CN108120505A - 基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪 - Google Patents

Abstract

基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，涉及红外光谱探测与红外光谱分析技术领域，解决传统时间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用高精度的动镜驱动系统带来的体积大、重量沉等问题，并存在空间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用制冷型红外面阵探测器带来的成本高等问题，由光源、准直镜、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器组成。本发明利用两个阶梯相位反射镜分别对被分束器分开的两个正交的相干光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列与点探测器对干涉光场进行振幅调制实现分步式选通和探测的光谱仪。本发明降低了成本，具有微小型化、轻量化、低成本、便携性好等优点。

Description

基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪

技术领域

本发明涉及红外光谱探测与红外光谱分析技术领域，具体涉及一种红外干涉光谱仪器，具体涉及一种分别利用阶梯相位反射镜和光开关阵列对光场进行相位调制和振幅调制的红外干涉光谱仪。

背景技术

红外干涉光谱技术是近半个世纪以来取得巨大突破并得到迅速发展的科学技术，具有灵敏度高、波数准确、重复性好等优点。根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，可以确定未知物分子中包含有哪些基团，进而推断未知物的结构组成。傅里叶变换红外光谱仪是红外干涉光谱仪器的一种，由于具有多通道、高通量、高精度和杂散光低等优点，具有十分明显的应用优势。目前研究比较广泛的傅里叶变换红外光谱仪分为时间调制型和空间调制型，时间调制型采用动镜扫描结构，高精度的动镜驱动系统增加了仪器的体积和重量，对其便携式应用产生了一定的限制。而空间调制型采用制冷型红外面阵探测器，制冷型红外面阵探测器的价格十分昂贵，从而限制了其应用的领域。近年来，随着一些高新科学技术领域的出现和发展，如资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学等领域的科学研究和工程应用，对于微小型化、轻量化、高性价比、可进行便携式探测和在线分析的红外光谱仪器提出了十分迫切的使用需求。

发明内容

本发明为解决传统时间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用高精度的动镜驱动系统带来的体积大、重量沉等问题，并解决空间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用制冷型红外面阵探测器带来的成本高等问题，提出一种基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪。

基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括光源、准直镜、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器，光源发出的光经准直镜后变为平行光束，所述平行光束经分束器反射后的光束入射至横向阶梯相位反射镜，经分束器透射后的光束入射至纵向阶梯相位反射镜，所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜分别对入射的光束进行空间分布式相位调制后再次经分束器发生干涉，形成干涉光场阵列；所述干涉光场阵列入射到光开关阵列上，所述光开关阵列中的每个光开关单元对干涉光场阵列中的每个干涉光场单元进行分步式接收，并由聚焦镜会聚到点探测器上，获得干涉光强采样序列；

所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜将入射光场分割成多个光场单元，并且每一个光场单元对应横向阶梯相位反射镜的一个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜的一个列反射镜单元；横向阶梯相位反射镜上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，纵向阶梯相位反射镜上每个列反射镜单元对应另一个相位调制量，当横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个不同的相位差；

出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列上，所述光开关阵列中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元，当光开关阵列上某一个光开关单元处于开路状态时，则干涉光场阵列中与该光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜被点探测器接收；

设定横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，所述光开关阵列中每个光开关单元的尺寸为s×t，光开关阵列数目为K×L，所述光开关阵列的每个光开关单元与干涉光场阵列的每个干涉光场单元一一对应，设定光开关阵列中每个光开关单元的尺寸满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列的阵列数目满足K≥M，L≥N；

所述分束器为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；

栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；

所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；

所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。

本发明的有益效果：本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，是一种以利用两个阶梯相位反射镜分别对被分束器分开的两个相干光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列与点探测器对干涉光场进行振幅调制从而实现分步式选通和探测的光谱仪器。本仪器与时间调制型傅里叶变换红外光谱仪相比，无高精度的动镜驱动系统，与空间调制型傅里叶变换红外光谱仪相比，由于引入了与两个阶梯相位反射镜相对应的光开关阵列，可以使用点探测器进行探测，不仅进一步减小体积和重量，而且大大降低了成本，因此该微小红外干涉光谱仪具有微小型化、轻量化、低成本、便携性好等优点，在红外光谱探测与红外光谱分析领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪的结构示意图；

