CN104535185B - 一种移动光楔型傅里叶光谱仪 - Google Patents

一种移动光楔型傅里叶光谱仪 Download PDF

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一种移动光楔型傅里叶光谱仪属于光谱技术领域，目的在于解决现有移动光楔型傅里叶光谱技术存在的光谱分辨率低的问题。本发明的光源系统出射的光线穿过小孔至准直镜，经准直镜反射的光线再经光阑分为三束相同孔径的平行光；平行光经移动光楔干涉仪后形成三束相干光，三束相干光分别经三个反射镜、三个聚焦镜聚焦在探测器A、探测器B和探测器C上；参考光路系统包括稳频激光器和激光探测器，稳频激光器发出的光经反射镜反射再经移动光楔干涉仪后得到干涉光，干涉光经反射镜反射后聚焦在激光探测器上；移动光楔干涉仪改变光程差，并通过探测器A、探测器B、探测器C和激光探测器分别接收并记录随光程差变化的干涉光强。

Description

一种移动光楔型傅里叶光谱仪
技术领域
本发明属于光谱技术领域，具体涉及一种移动光楔型傅里叶光谱仪。
背景技术
光谱仪器是进行光谱分析的基本测试设备，相比于传统色散型光谱仪器，傅里叶光谱仪以其多通道、高通量、低杂散光、高波数精度高光谱分辨率等优势而被广泛应用于科学研究、物质分析、工业检测、空间遥感探测等领域。
传统时间型傅里叶光谱仪对于动镜系统的要求极为苛刻，动镜扫描速度的非均匀性将导致干涉图的采样误差，动镜的横移和偏摆又会导致干涉条纹调制度的下降从而影响信噪比；移动光楔型傅里叶光谱仪相比于传统迈克尔逊型傅里叶光谱仪，由于其光程差表达式不同(x＝2nlsinα)，动镜运动相同距离l，其光程差改变量小于后者，同时傅里叶光谱仪的光谱分辨率又正比于最大光程差，故相比于后者，移动光楔型傅里叶光谱仪虽然能够减小由动镜匀速性误差引起的干涉图采样误差对测量结果的影响，然而却降低了光谱分辨率从而限制了该类型傅里叶光谱仪的应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种移动光楔型傅里叶光谱仪，解决现有技术存在的光谱分辨率低的问题。
为实现上述目的，本发明的一种移动光楔型傅里叶光谱仪包括光源系统、小孔、准直镜、光阑、移动光楔干涉仪、反射镜A、聚焦镜、探测器A、探测器B、探测器C和参考光路系统；
光源系统出射的光线穿过小孔至准直镜，经准直镜反射的光线再经所述光阑分为三束相同孔径的平行光；所述平行光经移动光楔干涉仪后形成三束相干光，三束相干光分别经三个反射镜A、三个聚焦镜聚焦在探测器A、探测器B和探测器C上；
所述参考光路系统包括稳频激光器和激光探测器，稳频激光器发出的光经反射镜反射再经移动光楔干涉仪后得到干涉光，干涉光经反射镜反射后聚焦在激光探测器上；
移动光楔干涉仪改变光程差，激光探测器接收并记录随光程差变化的参考光路干涉光强，探测器A、探测器B和探测器C接收、记录并拼接随光程差变化的干涉光强。
所述移动光楔干涉仪包括分光立方棱镜、补偿棱镜、固定光楔、移动光楔和阶梯反射镜；经所述光阑分出的三束相同孔径的平行光经分光立方棱镜透射和反射，透射的三束光依次通过固定光楔、移动光楔、阶梯反射镜的三个反射面反射后，再经分光立方棱镜反射得到三束平行出射光；反射的三束光经补偿棱镜补偿和反射后再经分光立方棱镜透射与上述三束平行出射光形成三束相干光。
所述阶梯反射镜和补偿棱镜分别设置在所述分光立方棱镜的透射光路和反射光路上；所述阶梯反射镜第一阶梯反射面到分光立方棱镜的距离与补偿棱镜反射面到分光立方棱镜的距离相等。
所述移动光楔斜面紧贴着固定光楔斜面做匀速直线往复运动以改变光程差。
所述阶梯反射镜的阶梯距与移动光楔运动距离、光楔材料以及光谱分辨率满足以下关系：
h≤nlmaxsinα
其中：h为阶梯距离，n为材料折射率，lmax为移动光楔沿光楔斜面方向最大运动距离，α光楔楔角。光谱分辨率Δv∝6nlmaxsinα。
所述光源系统包括光源、平面反射镜、聚光镜；所述光源发出的光经平面反射镜、聚光镜会聚于小孔上。
所述准直镜设置在所述小孔出射光线方向距离为焦距f处。
本发明的有益效果为：本发明的一种移动光楔型傅里叶光谱仪光阑将入射平行光分为三束相同孔径的平行光，三束相同孔径的平行光经固定光楔、移动光楔分别入射到阶梯反射镜的三个反射面上。探测器A、探测器B和探测器C同时接收和记录对应三个阶梯反射面反射后在探测器上形成的干涉光强。
