示。

本发明进一步提供了一种成像分光计，其包括上述干涉仪，其中检测器被布置为二维地检测通过组合第一光束和第二光束产生的图案。在这样的实施方式中，检测器可以被布置为在一个方向上检测由第一光束和第二光束的干涉产生的空间变化图案，并且在第二方向上检测关于输入光束的图像信息。干涉仪可以被构造为光瞳面干涉仪或像平面干涉仪。前者要求往复运动以产生完整图像，而后者相反地要求往复运动以产生完整干涉图。光瞳面干涉仪由于不要求移动来获得干涉图和完整的波长谱而适合于用作分光计。

优选地，检测器是二维阵列传感器，或者检测器可以是布置为沿着线移动以扫描某一区域的线性阵列传感器。

成像分光计可以进一步包括被布置为提供输入光束中存在的波长的指示和关于输入光束的图像信息的分析器。

本发明还提供了一种萨尼亚克干涉仪，其中环绕路径中的一个或多个镜被弯曲以用于将反向循环光束聚焦在检测器上。这是一种修改的萨尼亚克干涉仪，其中傅立叶光学器件被包括在环绕或环形光学路径中。

本发明还提供了一种傅立叶变换分光计，其包括：两个反射元件、分束器和检测器，其中分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，分束器和两个反射元件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器输出第一光束和第二光束；环绕路径内的光学元件将光束聚焦在检测器上；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施方式和现有技术，在附图中：

图1是传统的迈克耳逊干涉仪的示意图；

图2是传统的萨尼亚克干涉仪的示意图；

图3是根据本发明的实施方式的干涉仪的示意图；

图4是示出围绕图3的干涉仪行进的光束的末端（extremities）的光线轨迹图；

图5是示出围绕图3的干涉仪行进的光束的末端和中心的光线轨迹图；

图6是示出用于分辨图像中的两个特征的瑞利判据的图；

图7是分光计系统的示意图；

图8a和图8b分别示意性地示出干涉图和波长谱；

图9示出如何从具有二维阵列像素的检测器获得干涉图和成像信息；以及

图10是根据本发明的另一实施方式的干涉仪的示意图。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的干涉仪。干涉仪包括检测器250和环绕路径光学器件。环绕路径光学器件使得输入光束被分为第一和第二光束，该第一和的第二光束然后围绕环绕某些区域的路径在相反方向上行进，即，这些路径是反向循环的。

环绕路径光学器件包括分束器或分光器210以及诸如镜的两个反射元件221、222。分束器210可以是部分反射镜、薄膜分束器、分束立方体、板分束器等等。镜221、222可以弯曲为彼此具有相同曲率或者可以具有不同曲率。弯曲用于提供凹面镜。检测器250优选地是传感器阵列，但是也可以使用空间上往复的单个传感器。检测器250位于像平面。

分束器优选地布置为与光或辐射的输入光束205的入射角成45°。输入光束被分光器或分束器210分为两个光束。对于上述类型的分束器，分束器提供（由虚线示出的）反射光束231和（由实线示出的）透射光束232。在分束器处调整输入光束205的入射角可以用于调整透射光束和反射光束的振幅比率。优选地，分束器被设计为在输入光束的45°的入射角的情况下提供透射光束和反射光束之间的50:50的振幅划分。然而，其它构造也是可能的。两个镜221、222布置为相对于分束器具有大致相等但是不精确相等的距离和角度。第一镜221被布置为与输入光束205处于同一侧（即分束器的前侧），并且布置为接收反射光束231。第二镜222位于输入光束205的反侧（即分束器210的后侧），并且布置为接收透射光束232。

在第一镜221处，从分束器反射的光束231被再次反射从而其被导向第二镜222。光束231在第二镜222处被再次反射并且被导向分束器210。在分束器处，光束231被朝向像平面处的检测器250反射。

在第二镜222处，透射通过分束器的光束232被反射从而其被导向第一镜221。光束232在第一镜221处被再次反射并且被导向分束器210。在分束器处，光束232透射通过分束器并且朝向像平面处的检测器250。

两个光束231、232在相反方向上围绕环路或区域行进。如图3中所示，第一光束231行进路线为BS-M1-M2-BS-D，并且第二光束232行进路线为BS-M2-M1-BS-D。