图2为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器的镜像位置及对光场调制形成的分布式相位差分布示意图；

图3为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中光开关阵列对干涉光场阵列中某一光场单元的选通示意图；

图4为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中光开关阵列对干涉光场阵列分步式选通示意图；

图5为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中衍射光斑与探测器光敏面匹配示意图；

图6为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中衍射光斑与探测器光敏面匹配的正视图；

图7为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中栅网分束器的府视图；

图8为十种栅网分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图8a、图8c、图8e、图8g、图8i、图8k、图8m、图8o、图8q和图8s为十种栅网分束器的主视剖面图；右侧部分的图8b、图8d、图8f、图8h、图8j、图8l、图8n、图8p、图8r和图8t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；

图9中图9a至图9f分别为双面栅棱剖面形状示意图；

图10为栅条分束器结构的俯视图；

图11为十种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图11a、图11c、图11e、图11g、图11i、图11k、图11m、图11o、图11q和图11s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图11b、图11d、图11f、图11h、图11j、图11l、图11n、图11p、图11r和图11t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；

图12为栅网薄膜分束器的制备过程示意图；

图13栅条薄膜分束器的制备过程示意图；

图14为通过多次膜层沉积的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；

图15为通过多次刻蚀的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；

图16为通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；

图17为通过切削的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图17说明本实施方式。基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括光源1、准直镜2、分束器3、横向阶梯相位反射镜4、纵向阶梯相位反射镜5、光开光阵列6、聚焦镜7和点探测器8。

光源1位于准直镜2的物方焦面上，由光源1发出的发散光束经过准直镜2后变为平行光束，分束器3位于平行光束中将其分为强度相等的两束相干光。横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5分别位于被分束器反射和透射的两条垂直光路中的准直镜的出射光瞳位置，并相对于分束器3处于镜像位置。

被分束器3反射的光场入射到横向阶梯相位反射镜4上，经分束器3透射的光场入射到纵向阶梯相位反射镜5上。横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5的阶梯排布相对于分束器3镜像正交，从而将入射光场分割成多个定域的光场单元，并且每一个光场单元对应着横向阶梯相位反射镜4上一个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5上一个列反射镜单元。

横向阶梯相位反射镜4对入射光场引入纵向分布的相位调制量，而纵向阶梯相位反射镜5对入射光场引入横向分布的相位调制量。

由横向阶梯相位反射镜4调制并反射的光场与由纵向阶梯相位反射镜5调制并反射的光场经过分束器3再次相遇并发生干涉。由于横向阶梯相位反射镜4上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，而纵向阶梯相位反射镜5上每个列反射镜单元对应一个相位调制量，因此当横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜4上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差值。因此，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个相位差值。

被两个阶梯相位反射镜调制的干涉光场阵列入射到光开关阵列6上。为了满足由光开关阵列6出射的光场与点探测器8探测的光场之间的傅里叶变换关系，光开关阵列6位于聚焦镜7的物方焦平面上，点探测器8位于聚焦镜7的像方焦平面上。光开关阵列6中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元。当光开关阵列6上某一个光开关单元处于开路状态时，则允许与这个光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜7被点探测器8所接收。由此，将光开关阵列6上的每个光开关单元按照空间相位差排布顺序依次开闭，从而使得干涉光场阵列中的各干涉光场单元按照相位差的顺序依次通过光开关阵列6，并由聚焦镜7会聚到点探测器8上依次接收，进而获得干涉光强采样序列。

本实施方式所述的光开关阵列6中每个光开关单元的开闭顺序需要与两个阶梯相位反射镜形成的相位差排布顺序相同，即光开关单元的寻址是与两个阶梯相位反射镜形成的相位差分布严格匹配的，通过控制每个光开关单元的开闭来控制对应干涉光场单元的通断，从而实现干涉光场阵列的依次选通。按照干涉光场阵列中相位差的空间分布顺序依次控制光开关阵列上对应光开关单元的开闭，从而使得干涉光场阵列中各干涉光场单元按照相位差的顺序依次通过光开关阵列，并由聚焦镜7会聚到点探测器8上顺序接收。

