CN106645030B - 一种集成式多波段马赫曾德干涉仪及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种集成式多波段马赫曾德干涉仪及应用方法。将8个工作于不同波段的马赫曾德干涉仪集成在同一光路基板上，它由8波段光电探测器、光路基板、宽谱光源、激光光源、2套光源准直系统、2套分光棱镜及其调整系统、2块固定反射镜、起偏器、检偏器、比色皿、光程匹配系统、观察窗、信号处理单元组成。宽谱光源输出的连续光波经马赫曾德干涉仪，形成多组干涉图样；通过8波段光电探测器实现8个波段干涉信号的同时且各自独立的探测，同时得到8种特征图谱。本发明所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪，可用于对白光透明的待测样品和参考样品间，折射、色散等光学性质的比对分析，特别适合透明液体，如医用注射药液的测量与鉴别。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种马赫曾德干涉仪，具体地说是一种集成式多波段马赫曾德干涉仪。本发明也涉及一种集成式多波段马赫曾德干涉仪用于对白光透明的介质折射、色散特性等光学特性的测量的应用的方法。
背景技术
公知的马赫曾德干涉仪，由于克服了迈克尔逊干涉仪回波干扰的缺点，在工程技术领域，特别是在光学传感、探测技术领域中得到了广泛应用。其中，基于白光的马赫曾德干涉仪，能够利用宽光谱、相干长度很短的低相干光源，并通过采集干涉所产生的图样信息，实现对位移等物理量的绝对测量，具有抗干扰能力强、结构简单，成本低廉等很多优点。
同时，公知的马赫曾德干涉仪的工作光源一般为单一波段光源，与此相关的主要技术，如光程匹配、信号调制与解调等，已经成熟。基于公知的马赫曾德干涉仪所设计的各类测量系统，在对单一目标进行测量时，具有高精度、高灵敏度的特点。
但是，在工程实际中，利用一套传感系统对同一目标进行多波段同时测量，可以获得更丰富的信息，从而实现对被测量对象更全面的评价。
以对液体折射率的测量为例，传统的测定方法是使用阿贝折射计。然而使用阿贝折射计测定液体折射率，所使用的光源一般为普通光源，所测得的折射率是钠光灯D线(589.3nm)的折射率。实际上，折射率是因频率(波长)不同而不同的，且在某些技术领域，如色散特性分析，需要测定同一种介质在不同频率(波长)下的折射率。
由于介质的折射率与环境温度等因素紧密相关，无论采用阿贝折射计，还是采用单一波段的马赫曾德干涉系统来依次测量，都会因环境的瞬变而增加误差。因此，对同一目标实现同时、多波段测量，是解决上述问题的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在多个波段下同时获得待测物质的折射率及色散特性等的集成式多波段马赫曾德干涉仪。本发明的目的还在于提供一种集成式多波段马赫曾德干涉仪的应用方法。
本发明的集成式多波段马赫曾德干涉仪包括光电探测器、光源、激光光源、第一光源准直系统、第二光源准直系统、第一分光棱镜及其调整系统、第一分光棱镜及其调整系统、第一固定反射镜、第二固定反射镜、观察窗和信号处理单元，所述光电探测器为8波段光电探测器，所述光源为宽谱光源，8波段光电探测器、宽普光源、激光光源、第一和第二光源准直系统、第一和第二分光棱镜及其调整系统、第一和第二固定反射镜和观察窗集成在同一光路基板上构成8个工作于不同波段的马赫曾德干涉仪，宽谱光源输出连续波段光波，每一个波段的光波经过同一马赫曾德干涉仪均形成一组白光干涉信号，8波段光电探测器对8种白光干涉信号进行同时或单独探测。
本发明的集成式多波段马赫曾德干涉仪还可以包括：
1、在第一光源准直系统与第一分光棱镜及其调整系统之间设置起偏器，在第二分光棱镜及其调整系统与8波段光电探测器之间设置检偏器。
2、比色皿设置在第一固定反射镜与第二分光棱镜及其调整系统之间，第二固定反射镜与第一分光棱镜及其调整系统之间设置光程匹配系统。
3、所述分光棱镜及其调整系统由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架组成。
4、所述固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形，在固定底座角度调整架的俯视面开有四个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于固定底座角度调整架对应边面的对称中心；在固定底座角度调整架的前视面和后视面分别开有两个贯穿的丝孔，同一视面上的两个丝孔对称分布于该视面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个视面上的丝孔共线。