当光束231和232第二次离开分束器时，它们相对于彼此略有移位，即，围绕光学系统的路径在这两个光束之间引入了剪切。该剪切是由于两个镜221、222的位置的略微偏差导致的。当这两个光束在像平面处重组时由于这两个光束之间的相对相位的差导致干涉。检测器处的干涉图案已知为干涉图（参见图8a），并且是形成源的图像的每个光束的结果并且是由于这两个图像是从同一源想干地产生的而导致的。干涉图的傅里叶变换提供了输入光束中存在的波长的谱（参见图8b）。下面将会更详细地讨论图8a和图8b。

我们注意到两个路径之间的路径差提供了相位差。路径差与剪切距离ΔS和剪切角θ_R成比例，如图3中所示。由下式给出路径差δ。

δ=ΔS×sinθ_R

图4和图5示出了入射在干涉仪上的光束的两个末端。光束的末端将根据实际的路径长度差在像平面处干涉。例如，路径差将沿着像平面y变化，如图5中所示。该图具有表示是光束的两个末端以及光束的中心的三个光学路径的线。剪切角也是重组角，并且因此如下式所示。

${\sin \mathrm{\θ}}_R=\frac{y}{F}$

其中F是光学系统的焦距的大小。

随着剪切角θ_R从零逐渐增加，沿着焦平面的距离y将如下式所示地变化。

$\mathrm{\δ}=\frac{y\×\mathrm{\ΔS}}{F}$

干涉条纹的中心将出现在零路径差的位置ZPD处。这可以视为像平面上的y(0)位置。

光学路径差用于确定干涉仪的价值。瑞利判据定义了针对像平面处的特征的最小可分辨间隔或者分辨率。对于谱分辨率，如图6中所示，由两个图像或特征之间的间隔Δv来示出，其中一个图像或特征的第一衍射最小量与另一图像或特征的衍射最大量一致。由下式确定分辨率（Griffiths，2002）。

${\mathrm{\Δv}}_{\max }=\frac{0.73}{{\mathrm{\δ}}_{\max }}$

其中，δ_max是由于最大可获得的剪切角导致的由干涉仪实现的最大路径差。

因此，较大的剪切分隔或剪切角提供了更好的分辨率。因此，增加剪切角在检测器处将干涉图案扩展到更大的范围，因此，还可能需要更长的检测器。如果检测器已经很长，则具有改进的信噪比或更好的数模转换分辨率的检测器可以有助于提供更精确的干涉图的数据表示。这能够用于更好的曲线拟合和傅立叶变换以产生波长谱。因此，为了获得特定分辨率，检测器阵列的长度以及光学路径长度差的参数能够被折衷以适合可用分量。减少像素节距也可以用于增加分辨率。增加检测器长度或者本发明的干涉仪的分辨率对应于通过在更大的距离上往复可移动镜来改进迈克耳逊干涉仪的分辨率。在这两种情况下，都导致路径差的增加。

优选地，镜221、222被弯曲以在像平面中提供平场。检测器则位于像平面处。如果检测器没有准确地位于像平面处而是与其成某一角度，则干涉图将会扭曲，即，随着远离ZPD，在干涉图中将会存在非线性。以上假设使用了扁平检测器。如果检测器相反地具有曲率，则像平面处的场应匹配检测器的曲率。镜被设计为提供像平面的曲率或平坦度以匹配检测器的形状。镜221、222优选具有相同的球面曲率，但是由于这会要求这两个镜为了该装置而进行定制，因此，能够使用一个商用货架产品镜并且使另一个镜进行定制以在检测器处提供要求的场形状。为了减少像差，两个镜中的一个或全部可以为非球面的。在其它实施方式中，可以使用环绕路径或反向循环路径中的其它光学分量来提供检测器上的聚焦，但是优选实施方式是将聚焦效果包括在镜221、222中。

也由检查的对象或源的类型来确定检测器处的场形状。来自对象或源的输入光束优选是准直的，例如来自无限远处的对象或激光源。如果对象或源的光不是准直的，则能够在到干涉仪的输入处使用简单的成像系统。例如，能够使用双筒望远镜或单筒望远镜成像系统来提供无限远处出现的对象或源。这样的系统可以包括开放路径单筒望远镜、光纤馈送光或如在红外光谱中使用的衰减全反射（ATR）光学装置。诸如单筒望远镜和双筒望远镜的输入光学系统改变检测器处的干涉图的形成。这将在下面进行更详细的讨论。镜的形状也能够用于校正输入光束中的特征。例如，如果输入光束中的光的相位在正交轴上不匹配，则一个镜可能具有没有形成球面弯曲的凹面镜的不相等的曲率半径，即该镜是椭圆弯曲的。