本实施方式所述的横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5位于相对于分束器3的镜像位置，且横向阶梯相位反射镜4的某一行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的某一列反射镜单元镜像重合。所述横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5均由多个反射镜单元组成，每一个反射镜单元对应一个厚度值，不同厚度的反射镜单元顺序排列成阶梯结构。

具体结合图2说明，对于横向阶梯相位反射镜4，以阶梯相位反射镜中的第0个行反射镜单元4-1为基准，设定横向阶梯相位反射镜4具有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，且第1个行反射镜单元4-2相对于第0个行反射镜单元4-1的厚度为h，则其余行反射镜单元的厚度沿纵向以h为步长顺序递增。为了实现干涉图的有效采样，反射镜单元厚度h要求h≤λ/4。

设定入射光的波数为ν，则第1个行反射镜单元4-2对入射到其上的光场引入的相位调制量为4πνh，第M-1个行反射镜单元对入射到其上的光场引入的相位调制量为4πν(M-1)h。由此，横向阶梯相位反射镜4对光场的相位调制可以表示为

式中，(x,y)为坐标点，j为虚数，rect()为矩形函数；对于纵向阶梯相位反射镜5，以阶梯相位反射镜中的第0个列反射镜单元5-1为基准，设定阶梯相位反射镜5具有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，则第1个列反射镜单元5-2相对于第0个列反射镜单元5-1的厚度为Mh，其余列反射镜单元的厚度沿横向以Mh为步长顺序递增。由此，第1个列反射镜单元对入射到其上的光场引入的相位调制量为4πνMh，第N-1个列反射镜单元对入射到其上的光场引入的相位调制量为4πν(N-1)Mh。纵向阶梯相位反射镜5对光场的相位调制可以表示为

横向阶梯相位反射镜4的某一行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的某一列反射镜单元相对于分束器3镜像重合，从而对干涉光场引入空间的相位差分布。当纵向阶梯相位反射镜5的第0个列反射镜单元5-1与横向阶梯相位反射镜4的第M-1个行反射镜单元4-3相对于分束器的镜像重合时，其所对应的干涉光场单元的相位差为0，由此纵向阶梯相位反射镜的第0个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第M-2个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为纵向阶梯相位反射镜的第0个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第M-3个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为纵向阶梯相位反射镜5的第0个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第0个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为纵向阶梯相位反射镜5的第1个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第M-1个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为纵向阶梯相位反射镜的第1个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第M-2个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为依次类推，纵向阶梯相位反射镜的第n个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第m个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为由此形成空间分布的相位差阵列9。

当纵向阶梯相位反射镜5的第n₀个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜4的第m₀个行反射镜单元相对于分束器3镜像重合时，则第(m₀,n₀)个干涉光场单元的相位差为0，纵向阶梯相位反射镜5的第n₀个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜4的第m₀-1个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为纵向阶梯相位反射镜的第n₀个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜4的第m₀+1个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为依次类推，纵向阶梯相位反射镜5的第n个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜4的第m个行反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为

通过控制横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5不同反射镜单元相对于分束器4的镜像重合，便可以实现对干涉光强的单边采样、双边采样以及小双边采样等不同的采样方式。

本实施方式所述的光开关阵列6位于经阶梯相位反射镜调制的干涉光场阵列中，且与分束器成45°角。为了使光开关阵列6出射的光场与点探测器8探测的光场之间满足傅里叶变换关系以实现最佳接收，光开关阵列6位于聚焦镜7的物方焦平面上，点探测器8位于聚焦镜7的像方焦平面上。

光开关阵列6可以采用液晶空间光调制器来实现，具体实现方式为，将液晶空间光调制器划分为许多个液晶空间光调制单元，每个液晶空间光调制单元作为一个光开关单元，与每个干涉光场单元一一对应，通过控制每一个液晶空间光调制单元的透光与不透光，从而实现对干涉光场阵列的振幅调制。

具体结合图3说明，光开关阵列6由二维空间分布的多个光开关单元构成，通过控制光开关单元6-1的开启与闭合，可以实现干涉光场阵列10中与光开关单元6-1对应的干涉光场单元10-1的通过与阻断。为了实现光开关阵列6对干涉光场阵列10的有效选通，光开关阵列6中的每个光开关单元需要与干涉光场阵列的每个干涉光场单元相匹配。