5、所述分光棱镜固定底座为凹槽型，俯视面为两个中心重合的正方形，两个正方形的边界对应平行，在正中心开有沉头小孔，在分光棱镜固定底座内安放用于固定分光棱镜的橡胶凹槽。
6、分光棱镜安放在橡胶凹槽中，分光棱镜的俯视投影面中心位于固定底座俯视面的正中心，并且分光棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。
本发明的集成式多波段马赫曾德干涉仪的应用方法为：
步骤1：激光光源发出激光束经第二光源准直系统准直后，进入第一分光棱镜及其调整系统，经过第一分光棱镜及其调整系统分成两束出射光，其中一束为反射光束、另一束为透射光束，反射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第一固定反射镜，经第一固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统反射后，进入观察窗；透射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第二固定反射镜，经第二固定反射镜反射后进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统折射后，进入观察窗，通过调整第一、第二分光棱镜及其调整系统中的顶丝，使反射光束和透射光束在观察窗处汇聚并能够观察到干涉图样；
步骤2：将比色皿接入第一固定反射镜与第二分光棱镜及其调整系统之间的光路，将光程匹配系统接入第二固定反射镜与第一分光棱镜及其调整系统之间的光路，重复步骤1，通过驱动光程匹配系统，使经过比色皿、光程匹配系统后的反射光束和透射光束所经光程相等；
步骤3：关闭激光光源，打开宽普光源，宽普光源发出多波段光波，经第一光源准直系统准直后，进入第一分光棱镜及其调整系统，经过第一分光棱镜及其调整系统后分成两束出射光，一束为反射光束、另一束为透射光束，反射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第二固定反射镜，经第二固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统反射后，进入8波段光电探测器；透射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第一固定反射镜，经第一固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统透射后进入8波段光电探测器，在信号处理单元中观察和记录多波段干涉的初始信号；
步骤4：在比色皿中盛入待测样品；
步骤5：通过驱动光程匹配系统，宽普光源3所发出的各个波段光波进行扫描匹配；在信号处理单元中得到待测样品在光程匹配系统扫描过程中、同时获得的8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱；
步骤6：将比色皿中的待测样品更换成参考样品，重复步骤5，得到参考样品在光程匹配系统扫描过程中同时获得的8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱；
步骤7：由于不同波段的光波在同一介质中的折射率不同，每一波段白光干涉图谱中峰值所对应的几何路程匹配不同，在所获得的同一特征图谱中，将出现峰值的彼此移位，通过分析移位以及折射率和色散的关联性，获得待测样品或参考样品的多波段折射、色散特性；
步骤8：对信号处理单元中所记录待测样品和参考样品各自对应的8种特征图谱进行比对分析，实现对白光透明的待测样品和参考样品间折射、色散光学性质的比对分析。
为解决单一波段马赫曾德干涉仪不能实现同一目标的同时、多波段测量的问题，本发明提出了一种集成式多波段马赫曾德干涉仪。使用这种干涉仪，可以同时获得同一种物质对应8个波段的折射率，可用于对白光透明的介质折射、色散特性等光学特性的测量；可用于对白光透明的待测样品和已知参考样品二者间，折射、色散等光学性质的比对分析；特别适合用于透明液体，如：酒类、糖类饮品；各种食用植物油；各种透明医用注射药液等的测量与鉴别。
与在先技术相比，本发明所述的干涉仪是通过采用宽谱光源、多波段光电探测器的技术手段，实现至少将工作于8个波段的白光马赫曾德干涉仪集成在同一块光路基板上，制造出的一种集成式多波段马赫曾德干涉仪。将此干涉仪用于观测物质折射、色散特性，由于此干涉仪可以同时工作于自然光中的8个波段，故而对同一种物质观测可获得8种特征图谱。综合分析这些图谱，可以对被探测物质的折射、色散等光学特性，进行多波段评价。
附图说明
图1是本发明的多波段集成式马赫曾德干涉仪立体结构示意图。