如图7中示意性示出的，干涉仪可以并入到分光计系统中。例如来自光源301的光的输入光束300入射到干涉仪330上。干涉仪基于入射在检测器的每个像素上的光的强度产生信号331。信号331被输入到分析器350。分析器可以基于在每个检测器像素处接收到的强度显示干涉图。分析器通过执行从检测器接收到的信号331的傅里叶变换提供指示输入光束300中包括的波长的输出。在一个实施方式中，信号可以包括多个信号，其中的每一个用于检测器阵列中的每个像素。分析器350可以使用快速傅立叶变换（FFT）算法执行傅里叶变换。

在图8中示出示例结果。图8a示出了干涉图并且图8b示出了波长谱。水平刻度对应于沿着检测器的距离，即，像平面的距离y。在可以对应于沿着检测器的像素数目的y位置2400-2500之间可见显著信号。图8a上的竖直刻度对应于强度。沿着检测器中的大部分，没有出现干涉，并且因此，输入光束仅在检测器阵列上展开。在数据点2400和2500之间的区域处，出现增加或减小入射在检测器像素上的强度以产生干涉图中的显著特征的相长干涉和相消干涉。从干涉图的傅里叶变换获得波长谱。

根据本发明的干涉仪的优点在于不要求机械往复运动。例如，对于图1描述的传统的迈克耳逊干涉仪来说，要求镜中的一个镜空间往复地运动以产生路径差，并且要求以非常高的精度进行这样的往复运动。在本干涉仪中，通过光学构造产生路径差并且要求使用线性检测器阵列以没有移动部件。本干涉仪产生的另一优点在于，由于不存在移动部件，因此原则上往复时间非常短，仅受到从检测器读出信号所花费的时间的限制。这意味着干涉仪和分析器能够提供输入光的谱中的变化的含时信息，例如提供了实时（几乎连续或者至少每秒数次）地更新的输入光束中存在的波长的图。没有移动部件还使得装置适合于在其中移动部件由于时间和振动的极限而易于出现故障的恶劣环境（例如卫星）中使用。根据本发明的干涉仪的又一优点在于，由于聚焦功能被并入到镜中，因此干涉仪能够被使得比传统的干涉仪更紧凑。

在另一实施方式中，线性检测器阵列能够被替换为在像平面上机械地往复运动的单个元件检测器。该实施方式可以导致较便宜的装置，但是鲁棒性较差并且由于在像平面上移动单个元件检测器的时间而提供了较少的输入波长的改变的含时信息。不管怎样，使用单个元件检测器由于使用了同一元件来在整个干涉图上进行采样因此可以提供像场上的改进的线性。换言之，像平面上的检测器的性能将不会改变，而检测器阵列将具有多个像素，这些像素会具有彼此不同的性能特性。

在另一实施方式中，检测器包括二维像素阵列。在该实施方式中，干涉仪可以形成成像分光计的一部分。例如，如图9中所示，二维检测器阵列提供了关于目标场景的一些受限空间信息。上述干涉仪是光瞳面干涉仪。

如图9中所示，对于沿着目标场景的线502的每个点（例如501），沿着二维检测器阵列的线510产生干涉图。因此，光瞳面干涉仪创建用于沿着线502的诸如501的点的一系列干涉图510。即，在一个方向上提供谱信息并且在正交方向上提供成像信息。在图9中，在水平方向上示出谱信息。这对应于沿着图3中所示的检测器250的线。关于目标场景的受限空间信息在图9中示出为包括在垂直于图3中的页面的竖直方向上。

光瞳面干涉仪接收准直光束作为图3中的输入光束205。

干涉仪能够替代地构造为在相同的相对位置使用相同反射元件、分束器和检测器的像平面干涉仪。像平面干涉仪额外地包括诸如单筒望远镜和双筒望远镜光学系统的输入光学器件，其使得系统的聚焦处于图像处而不是瞳孔处。这导致像平面干涉仪具有处于检测器上的图像从而在检测器处提供DC信号和由在图像上交叠的干涉图案导致的调制。检测器中的每个像素仍具有依赖其位置的其自己的光学路径长度差（OPD）。为了生成图像场景内的各点的完整干涉图，必须跨过检测器的线扫描该点。该技术被已知为信号的时域积分（TDI），并且应该在执行傅里叶变换之前完成。

