CN104006881B - 基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，涉及光谱分析仪器领域，解决现有光谱仪结构内部存在着可动部件，导致其体积、重量较大的问题，包括准直系统、样品池、干涉系统、缩束系统和探测器，干涉系统包括多级小阶梯微反射镜、栅格型分束器和多级大阶梯微反射镜；红外光源发出的光经准直系统准直成红外平行光，平行光经过样品池样品吸收后经栅格型分束器分成相干的两束光；两束光分别入射到多级大阶梯微反射镜和多级小阶梯微反射镜上，并经多级小阶梯微反射镜反射到栅格型分束器；经栅格型分束器反射后的光经缩束系统后，在红外面阵探测器上获得干涉条纹；对干涉条纹做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器领域，涉及一种新型空间调制红外傅里叶变换光谱仪系统，具体涉及一种基于栅格型分束器和多级阶梯微反射镜的新型空间调制型傅里叶变换红外光谱仪。
背景技术
傅里叶变换光谱仪由于具备较高的光通量和多通道传输能力，在物质光谱特性分析中有着广泛的应用。它可进行高精度的光谱测量，进行定性或定量分析，可对未知物进行探测，因此在诸多领域得到了十分广泛的应用。当前，环境和安全监测、医疗分析检测、空间探测、气象或资源探测、军事地物侦察分析以及反恐防化等领域对高精度、微型化和轻量化的傅里叶红外光谱分析系统有迫切需求。但目前普遍应用的傅里叶变换红外光谱仪是基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型光谱仪。其内部存在着可动部件，导致其体积、重量较大，对工作环境要求极为苛刻，运行维护费用昂贵，并且不能实现实时性与在线测量。
发明内容
本发明为解决现有光谱仪结构内部存在着可动部件，导致其体积、重量较大，运行维护费用昂贵，并且不能实现实时性与在线测量的问题，提供一种基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪。
基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，包括准直系统、样品池、干涉系统、缩束系统和焦平面探测器，所述干涉系统包括多级小阶梯微反射镜、栅格型分束器和多级大阶梯微反射镜；红外光源发出的光经准直系统准直成红外平行光，所述红外平行光经过样品池样品吸收后经栅格型分束器分成相干的两束光；一束光入射到多级大阶梯微反射镜上，并经多级大阶梯微反射镜反射到栅格型分束器，另一束光入射到多级小阶梯微反射镜上，并经多级小阶梯微反射镜反射到栅格型分束器；所述经栅格型分束器反射后的光经缩束系统后，在焦平面探测器上获得干涉条纹；对干涉条纹做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息；
设定多级大阶梯微反射镜距离栅格型分束器中心最近的面到栅格型分束器中心的距离为l1，多级小阶梯微反射镜距离栅格型分束器中心最近的面到栅格型分束器中心的距离l2，使l1＝l2；所述准直系统和缩束系统由透射式球面镜组成；所述栅格型分束器采用MOEMS技术，将基膜支撑在具有网格结构的栅格支撑体上，然后将红外分光膜镀在基膜上，所述栅格型分束器利用栅格结构对分光膜系进行支撑。
本发明的有益效果：本发明给出了基于栅格型分束器和多级阶梯微反射镜的空间调制傅里叶变换红外光谱仪的系统结构。准直系统和缩束成像系统均由透射球面镜组成，满足像质的情况下，为系统的设计，加工和装调带来了很大的便利。栅格型分束器是将基膜支撑在一个具有网格结构的栅格支撑体上，然后将红外分光膜镀在基膜上。该红外分束器利用栅格结构对分光膜系进行支撑，取消了补偿板，具有体积小、重量轻的优点。由于该光谱仪系统的光程差是依靠空间位置的同来获得，每一次可以实现全部级次的干涉光谱的测量。因此该光谱仪具有结构稳定，可以实现实时性测量的优点。该成像光谱仪可以用作工业或者航空航天中的光谱分析仪器使用。本发明采用一个栅格型分束器来代替传统迈克尔逊干涉仪系统中的分束器和补偿板，实现了系统的轻量化，减少了色散效应和光能损失。本发明利用两个个多级阶梯微反射镜来代替时间调制型傅里叶变换成像光谱仪中的动镜和定镜，在实现光程差空间调制的同时使系统的可靠性，可重复性，实时性都得到了很大的提高。