图2是本发明的多波段集成式马赫曾德干涉仪结构平面展开示意图。
图3是利用卤素灯光纤光源作为多波段宽谱光源的实施例示意图。
图4是第一分光棱镜及其调整系统7的结构示意俯视图(第二分光棱镜及其调整系统8与第一分光棱镜及其调整系统7具有完全相同的结构)。
图5是第一分光棱镜及其调整系统7的结构示意的前视图。
图6是第一分光棱镜及其调整系统7中，固定底座19的俯视图。
图7是光程匹配系统14的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步描述。
结合图1和图2，本发明的多波段集成式马赫曾德干涉仪由8波段光电探测器1、宽谱光源3、激光光源4、第一光源准直系统5、第一光源准直系统6、第一分光棱镜及其调整系统7、第二分光棱镜及其调整系统8、第一固定反射镜9、第一固定反射镜10、起偏器11、检偏器12、比色皿13、光程匹配系统14、观察窗15、信号处理单元16组成。将8个工作于不同波段的马赫曾德干涉仪集成在同一光路基板2上。
这种做法的益处在于：将8波段光电探测器、光源准直系统、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、起偏器、检偏器、比色皿、光程匹配系统全部安装在同一光路基板上，首先是在技术实现8个不同波段马赫曾德干涉仪的集成，其次是增加了系统的整体稳定性。
宽谱光源输出连续波段光波，每一个波段的光波经过同一马赫曾德干涉仪，均形成一组白光干涉信号；同时，8波段光电探测器对每个波段的光电探测功能均可以单独开启，也可以多个波段同时开启，即能够实现8种中心波长光波干涉信号的同时或单独探测。
由于8波段光电探测器能够实现每一个波段探测单独开启或几个波段的探测同时开启，可以根据技术测量需要和测量目标的属性，通过信号处理单元，对8波段光电探测器的工作模式进行优化设计。
本发明的8个波段的光谱可均位于可见光波段，这使得宽谱光源易于获取，普通的卤素灯就可以用来作为工作光源。使用这样的宽谱光源后，通过本发明的集成式多波段马赫曾德干涉仪，对同一种透明介质测量折射率时，可以至少得到8种特征图谱。这些图谱，是对被探测物质的折射率特性进行多角度评价，提高对物质属性和品质评估准确性的前提。
结合图4和图5，分光棱镜及其调整系统是由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架3部分组成的。主要包括分光棱镜17、橡胶凹槽18、固定底座19、固定底座角度调整架20、顶丝21、顶丝22、顶丝23、顶丝24，提4中25-28分别代表用于将分光棱镜及其调整系统7安装在光路基板2上的贯穿小孔。
结合图6，在固定底座19的正中心开有沉头贯穿小孔29。
固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形；在这一固定底座角度调整架的俯视面开有4个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于调整架对应边面的对称中心；在这一固定底座角度调整架的前视面和后视面，分别开有2个贯穿的丝孔，同一视面上的两个丝孔对称分布于该视面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个视面上的丝孔共线。
在固定底座角度调整架的俯视面开的4个贯穿的小孔的作用在于将此调整架固定在光路基板上。
结合图7分光棱镜固定底座为凹槽型，俯视面为2个中心重合的正方形，两个正方形的边界对应平行，在固定底座的正中心开有沉头小孔29；在固定底座内安放用于固定分光棱镜的橡胶凹槽。
分光棱镜固定底座俯视面均为正方形，分光棱镜安放在橡胶凹槽中，棱镜的俯视投影面中心位于固定底座俯视面的正中心，并且棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。
由于马赫曾德干涉仪对光程匹配要求苛刻，角度对光程匹配具有直接影响。为此，在分光棱镜固定底座的中心开有一个沉头贯穿小孔时，分光棱镜和分光棱镜固定底座所构成的整体，可通过沉头小孔安装在光路基板上，这个整体可以以沉头小孔为中心在平面内转动，即可以进行角度调整。
在固定底座角度调整架上所开的4个贯穿丝孔中，分别旋进顶丝后，每个顶丝支顶在分光棱镜固定底座的相应侧立面。这样，当旋进或旋出顶丝，可以控制并最终固定分光棱镜与固定底座所构成的整体，从而实现分光棱镜的角度调整。
结合图7，光程匹配系统14由微米级位移扫描台30、位移扫描控制单元31、光楔32组成。
图3给出的是利用卤素灯光纤光源作为多波段宽谱光源的实施例示意图。下面结合图3来说明本发明的应用方法。
宽谱光源选用卤素灯光纤光源，用来校准的激光光源选用氦氖激光光源。