如上所述，对于像平面干涉仪，通过在检测器上扫描图像场景中的点来建立干涉图。这能够使用输入光学器件中的扫描镜来完成。因此，对于光瞳面干涉仪来说，已经提供了完整的干涉图，但是要求往复移动以产生完整的图像，能够通过使用往复移动镜或者通过移动分光计本身来再一次执行扫描。

像平面分光计的优点在于：与光瞳面干涉仪相比，每个干涉图的每像素信号更大。光瞳面干涉仪的优点在于：信号均匀地分布在检测器阵列上。由于不要求装置的移动或装置中的移动来获得波长谱，因此光瞳面干涉仪是本申请说明书的重点。

使用商用货架产品（COTS）组件制造干涉仪。干涉仪使用曲率半径为100mm的两个Newport Optics凹面镜。用铝保护镜上的涂层。这些镜用作图3中的镜221、222（M1、M2）。分束器210是Thorlabs平板分束器，其具有近红外的涂层以提供范围在700-1200nm的分束功能。检测器是来自Mightex（美国）的3648像素CCD线检测器阵列。

为了测试干涉仪，从由海洋光学（Ocean Optics）提供的白光卤钨光源输入光。该光源在可见光-NIR操作，并且通过来自BiFi Optilas的标准光纤馈送准直器输入光。

Mightex的CCD允许在500-1100nm范围内测量谱。来自Mightex的3648像素线阵列检测器的像素节距为7μm。在该示例构造中还使用了像素节距为2.2μm的5百万像素二维检测器。能够使用对不同波长区域敏感的不同检测器来扩展波长范围。例如，基于InGaS的检测器能够检测900-2550nm的辐射，并且MCT（HgCdTe）能够检测5-15μm的辐射。如果想要检测更宽或不同范围的波长，则将会需要分束器上的不同涂层。

COTS干涉仪的面积大约为40mm×40mm，并且装置具有大约25mm的高度。镜和分束器之间的间隔大约为15mm。分束器和检测器阵列之间的间隔大约为30mm。Mightex 3648检测器阵列具有大约30mm的长度。两个镜与分束器板成大约30°的角。检测器与分束器板成大约80°的角。这些角度和距离仅是示例并且其它构造也是可能的。

这些组件获得了具有EM谱的可见光区域中大约0.1-0.5nm的分辨率的干涉仪分光计。

使用光学建模软件确定镜、分束器和检测器的相对位置。软件执行镜121、122的正确的位置和曲率半径的确定以最优地对齐分光计组件使得检测器处于聚焦是平面的位置。

光学组件可以以很多方式改变以改变上述构造，从而针对不同波长进行优化，或者针对不同大小的装置进行优化。

例如，上述COTS装置中使用的分束器、镜和检测器都可以改变。

可以通过改变使用的光学材料来改变分束器。使用的材料可以对于要求的操作的波长范围来说是最优的。可用材料的选择可以包括：对于可见光：BK7、石英、氟化钙；并且对于红外：锗、硒化锌、或者溴化钾。分束器也可以包括为在特定波长使用而优化的涂层。涂层可以根据分束器的类型和分束器的哪个表面被涂覆而是抗反射或反射的。优选地，涂层是覆盖想要的谱范围的宽带。如上所述，可以使用不同类型的分束器，例如，薄膜或平板。这些中的一种可能对于其中使用装置的环境和波长来说是优选的。分束器的形状也可以改变以调整透射光和反射光的特征分散。例如，形状能够用于补偿像差或用于对光束进行啁啾。可以使用楔形分束器来替代平板型分束器来实现光束的啁啾。

镜被成形为在检测器处沿着平面聚焦辐射。这要求准确地确定镜的曲率半径和位置。改变镜的曲率半径改变焦距并且从而改变系统的焦平面的位置。因此，通过改变镜的曲率半径，能够改变仪器的大小及其谱分辨率。这两个镜也可以具有不同的曲率半径。镜也可以具有非球面以补偿波前像差。使用的镜的类型也可以改变以满足性能要求。镜涂层可以根据装置操作的波长而是金、银或铝。替代使用镜，能够使用衍射光栅作为光学反射器。光栅将用于引入波长依赖干涉特征，或者滤波。也可以使用其焦距能够机械地改变的可变形镜。