附图说明
图1为本发明所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪的系统结构图；
图2为本发明所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中干涉系统结构图；
图3为本发明所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪的光程差分布示意图；
图4为本发明所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中准直系统的结构图；
图5为本发明所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪中缩束系统的结构图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，系统结构由红外光源1、准直系统2、样品池3、干涉系统4、缩束系统5、焦平面探测器6、栅格型分束器7、多级小阶梯微反射镜8和多级大阶梯微反射镜9组成，红外光源1发出的光经准直系统2之后，准直成红外平行光，红外平行光经过样品池3样品吸收之后，然后经由栅格型分束器7分成相干的两束光。一束光入射到多级大阶梯微反射镜9上，经多级大阶梯微反射镜9反射之后回到栅格型分束器7。两另一束光入射到多级小阶梯微反射镜8上，经其反射之后回到栅格型分束器7。两束光经栅格型分束器反射之后，经缩束系统5之后，就可以在红外面阵探测器6上获得因两个多级阶梯微反射镜的空间位置的不同而产生的各级次的定域条纹。对干涉条纹做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息。
本实施方式采用栅格型分束器7来代替传统的分束器和补偿板，实现了系统的轻量化。采用一个多级大阶梯微反射镜9来代替传统的时间调制型傅里叶变换光谱仪中的动镜，使整个系统实现了静态化。利用一个多级小阶梯微反射镜8来代替时间调制型傅里叶变换光谱仪中的平面镜。两个多级阶梯微反射镜正交放置，系统利用两个多级阶梯微反射镜的空间位置的不同来产生光程差分布。为了保证所获得干涉图中的光程差的连续性，两者的阶梯数目相同，阶梯高度符合光程差互补原则。设多级大阶梯微反射镜的阶梯高度为D，多级小阶梯微反射镜的阶梯高度为d,阶梯数为n，则D＝nd。
结合图2和图3说明本实施方式，图2为本实施方式所述的傅里叶变换红外光谱仪干涉系统的结构图，所述的栅格型分束器7采用MOEMS技术，将基膜支撑在一个具有网格结构的栅格支撑体上，然后将红外分光膜镀在基膜上。该红外分束器利用栅格结构对分光膜系进行支撑，取消了补偿板，具有体积小、重量轻的优点。多级大阶梯微反射镜9采用挤压倾角叠片法制作，多级小阶梯微反射镜8采用在基底上进行多次光刻镀膜的方法进行，在两个多级阶梯微反射镜的表面都镀有红外高反膜。结合图3，l1为多级大阶梯微反射镜距离栅格型分束器中心最近的面到分束器中心的距离。l2为多级小阶梯微反射镜距离栅格型分束器中心最近的面到分束器中心的距离。为了保证系统在零光程差处不引入额外的光程差，则l1＝l2。
所述光谱仪干涉系统的光程差是由两个多级阶梯微反射镜的空间位置的不同产生的.两个多级阶梯微反射镜沿x,y方向正交放置，两个多级阶梯微反射镜具有相同的阶梯数n,多级小阶梯微反射镜的阶梯高度为d,多级大阶梯微反射镜的高度为nd，则由两个多级阶梯微反射镜的不同位置反射的光在探测器的空间不同位置发生干涉，形成多个干涉定域条纹。则相干光束被分成了n2个小空间，设x,y分别代表多级小阶梯微反射镜和多级大阶梯微反射镜的阶梯的序数，则系统的光程差δ为δ＝2nd，系统的光程差的分布，结合图3，图中的Δ等于2d。系统的光谱分辨率等于系统最大光程差的倒数。