所选用的8个波段的白光均位于可见光波段，各个波段的中心波长分别为：428nm、460nm、490nm、515nm、557nm、615nm、660nm、695nm。
在完成系统的粗调后，利用激光光源对光路进行校准和调整，用来校准空间光路的步骤是这样的：
步骤1：激光光源4发出激光束经光源准直系统6准直后，进入分光棱镜及其调整系统7，经过7后分成两束出射光，其中一束为反射光束，另一束为透射光束。其中的反射光束从7出射后抵达固定反射镜9，经9反射后，进入分光棱镜及其调整系统8，经8反射后，进入观察窗15；其中的透射光束从7出射后抵达固定反射镜10，经10反射后，进入分光棱镜及其调整系统8，经8折射后，进入观察窗15。通过调整分光棱镜及其调整系统7和8中的顶丝，使反射光束和透射光束在观察窗15处汇聚，并能够观察到干涉图样。
步骤2：将比色皿13、光程匹配系统14接入图1所示的光路，重复步骤1，通过驱动光程匹配系统14，使经过比色皿13、光程匹配系统14后的反射光束和透射光束所经光程接近相等。
步骤3：关闭激光光源4，打开卤素灯光纤光源3，3发出的多波段光波，经光源准直系统5准直后，进入分光棱镜及其调整系统7，经过7后分成两束出射光，其中一束为反射光束，另一束为透射光束。其中的反射光束从7出射后抵达固定反射镜10，经10反射后，进入分光棱镜及其调整系统8，经8反射后，进入8波段光电探测器；其中的透射光束从7出射后抵达固定反射镜9，经9反射后，进入分光棱镜及其调整系统8，经8透射后，进入8波段光电探测器。在信号处理单元16中，观察和记录多波段干涉的初始信号。
根据图3所示的实施例，在完成系统的校准后，利用本发明所述的多波段集成式马赫曾德干涉仪系统，获得白光透明的待测样品和已知参考样品二者间，折射、色散方面光学性质进行比对与分析过程是这样的：
步骤4：在比色皿13中盛入待测样品，如酒精。
步骤5：通过驱动光程匹配系统14，对卤素灯光纤光源3所发出的各个波段光波进行扫描匹配；在信号处理单元16中，得到待测样品在光程匹配系统14扫描过程中，同时获得8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱。
步骤6：根据需要，将起偏器11、检偏器12接入图1所示的光路，以控制光波的偏振化方向、提高相干对比度。
步骤7：将比色皿13中的待测样品酒精，更换成参考样品，如分析纯酒精。重复步骤5和6，即得到参考样品在光程匹配系统14扫描过程中，同时获得8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱。
步骤8：由于不同波段的光波，在同一介质中的折射率不同，则在图3所示的实施例中，每一波段白光干涉图谱中峰值所对应的几何路程匹配不同，在所获得的同一特征图谱中，将出现峰值的彼此移位。通过分析移位，以及折射率和色散的关联性，可以获得待测样品(或参考样品)的多波段折射、色散特性。
步骤9：对信号处理单元16中所记录待测样品和参考样品各自对应的8种特征图谱进行比对分析，即实现了对白光透明的待测样品和参考样品间，折射、色散等光学性质的比对分析。这一实施例特别适合透明液体，如医用注射药液的测量与鉴别。
Claims (7)
1.一种集成式多波段马赫曾德干涉仪，包括光电探测器、光源、激光光源、第一光源准直系统、第二光源准直系统、第一分光棱镜及其调整系统、第二分光棱镜及其调整系统、第一固定反射镜、第二固定反射镜、观察窗和信号处理单元，其特征是：所述光电探测器为8波段光电探测器，所述光源为宽谱光源，8波段光电探测器、宽谱光源、激光光源、第一和第二光源准直系统、第一和第二分光棱镜及其调整系统、第一和第二固定反射镜和观察窗集成在同一光路基板上构成8个工作于不同波段的马赫曾德干涉仪，宽谱光源输出连续波段光波，每一个波段的光波经过同一马赫曾德干涉仪均形成一组白光干涉信号，8波段光电探测器对8种白光干涉信号进行同时或单独探测；分光棱镜及其调整系统由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架组成，固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形，在固定底座角度调整架的俯视面开有四个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于固定底座角度调整架对应边面的对称中心；在固定底座角度调整架的前视面和后视面分别开有两个贯穿的丝孔，同一视面上的两个丝孔对称分布于该视面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个视面上的丝孔共线。