设定横向阶梯相位反射镜4具有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜5具有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，设定光开关阵列6的每个光开关单元的尺寸为s×t，数目为K×L，则光开关阵列6中每个光开关单元的尺寸应满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列的阵列数应满足关系K≥M,L≥N。光开关阵列6对光场的振幅调制作用可以表示为

本实施方式所述的光开关阵列6对干涉光场阵列按照相位差的分布顺序进行分步式选通，也就是说光开关阵列的寻址是与相位差的空间分布一一对应的；

具体结合图4说明，当干涉光场阵列入射到光开关阵列上时，假设光开关阵列中第(m,n)个光开关单元6-1处于“开”状态，而其余光开关单元处于“关”状态，则第(m,n)个光开关单元6-1的“开”状态将干涉光场阵列的第(m,n)个干涉光场单元10-1透过并经聚焦镜7会聚到点探测器8上进行探测，而其余光开关单元的“关”状态将其余的干涉光场单元阻拦掉。在下一时刻，光开关阵列中第(m+1,n)个光开关单元6-2处于“开”状态，而其余光开关单元处于“关”状态，则第(m+1,n)个光开关单元6-2的“开”状态将干涉光场阵列的第(m+1,n)个干涉光场单元10-2透过并经聚焦镜7会聚到点探测器8上进行探测，而其余光开关单元的“关”状态将其余的干涉光场单元阻拦掉。由此，被阶梯相位反射镜调制的干涉光场阵列，随着光开关阵列的顺序开闭，不同相位差的干涉光场单元以不同的时刻被点探测器接收，从而获得干涉光强采样序列。

本实施方式所述的聚焦镜7的作用是将光开关阵列某一光开关单元选通的干涉光场单元会聚到点探测器8上进行采集。聚焦镜工作于红外波段，采用硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料制作。为了实现聚焦镜7对所有干涉光场单元的有效会聚，聚焦镜7的口径需要与阶梯相位反射镜及光开关阵列的口径相匹配，即聚焦镜7的口径Φ应满足关系

结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述的点探测器8位于聚焦镜7的像方焦点处，对每一个干涉光场单元进行能量收集。点探测器8采用锑化铟(InSb)或碲镉汞(HgCdTe)材料。设定聚焦镜7的焦距为f，点探测器8光敏面的尺寸为c×d，光波的波长为λ，由于光开关阵列每个光开关单元孔径衍射效应的影响，会聚到点探测器8上的干涉光强为一个衍射斑11，且衍射斑的横向尺寸和纵向尺寸分别为2λf/s和2λf/t。为了抑制光能量从探测器溢出，需要将衍射斑11的光能量聚焦到点探测器8的光敏面之内。因此，探测器8光敏面的尺寸必须大于干涉光强衍射斑11的尺寸；

探测器光敏面大小应满足关系

本实施方式中，分束器3在红外波段可采用平行平板结构，由分束板与补偿板构成，分束板采用硒化锌(ZnSe)、溴化钾(KBr)或碘化铯(CsI)等红外光学材料作为基底材料，或是采用非掺杂的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底材料；补偿板采用与分束板相同的基底材料。分束板与补偿板两个表面的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm，λ为波长。对于高折射率的基底，第一个表面不需要镀分束膜，只需要在第二个表面镀增透膜。对于低折射率的基底，只需要在基底的第一个表面沉积宽带分束膜，使其反射率接近0.5。而对于中间折射率的基底，既需要镀分束膜，也需要增透膜。当采用高折射率的硅材料作为半导体分束器的基底时，硅基底材料对应于折射率为3.4，镀层材料可以选择为锗和聚乙烯或聚丙烯。不同偏振方向的光强反射率差值可以通过降低光束在分束器上的入射角而减小。分束板和补偿板与光轴方向呈45°放置，则分束板和补偿板的尺寸为

分束器也可采用带有栅棱结构的轻型分束器，所述轻型分束器包括栅网分束器和栅条分束器，栅网分束器是利用栅网结构对分束薄膜进行支撑。由于分束膜太薄，不能自支撑，采用栅网结构将分束膜支撑住。栅网结构采用半导体材料，分束膜采用聚酯薄膜。栅网结构需要与阶梯相位反射镜的结构相互匹配。栅网膜分束器与系统光轴呈45°放置，由阶梯相位反射镜的几何参数，栅网膜分束器每个网格周期的尺寸为

