CN1079157C - 干涉仪和付里叶变换光谱仪 - Google Patents

Abstract

一个干涉仪包含一个分光镜(BS)和平行安装在可被线性移动的公共滑动部件上的两个扫描反光镜(M1，M2)。干涉仪还包含两个补偿反光镜(M3，M4)，补偿反光镜被置于分光镜(BS)和扫描反光镜(M1，M2)之间。分光镜(BS)以及每个补偿反光镜(M3，M4)之间是正交的。对于扫描反光镜(M1，M2)位移的不准确干涉仪有很好的容许偏差。干涉仪可用于生产袖珍型的而且廉价的付里叶变换光谱仪。

Description

干涉仪和付里叶变换光谱仪

本发明涉及一个干涉仪，它包括一个分光镜，适于从入射光产生一个第一光束和一个第二光束；干涉仪还包括一个第一反射器及一个第二反射器，它们适于分别接收第一和第二光束并把它们反射回分光镜。

本发明还关系到一个付里叶变换光谱仪。

基本上由一个分光镜、一个第一和一个第二反光镜构成的传统的Michelson干涉仪，是上述类型干涉仪的一个例子。在Micbelson干涉仪中，分光镜将部分入射光向第一反光镜反射，部分入射光向第二反光镜透射。这两个反光镜将光束反射回分光镜，分光镜把它们组合成单一光束，投射到检测器上。依靠分光镜与各个反光镜之间距离不同，光束之间发生相长或相消干涉。这种干涉可借助于检测器记录下来。

例如，一个Michelson型干涉仪可被付里叶变换光谱仪用于从宽带光源确定光的光谱。在一般的付里叶变换光谱仪中，一个反光镜用做扫描反光镜，并被线性移动，使它到分光镜的距离及检测器上的干涉图案连续地变化。用这种方式一幅干涉像可由检测器记录下来。借助于付里叶变换，入射光的光谱可被确定。

传统干涉仪的一个不便之处是要想获得适于使用的干涉图案就必须精确设定光学元件之间的关系。

在Michelson干涉仪中，分光镜被置为使入射光的入射角是45°。并且第一和第二反光镜正交，第一和第二光束沿法线方向照射到反光镜上。如果说，一个反光镜被移动至使光线不能沿法线方向到达，干涉图案的条纹密度就会加大。当有相当大的移动时，过高的密度至使无法观察到条纹。

在付里叶变换光谱仪中，扫描反光镜的整个线性移动过程中不得不保持精确定位，这使安装变得极为苛刻。

为了降低移动过程中对精确定位的高要求，以众所周知的方式，反光镜由反向反射器来代替。然而，反向反射器很贵，而且它不可能修正任何因制造或由于温度的改变、老化以及类似情况引起的角度偏差。

为了保持光学元件的精确定位，所知的还有利用固定的反光镜，用于将两束光反射回分光镜，并且借助于可旋转部件，例如一个可旋转校准器，改变一束光的路径长度。EP0491435阐明了一种具有两个平行相对的反光镜的干涉仪，反光镜被旋转以改变到达一个固定反光镜的路径长度。然而，这种技术有缺点，光束要穿过固定反光镜的表面，使得对它的质量有极高的要求。而且，路径长度只能在较小的范围内被改变。

在文献中，有一些上述原理的进一步改进的例子，使两束光之间的路径长度差增加。例如，在EP0314103和US5,066,990中，旋转部件由在每一臂上带有反向反射器的双摆(double pendulum)构成。通过摆动双摆，一个光束的路径长度减少而另一个光束的路径长度增加。然而，与反向反射器有关的不便之处仍然存在。

在US5,159,405和US5,150,172中，旋转部件由两个平行反光镜构成，在两个反光镜之间两道光束被反射了数次。当两个反光镜被翻转，一个光束的路径长度加长而另一个光束的路径长度变短。然而，光束穿过反光镜的不便之处仍然存在。

本发明的一个目标是提供一个干涉仪，它对于扫描光学元件的非精确移动有良好的偏差容许；该干涉仪可以是袖珍型的设计；并且当光束之间的路径长度差被改变时，该干涉仪内的光束不穿过光学元件。