2.根据权利要求1所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪，其特征是：在第一光源准直系统与第一分光棱镜及其调整系统之间设置起偏器，在第二分光棱镜及其调整系统与8波段光电探测器之间设置检偏器。
3.根据权利要求2所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪，其特征是：比色皿设置在第一固定反射镜与第二分光棱镜及其调整系统之间，第二固定反射镜与第一分光棱镜及其调整系统之间设置光程匹配系统。
4.根据权利要求3所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪，其特征是：所述分光棱镜固定底座为凹槽型，俯视面为两个中心重合的正方形，两个正方形的边界对应平行，在正中心开有沉头小孔，在分光棱镜固定底座内安放用于固定分光棱镜的橡胶凹槽。
5.根据权利要求4所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪，其特征是：分光棱镜安放在橡胶凹槽中，分光棱镜的俯视投影面中心位于固定底座俯视面的正中心，并且分光棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。
6.一种集成式多波段马赫曾德干涉仪的应用方法，其特征是：
步骤1：激光光源发出激光束经第二光源准直系统准直后，进入第一分光棱镜及其调整系统，经过第一分光棱镜及其调整系统分成两束出射光，其中一束为反射光束、另一束为透射光束，反射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第一固定反射镜，经第一固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统反射后，进入观察窗；透射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第二固定反射镜，经第二固定反射镜反射后进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统折射后，进入观察窗，通过调整第一、第二分光棱镜及其调整系统中的顶丝，使反射光束和透射光束在观察窗处汇聚并能够观察到干涉图样；
步骤2：将比色皿接入第一固定反射镜与第二分光棱镜及其调整系统之间的光路，将光程匹配系统接入第二固定反射镜与第一分光棱镜及其调整系统之间的光路，重复步骤1，通过驱动光程匹配系统，使经过比色皿、光程匹配系统后的反射光束和透射光束所经光程相等；
步骤3：关闭激光光源，打开宽谱光源，宽谱光源发出多波段光波，经第一光源准直系统准直后，进入第一分光棱镜及其调整系统，经过第一分光棱镜及其调整系统后分成两束出射光，一束为反射光束、另一束为透射光束，反射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第二固定反射镜，经第二固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统反射后，进入8波段光电探测器；透射光束从第一分光棱镜及其调整系统出射后抵达第一固定反射镜，经第一固定反射镜反射后，进入第二分光棱镜及其调整系统，经第二分光棱镜及其调整系统透射后进入8波段光电探测器，在信号处理单元中观察和记录多波段干涉的初始信号；
步骤4：在比色皿中盛入待测样品；
步骤5：通过驱动光程匹配系统，宽谱光源所发出的各个波段光波进行扫描匹配；在信号处理单元中得到待测样品在光程匹配系统扫描过程中、同时获得的8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱；
步骤6：将比色皿中的待测样品更换成参考样品，重复步骤5，得到参考样品在光程匹配系统扫描过程中同时获得的8个波段干涉信号的更迭变化和特征图谱；
步骤7：由于不同波段的光波在同一介质中的折射率不同，每一波段白光干涉图谱中峰值所对应的几何路程匹配不同，在所获得的同一特征图谱中，将出现峰值的彼此移位，通过分析移位以及折射率和色散的关联性，获得待测样品或参考样品的多波段折射、色散特性；
步骤8：对信号处理单元中所记录待测样品和参考样品各自对应的8种特征图谱进行比对分析，实现对白光透明的待测样品和参考样品间折射、色散光学性质的比对分析。
7.根据权利要求6所述的集成式多波段马赫曾德干涉仪的应用方法，其特征是：在步骤5之后，将起偏器接入第一光源准直系统与第一分光棱镜及其调整系统之间的光路、将检偏器接入第二分光棱镜及其调整系统与8波段光电探测器之间的光路的步骤。
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