结合图4说明本实施方式，准直系统2的主要作用是将红外光源发出的光准直成平行光，经由栅格型分束器7入射到两个多级阶梯微反射镜上。由于系统的光程差是由两个多级阶梯微反射镜的空间位置不同所产生的，这是建立在准直系统准直出来的光是完全平行的情况之上的。当经准直系统出射的光是非平行光的时候，既准直系统发生离焦现象的时候，经准直系统准直之后出来的光的波前不再是平面波，而是球面波，从而给系统引入附加的位相差，影响光谱复原。因此准直系统2的准直系统优劣直接影响到系统最终所获得的复原光谱的质量。当系统中的红外光源1是点光源的时候，经准直系统2出射的平行光是垂直于两个多级阶梯微反射镜表面的平行光，当时扩展光源的时候，经由准直系统2的出射的就是与两个多级阶梯微反射镜的表面有一定夹角的平行光，给系统带来附件光程差，降低系统的光谱分辨率。因此准直系统是小视场光学系统。准直系统的口径以多级阶梯微反射镜的对角线长度为基准，保证经其出射的平行光能完全的覆盖两个多级阶梯微反射镜的表面。
由于系统中栅格型分束器的存在，使得准直系统中存在着经分束器反射和分束器透射两个光路，但是两个光路是等效的，因此只对经过分束器透射的这一路光路作分析。所述的准直系统采用三片式透射式结构，利用红外材料硒化锌-氟化钙-硒化锌的组合消色差。设计结果表明：系统准直效果良好。
结合图5说明本实施方式，缩束系统5的作用有两个：一是缩小由两个多级阶梯微反射镜反射回来的两束平行光的尺寸，使其与面阵探测器的尺寸相匹配，并使其发生干涉。二将两个多级阶梯微反射镜成像在焦平面探测器CCD上。因此在进行缩束系统5设计的时候将两个多级阶梯微反射镜作为缩束系统的物来设计。缩束系统采用4f结构，采用此种结构的好处是可以在前组镜头的焦平面处放置一个光阑，形成远心光路系统，使得像面上光斑质心始终在主光线上，并且在物方有一定景深。此外还能利用光阑抑制杂散光。两多级阶梯微反射镜和面阵探测器分别放置在前组镜头的前置焦点和后组镜头的后置焦点上。由于栅格型分束器的存在，缩束系统5也存在着两路光学系统，由于两路光学系统的等效性，因此只对其中的一路进行分析。为了加工和装调的方便，其采用七片式球面透射式结构，系统成像质量良好，MTF接近衍射极限。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，包括准直系统(2)、样品池(3)、干涉系统(4)、缩束系统(5)和焦平面探测器(6)，其特征是，所述干涉系统(4)包括多级小阶梯微反射镜(8)、栅格型分束器(7)和多级大阶梯微反射镜(9)；红外光源(1)发出的光经准直系统(2)准直成红外平行光，所述红外平行光经过样品池(3)样品吸收后经栅格型分束器(7)分成相干的两束光；一束光入射到多级大阶梯微反射镜(9)上，并经多级大阶梯微反射镜(9)反射到栅格型分束器(7)，另一束光入射到多级小阶梯微反射镜(8)上，并经多级小阶梯微反射镜(8)反射到栅格型分束器(7)；所述经栅格型分束器(7)反射后的光经缩束系统(5)后，在焦平面探测器(6)上获得干涉条纹；对干涉条纹做傅里叶变换就可以获得待测物的光谱信息；
设定多级大阶梯微反射镜(9)距离栅格型分束器中心最近的面到栅格型分束器(7)中心的距离为l1，多级小阶梯微反射镜(8)距离栅格型分束器(7)中心最近的面到栅格型分束器中心的距离l2，使l1＝l2；
所述准直系统(2)和缩束系统(5)由透射式球面镜组成；
所述栅格型分束器(7)采用MOEMS技术，将基膜支撑在具有网格结构的栅格支撑体上，然后将红外分光膜镀在基膜上，所述栅格型分束器利用栅格结构对分光膜系进行支撑。
2.根据权利要求1所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，所述多级大阶梯微反射镜(9)采用挤压倾角叠片法制作，多级小阶梯微反射镜(8)采用在基底上进行多次光刻镀膜的方法制作，所述多级小阶梯微反射镜(8)和多级大阶梯微反射镜(9)表面镀有红外高反膜。
3.根据权利要求1所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，所述的多级大阶梯微反射镜(9)和多级小阶梯微反射镜(8)中单个阶梯高度范围在1nm-50μm之间，阶梯高度误差小于阶梯高度的5％。
4.根据权利要求1所述的基于栅格分束器的空间调制傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于，设多级大阶梯微反射镜的阶梯高度为D，多级小阶梯微反射镜的阶梯高度为d,阶梯数为n，则D＝nd。
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