探测器A、探测器B和探测器C接受并记录的干涉光强数据进行拼接，以提高移动光楔型傅里叶光谱仪的光谱分辨率。
本发明有效的平衡了傅里叶光谱仪高分辨率与动镜高匀速性的矛盾。本发明的一种移动光楔型傅里叶光谱仪采用移动光楔干涉仪与阶梯反射镜相结合的结构形式，解决了移动光楔型傅里叶光谱仪低光谱分辨率问题、降低了动镜匀速性误差给测量结果带来的影响，是一种实现了低动镜匀速性误差影响、小行程、高光谱分辨率的移动光楔型傅里叶光谱仪。
附图说明
图1为本发明的一种移动光楔型傅里叶光谱仪光路结构示意图；
其中：1、光源，2、平面反射镜，3、聚光镜，4、小孔，5、准直镜，6、光阑，7、分光立方棱镜，8、补偿棱镜，9、固定光楔，10、移动光楔，11、阶梯反射镜，1101、第一阶梯反射面，12、反射镜，13、聚焦镜，14、探测器A，15、探测器B，16、探测器C，17、稳频激光器，18、激光探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的一种移动光楔型傅里叶光谱仪包括光源系统、小孔4、准直镜5、光阑6、移动光楔干涉仪、反射镜A12、聚焦镜13、探测器A14、探测器B15、探测器C16和参考光路系统；
光源系统出射的光线穿过小孔4至准直镜5，经准直镜5反射的光线再经所述光阑6分为三束相同孔径的平行光；所述平行光经移动光楔干涉仪后形成三束相干光，三束相干光分别经三个反射镜A12、三个聚焦镜13聚焦在探测器A14、探测器B15和探测器C16上；
所述参考光路系统包括稳频激光器17和激光探测器18，稳频激光器17发出的光经反射镜反射再经移动光楔干涉仪后得到干涉光，干涉光经反射镜反射后聚焦在激光探测器18上；
移动光楔干涉仪改变光程差，激光探测器18接收并记录随光程差变化的参考光路干涉光强，探测器A14、探测器B15和探测器C16接收、记录并拼接随光程差变化的干涉光强。
所述移动光楔干涉仪包括分光立方棱镜7、补偿棱镜8、固定光楔9、移动光楔10和阶梯反射镜11；经所述光阑6分出的三束相同孔径的平行光经分光立方棱镜7透射和反射，透射的三束光依次通过固定光楔9、移动光楔10、阶梯反射镜11的三个反射面反射后，再经分光立方棱镜7反射得到三束平行出射光；反射的三束光经补偿棱镜8补偿和反射后再经分光立方棱镜7透射与上述三束平行出射光形成三束相干光。
所述阶梯反射镜11和补偿棱镜8分别设置在所述分光立方棱镜7的透射光路和反射光路上；所述阶梯反射镜11的第一阶梯反射面1101到分光立方棱镜7的距离与补偿棱镜8反射面到分光立方棱镜7的距离相等。
所述移动光楔10斜面紧贴着固定光楔9斜面做匀速直线往复运动以改变光程差。
所述阶梯反射镜11的阶梯距与移动光楔10运动距离、光楔材料以及光谱分辨率满足以下关系：
h≤nlmaxsinα
其中：h为阶梯距离，n为材料折射率，lmax为移动光楔沿光楔斜面方向最大运动距离，α光楔楔角。光谱分辨率Δv∝6nlmaxsinα。
所述光源系统包括光源1、平面反射镜2、聚光镜3；所述光源1发出的光经平面反射镜2、聚光镜3会聚于小孔4上。
所述准直镜5设置在所述小孔4出射光线方向距离为焦距f处。
本发明通过所述参考光路系统的控制，使所述探测器A14、探测器B15和探测器C16将三束相同孔径的相干光强以等光楔运动距离的形式记录，并对记录的数据进行拼接及数据处理，从而还原入射光谱信息。
所述聚光镜3、准直镜5、光阑6、分光立方棱镜7、补偿棱镜8、固定光楔9、移动光楔10、阶梯反射镜11、反射镜A12、聚焦镜13、探测器A14、探测器B15和探测器C16的中心高度与所述小孔4的中心位置等高。
所述小孔4直径2mm；所述聚光镜3基底采用K9玻璃，面镀铝且焦距f＝102mm，其离轴角为10°、所述准直镜5和聚焦镜13均为表面镀铝、有效焦距50.8mm的90度离轴抛物镜。
所述移动光楔10采用楔角20°的K9玻璃光楔，有效运动距离为4mm；所述阶梯反射镜11的阶梯距为2mm；其后端采用探测器A14、探测器B15和探测器C16对应接收阶梯反射镜11三个反射面的干涉光强形式，有利于在光楔运动相同距离情况下增大光程差以提高光谱分辨率。
所述稳频激光器17为HRS015稳频激光器17，所述激光探测器18为S1787-12光电倍增管，用于对参考光的干涉光强进行测量。