本发明的另一个目标是提供一个可以是袖珍型设计的付里叶变换光谱仪。

这些目标由干涉仪完成，其具有的特殊性能在所附权利要求1中讲述；这些目标同样也由付里叶变换光谱仪完成，其具有的特殊性能在所附权利要求8中讲述。

根据本发明的干涉仪是基于反射器的线性移动将第一和第二光束反射回分光镜以使路径长度差改变的原理。用这种方式，在整个扫描操作过程中，两束光将照射到反射器的相同点上。由于两个反射器的同步线性移动，一方面是路径长度差的变化，另一方面是相应反光镜的移动，两者之间的比例是4∶1，这意味着在保持干涉仪的袖珍型设计的同时可以完成相当大的路径长度差的改变。而且，干涉仪包括一个第三和一个第四反射器，分别放置在分光镜与第一反射器之间的第一光路以及光束分光镜与第二反射器之间的第二光路上。第三和第四反射器和分光镜一起被放置为正交的。特别地，分光镜、第三和第四反射器的法线方向是正交的。因此，干涉仪有一个三维结构。第三和第四反射器补偿第一和第二反射器线性移动的不准确，第三反射器补偿一个方向的不准确，而第四反射器补偿与第一反射器垂直的另一个方向的不准确。这样的补偿是可能的，因为第一和第二反射器固定相互连接，使得线性移动的机械误差在两个反光镜上有相同作用。最后，应该指出，在根据本发明的干涉仪内，光束反射次数很少而且光路短，这是个优点。

本发明的几个实施例将参考所附的图示详细地描述。

图1，2和3是根据本发明干涉仪的第一实施例的在三个不同正交方向上的简略投影图。

图4是根据本发明干涉仪的第二实施例的简略投影图。

图5是根据本发明干涉仪的第三实施例的简略投影图。

图1，2，3是根据本发明干涉仪第一实施例的三个正交投影图。这里，干涉仪包括一个分光镜BS，以及一个第一、一个第二、一个第三和一个第四平面反光镜，分别为M1，M2，M3和M4。第一反光镜M1和第二反光镜M2是平行且相对的。这些镜子构成干涉仪的扫描反光镜，为此，它们被放置在一个固定在球形轴承上可以线性移动的滑动部件(未画出)上。如下面所示，一个来自完全的线性位移的某种偏差是可以接受的。第三反光镜M3和第四反光镜M4构成干涉仪的补偿反光镜。第三反光镜M3安装在分光镜BS和第一反光镜M1之间的光路上，第四反光镜M4以类似方式安装在分光镜BS和第二反光镜M2之间的光路上。第三反光镜M3、第四反光镜M4和分光镜BS是正交的。

可以看到在所有的图中反光镜都提供了一个箭头以便在反光镜像之间进行比较以及指示线性移动的不规则。

干涉仪操作如下，光束Bin从一个光源(未画)照射到分光镜BS，分光镜以众所周知的方式反射部分入射光并透射其余部分。这样，分光镜从入射光产生一个第一光束B1和一个第二光束B2。第一光束照射到第三反光镜M3并被反射到第一反光镜M1，此后通过第三反光镜M3返回到分光镜BS。第二光束B2照射到第四反光镜M4并被反射到第二反光镜M2，此后通过第四反光镜M4返回到分光镜BS。第二光束B2和第一光束B1由分光镜BS组合成输出光束But。

在图1和3中，由虚线表明了分光镜BS把第一反光镜M1的像和映在第四反光镜M4中的第二反光镜M2的像叠加在一起。因而，M1’_Bs表示映在分光镜BS中的第一反光镜M1的像，M2’_Ms表示映在第四反光镜M4中的第二反光镜的像。

其上安装有第一和第二反光镜M1、M2的滑动部件如果有轻微的不准确安装或是它的位置在线性移动中改变，使得第一和第二光束B1和B2不会沿法线方向照射到这些反光镜，第四反光镜M4将补偿Y-Z平面内的任何移动而第三反光镜M3将补偿X-Y平面内的任何移动。假定滑动部件被移动使第一反光镜M1在Z-Y平面被沿图1中箭头所示方向移动，则第二反光镜M2在Z-Y平面沿其中箭头所示方向也被移动。反光镜的像M1’_Bs和M2’_M4两者都沿反光镜的像中箭头所示的方向被移动，使得它们仍然吻合。这样，尽管存在角度误差，当通过分光镜相互合成时两个光束B1和B2仍然吻合。