诸如检测器材料、像素数目和像素大小的参数确定装置的性能。如上所述，二维阵列提供了成像信息，而线阵列提供了高灵敏度和快速读取速度。使用的检测器类型将依赖于正在采样的辐射的波长。针对不同波长的检测器类型的示例是：

·可见光-CCD、CMOS检测器等等；

·近红外-InGaAs、InSb、Ge、MCT等等；

·中红外–MCT、量子阱红外光电二极管（QWIP）；以及

·宽带辐射热测量计阵列。

可以替代地使用单元件检测器。单个元件可以被布置为在像平面上机械地往复运动，如上面所讨论的。

如上所述，干涉仪分光计能够被构造为仅提供干涉图信息，或者使用二维检测器阵列也能够提供成像信息。分光计可以额外地包括本机振荡器以将输入辐射外差振荡到能够由检测器测量的波长。

已经使用分立光学组件（例如，COTS组件）描述了上述实施方式。然而，能够单片地制造装置，例如，从单件玻璃来制造，或者在硅中进行微加工，或者由各个单独的组件来制造，其中这些单独的组件被组装在一起以形成其中分束器和镜表面保持在一起的单个单片光学系统。也可以使用MEMS技术（微机电系统）来制造光学系统以产生包括光学器件和电子器件的单个检测器芯片，即“芯片实验室”系统。

其它光学构造也是可能的，其中聚焦或傅立叶光学器件被包括在环绕路径中。例如，图10示出了与图3的实施方式相比包括额外的镜的光学布置。光的环绕路径与图3中所示的三角形路径相比大致为方形或矩形。图10的实施方式包括分束器或分光器310、检测器350和三个镜321、322、323。镜321、322、323可以包括一个、两个或三个弯曲镜，而剩余的镜是平面镜。在图10的布置中，两个弯曲镜是321和322，并且平面镜是323。输入光束305再次优选地为准直光束。输入光束入射在分光器310上，其产生反射光束331和透射光束332。反射光束331围绕路径BS-M1-M3-M2-BS-D行进，最终入射在检测器D上。透射光束332围绕路径BS-M2-M3-M1-BS-D行进，也最终入射在检测器D上。与图3类似地，镜的布置导致了两个路径之间的小的路径长度差。路径长度差导致检测器处的干涉，从而产生了与上述类似的干涉图。

其它光学构造也是可能的，例如在环绕路径中包括傅立叶光学器件的光学构造。路径之间的路径长度差也应该比正在分析的光的想干长度小很多。图10的实施方式具有更多组件并且因此会更难以组装或对准。

其它光学构造也是可能的，例如其中由分束器产生的两个光束没有围绕环绕路径在相反方向上传播。例如，分束器可以提供为产生彼此分离小于图3的90°的角度（例如，30°）的第一光束和第二光束。两个弯曲的凹面镜可以然后被布置为将第一光束和第二光束导向检测器。在该实施方式中，镜可以彼此隔开并且面向同一方向。在其中第一光束和第二光束没有围绕环绕路径引导的实施方式中，干涉仪由于由镜提供聚焦效果而保持紧凑。减少光学组件的数目的优点是所有实施方式的又一优点。不管怎样，图3的实施方式具有额外的优点，即用于产生干涉图的光学组件的对准是相对直接的并且有时被认为是自对准的。

其中可以应用本发明的干涉仪分光计装置的应用是多种多样的。本发明的装置可以应用于：大气污染监测（例如，城市或工业区域中的原地监测，或者布置在UAV、气球或探测高空气象资料的火箭上）、化学处理传感器（例如，在大型制药厂或者石化生产工厂中使用的化学处理的原地在线测量、用于检测和分析化学和爆炸物的反恐或军事应用）、大气远程感测和其它科学测量、环境测试（即，危险材料测试、路侧车辆排放测试、气体泄漏监测）、诸如通过呼吸分析的糖尿病的测试的医疗诊断等等。在一些实施方式中，装置可以用于化学品的指纹采集。由于装置是基于萨尼亚克干涉仪，因此装置也可以用作加速度计。