探测器A14、探测器B15和探测器C16采用高灵敏度、低噪声的S1226-44BK和G8605-23实现对400-1000nm波段与900-1600nm波段数据的测量；仪器的整体结构采用铝合金材料，内部结构小巧简单，满足小型化、轻量化的要求。
本发明移动光楔10傅里叶光谱仪主要结构参数：
光楔材料：K9
楔角：α＝20°
阶梯反射镜11阶梯距：h＝2mm
移动光楔10有效运动距离：l＝4mm
准直镜5和聚焦镜13焦距：f＝50.8mm
波段范围：400-1600nm
光谱分辨率：优于2cm-1。
本发明的一种移动光楔10型傅里叶光谱仪采用移动光楔10与阶梯反射镜11相结合的方式，相比于传统的迈克尔逊型傅里叶光谱仪，通过光楔材料、楔角以及阶梯反射镜11的选取，在动镜系统运动相同距离情况下，该结构傅里叶光谱仪可以降低动镜速度均匀性对采样干涉图的影响并且最大光程差为前者的1.5倍。
同时移动光楔10的斜面紧贴着固定光楔9的斜面做匀速直线往复运动，采用上述方法可以有效降低移动光楔10运动过程中发生横移及倾斜的概率，从而降低动镜系统运动指标、提高信噪比。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，包括光源系统、小孔(4)、准直镜(5)、光阑(6)、移动光楔干涉仪、反射镜A(12)、聚焦镜(13)、探测器A(14)、探测器B(15)、探测器C(16)和参考光路系统；
光源系统出射的光线穿过小孔(4)至准直镜(5)，经准直镜(5)反射的光线再经所述光阑(6)分为三束相同孔径的平行光；所述平行光经移动光楔干涉仪后形成三束相干光，三束相干光分别经三个反射镜A(12)、三个聚焦镜(13)聚焦在探测器A(14)、探测器B(15)和探测器C(16)上；
所述参考光路系统包括稳频激光器(17)和激光探测器(18)，稳频激光器(17)发出的光经反射镜反射再经移动光楔干涉仪后得到干涉光，干涉光经反射镜反射后聚焦在激光探测器(18)上；
移动光楔干涉仪改变光程差，激光探测器(18)接收并记录随光程差变化的参考光路干涉光强，探测器A(14)、探测器B(15)和探测器C(16)接收、记录并拼接随光程差变化的干涉光强；
所述移动光楔干涉仪包括分光立方棱镜(7)、补偿棱镜(8)、固定光楔(9)、移动光楔(10)和阶梯反射镜(11)；经所述光阑(6)分出的三束相同孔径的平行光经分光立方棱镜(7)透射和反射，透射的三束光依次通过固定光楔(9)、移动光楔(10)、阶梯反射镜(11)的三个反射面反射后，再经分光立方棱镜(7)反射得到三束平行出射光；反射的三束光经补偿棱镜(8)补偿和反射后再经分光立方棱镜(7)透射与上述三束平行出射光形成三束相干光。
2.根据权利要求1所述的一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，所述阶梯反射镜(11)和补偿棱镜(8)分别设置在所述分光立方棱镜(7)的透射光路和反射光路上；所述阶梯反射镜(11)的第一阶梯反射面(1101)到分光立方棱镜(7)的距离与补偿棱镜(8)反射面到分光立方棱镜(7)的距离相等。
3.根据权利要求1所述的一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，所述移动光楔(10)斜面紧贴着固定光楔(9)斜面做匀速直线往复运动以改变光程差。
4.根据权利要求1所述的一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，所述阶梯反射镜(11)的阶梯距与移动光楔(10)运动距离、光楔材料以及光谱分辨率满足以下关系：
h≤nlmax sinα
其中：h为阶梯距离，n为材料折射率，lmax为移动光楔沿光楔斜面方向最大运动距离，α为光楔楔角，光谱分辨率Δv∝6nlmax sinα。
5.根据权利要求1所述的一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，所述光源系统包括光源(1)、平面反射镜(2)、聚光镜(3)；所述光源(1)发出的光经平面反射镜(2)、聚光镜(3)会聚于小孔(4)上。
6.根据权利要求1所述的一种移动光楔型傅里叶光谱仪，其特征在于，所述准直镜(5)设置在所述小孔(4)出射光线方向距离为焦距f处。
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