若第一和第二反光镜M1和M2在X-Y平面内移动，第三反光镜以相同的形式补偿位移，使得反光镜的像M1’_M3和M2’_BS吻合，并且当离开分光镜BS时第一和第二光束B1和B2是平行的。

有极多的设置符合要求，使得分光镜BS、第三反光镜M3及第四反光镜M4正交，并且使得第一反光镜M1和第二反光镜M2是平行而对置的。下面给出几个例子。

例1

如下所示，n代表相应元件的法线方向。

nBS＝(0，1，0) $\mathrm{nM}1=\frac{1}{\sqrt{3}}(\mathrm{1,1},-1)$ $\mathrm{nM}2=\frac{1}{\sqrt{3}}(-1,-\mathrm{1,1})$

nM3＝(-1，0，0)

nM4＝(0，0，-1)

入射光Bin沿 (1，1，1)到达。

出射光But沿 (1，-1，1)离开。

入射角与分光镜BS、第一和第三反光镜M1、M3近似成55°的角，入射角与第二和第四反光镜M2，M4成90°的角。

光束与一个立方体的空间对角线平行。

例2

nBS＝(0，1，0) $\mathrm{nM}1=\frac{1}{\sqrt{6}}(\mathrm{1,2},-1)$ $\mathrm{nM}2=\frac{1}{\sqrt{6}}(-1,-\mathrm{2,1})$

nM3＝(-1，0，0)

nM4=(0，0，-1)

入射光Bin沿

(1，-2，1)到达。

出射光But沿 (-1，-2，-1)离开。

入射角与分光镜BS近似成35°角；入射角与第一和第三反光镜M1，M3近似成66°的角；入射角与第二和第四反角光镜M2，M4成90°的角。

图4说明了根据本发明的干涉仪的第二实施例。此实施例保留了第一实施例的分光镜BS和四个反光镜M1-M4。第二实施例还进一步包括一个第五和一个第六反光镜M5和M6，第五、第六反光镜与分光镜BS平行且第五反光镜置于分光镜BS和第三反光镜M3之间的第一光束B1的光路上，第六反光镜置于分光镜BS和第四反光镜M4之间的第二光束B2的光路上。

与第一实施例比较，在此实施例中扫描反光镜M1和M2稍稍靠近一些，实现了干涉仪更紧凑的设计。然而，此实施例要求比第一实施例多两块反光镜。

图5说明了第三实施例，它包含了与第二实施例相同的元件，但第五反光镜置于第一和第三反光镜M1、M3之间，第六反光镜置于第二和第四反光镜M2、M4之间。

第二和第三实施例的操作与第一实施例相同。

根据本发明的干涉仪在付里叶变换光谱仪中有很好的应用，光谱仪可以是袖珍型的廉价的设计。

本发明的上述实施例只是例子，在所附的权利要求范围内该发明可以被修改。例如，平面扫描反光镜M1，M2可由其它反射器代替，比如反向反射器。

Claims (5)

1、一个干涉仪，包括一个适于从一个入射光束(Bin)产生一个第一和一个第二光束(B1，B2)的分光镜，还包括适于分别接收第一和第二光束并将它们反射回分光镜的第一和第二平面反光镜(M1，M2)，其特征是第一和第二平面反光镜(M1，M2)相互固定地连接在一起并适于被线性移动，以使第一和第二光束的路径长度差改变。干涉仪还包括置于分光镜(BS)和第一平面反光镜(M1)之间的第一光束(B1)路径上的第三平面反光镜(M3)，以及置于分光镜(BS)和第二平面反光镜(M2)之间的第二光束(B2)路径上的第四平面反光镜(M4)。分光镜(BS)、第三平面反光镜(M3)和第四平面反光镜(M4)是正交的。

2、一个如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于第五和第六平面反光镜(M5，M6)分别被置于第一光束(B1)的光束路径上及第二光束(B2)的光束路径上。

3、一个如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于第五和第六平面反光镜(M5，M6)分别被置于分光镜(BS)与第三平面反光镜(M3)之间及分光镜(BS)和第四平面反光镜(M4)之间。

4、一个如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于第五和第六平面反光镜(M5，M6)分别被置于第一与第三平面反光镜(M1，M3)之间以及第二和第四平面反光镜(M2，M4)之间。

5、一个付里叶变换光谱仪，包含一个如前述权利要求1-4中任一项所述的一个干涉仪。

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