本领域技术人员将了解的是，在不偏离所附权利要求的范围的情况下可以对上述设备进行各种修改和替换。例如，已经描述了干涉仪在可见光和红外波长的情况下使用，但是不限于这些波长并且能够在其它波长处使用。光学组件或涂层可以要求针对使用的特定波长的优化。

Claims (26)

1.一种干涉仪，所述干涉仪包括路径差异化光学器件和检测器，其中：

所述路径差异化光学器件包括分束器和至少两个反射元件，所述分束器被布置为将输入光束分为朝向所述检测器分别通过第一路径和第二路径的第一光束和第二光束，

所述第一光束和所述第二光束分别导向第一反射元件和第二反射元件，所述第一反射元件被布置为将所述第一光束导向所述第二反射元件，并且所述第二反射元件被布置为将所述第一光束导向所述分束器并且继续导向所述检测器；

所述第二反射元件被布置为将所述第二光束导向所述第一反射元件，所述第一反射元件被布置为将所述第二光束导向所述分束器并且继续导向所述检测器，所述第一路径和所述第一路径具有光学路径差；并且

所述检测器被布置为检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的图案，

所述干涉仪的特征在于

所述第一反射元件和所述第二反射元件凹形地弯曲以将所述第一光束和所述第二光束聚焦在所述检测器上；并且

所述路径差异化光学器件被布置为使得所述第一光束和所述第二光束在离开所述分束器前往所述检测器时彼此移位ΔS，从而在光束之间存在剪切角θ_R。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，所述路径差异化光学器件被布置为使得所述第一光束和所述第二光束被围绕分束器、第一反射元件和第二反射元件之间的路径在相反方向上引导。

3.根据权利要求1或2所述的干涉仪，其中，所述路径差异化光学器件被布置为提供所述第一光束和所述第二光束的干涉图案，使得所述干涉图案在所述检测器平面上展开。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的干涉仪，其中，所述第一反射元件和所述第二反射元件一起形成为一个单元。

5.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的至少一个反射元件的弯曲被设置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦在所述检测器上，使得像平面处的光场的形状基本上匹配所述检测器的检测表面的形状。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的至少一个反射元件的弯曲被设置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦为使得所述像平面在所述检测器的表面处具有平的光场。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束器分别通过透射和反射产生所述第一光束和所述第二光束。

8.根据权利要求1所述的干涉仪，其中，所述分束器分别通过透射和反射将所述第一光束和所述第二光束引导到所述检测器。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，所述干涉仪进一步包括用于准直所述输入光束的输入光学器件。

10.根据权利要求9所述的干涉仪，其中，所述输入光学器件包括单筒望远镜结构或双筒望远镜结构。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的干涉仪，其中，所述两个反射元件的弯曲是相同的。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为沿着线检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的图案。

13.根据权利要求12所述的干涉仪，其中，所述检测器是线性阵列传感器。

14.根据权利要求12所述的干涉仪，其中，所述检测器包括布置为沿着线往复移动的至少一个传感器。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述第一路径和所述第二路径包括三角形路径。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述反射元件和所述分束器相对于彼此是固定的。

17.根据权利要求1至13和15至16中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器相对于所述路径差异化光学器件是固定的。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束器将所述输入光束分为强度基本上相同的第一光束和第二光束。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，单片地形成所述路径差异化光学器件，或者单片地形成反射元件和分束器。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为输出指示所述干涉图案中的空间变化的信号。

21.一种分光计，所述分光计包括根据权利要求20所述的干涉仪，并且所述分光计进一步包括分析器，所述分析器被布置为基于所述干涉图案的傅立叶变换提供所述输入光束中存在的波长的指示。

22.一种成像分光计，所述成像分光计包括根据权利要求1至21中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为二维地检测通过组合所述第一光束和所述第二光束产生的图案。

23.根据权利要求22所述的成像分光计，其中，所述检测器被布置为在一个方向上检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的空间变化图案，并且在第二方向上检测关于所述输入光束的图像信息。

24.根据权利要求22或23所述的成像分光计，其中，所述检测器是二维阵列传感器。

25.根据权利要求22或23所述的成像分光计，其中，所述检测器是布置为沿着线移动以扫描某一区域的线性阵列传感器。

26.根据权利要求22至25中的任一项所述的成像分光计，所述成像分光计进一步包括分析器，所述分析器被布置为提供所述输入光束中存在的波长的指示和关于所述输入光束的图像信息。