具体结合图7和图8说明本实施方式，栅网分束器的栅网结构由栅棱3-1和分束窗3-2组成，栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗3-2在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗3-2在横向和纵向具有相同的占空比。由于分束窗的尺寸决定了系统的光通量，因此分束窗3-2的面积远远大于栅棱3-1的面积。每个分束窗3-2在横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5上的投影位于各个反射镜单元上，而每条栅棱3-1在横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5上的投影位于相邻反射镜单元的交界位置。

栅网分束器两个不同方向的网格个数分别为P和Q，P＝Q或P≠Q；P与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的M方向对应，M与P存在倍数关系；Q与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的N方向对应，N与Q存在倍数关系。

P方向栅网周期为a’+b’，a’为P方向单个棱宽，b’为P方向单个分束窗宽度。其中a’2＝a’3＝…＝a’P；a’1与a’(P+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；b’1＝b’2＝…＝b’P。栅网分束器P方向总长度：Lp＝a’1+b’1+a’2+b’2+…+a’P+b’P+a’(P+1)。

Q方向栅网周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’1＝d’2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’(Q+1)。

栅网分束器棱宽度a’、c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度宽度b’、d’范围为1nm-100cm；栅网分束器棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。

图8中的十种栅网分束器的形状，栅网分束器的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构，图8a、8b，图8e、8f，图8i、8j，图8m、8n，图8q、8r的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构；图8c、8d，图8g、8h，图8k、8l，图8o、8p，图8s、8t，的分束窗与栅棱为同质结构。栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面可以为矩形(图8i，图8k，图8m，图8o)、平行四边形(图8a，图8c，图8e，图8g)、梯形(图8q，图8s)、弧形或其它形状。在同一个栅网分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种结构形式，也可以不同。

结合图9，栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形(图9a，图9b)、双面平行四边形(图9c，图9d)、双面梯形(图9e，图9f)或其它形状。

结合图10说明本实施方式，图10为栅条分束器结构方案俯视图，3-1为栅棱，3-2为分束窗。栅条分束器的网格个数为Q，Q与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的N方向对应，N与Q存在倍数关系。

Q方向栅条周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’Q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’1＝d’2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’(Q+1)。

栅条分束器棱宽度c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度宽度d’范围为1nm-100cm；栅条分束器棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。

栅条分束器的分束窗与栅棱与栅网分束器同理，可以为同质结构或异质结构。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面同样可以为矩形、平行四边形、梯形或其它形状。在同一个栅条分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种结构形式，也可以不同。

图11为10种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形、双面平行四边形、双面梯形或其它形状。

本实施方式中，栅网分束器及栅条分束器中的栅棱材料可以选金属、非金属无机材料或有机材料，也可以是几种性质的混合材料。如铝、铜、钛、镍、金等金属，氧化铝、陶瓷、石英、玻璃、氟化钙、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅等非金属材料以及具有支撑作用的有机材料。分束窗材料可以为石英、玻璃、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、PMMA、铝、铍、非金属无机材料或有机材料。本实施方式未提出的从X射线到远红外波段范围，乃至更宽波段范围的折射材料、反射材料以及吸收材料均可以运用到该器件中。

结合图12说明本实施方式，图12为制作栅网分束器过程；首先进行栅网结构的制作。栅网结构采用微光机电系统(MOEMS)工艺制作，具体结合图12所示，选取非掺杂的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底，首先在半导体基底材料上旋涂一层光刻胶，如图12a，然后用栅网图形的掩模板曝光和显影，去除位于分束窗位置的光刻胶，露出半导体基底表面，如图12b。接着采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术，去除分束窗位置的半导体基底材料，形成镂空结构，如图12c。最后去除栅棱位置处的光刻胶，便形成栅网结构，如图12d。将分束窗材料固定在栅网结构上，利用栅棱对分束窗进行支撑，利用分束窗实现分束，最终完成栅网分束器的制作，如图12e。

当使用的分束膜较厚时，可采用栅条分束器，栅条分束器是利用栅条结构对分束膜进行支撑。栅条结构采用半导体材料，分束薄膜采用聚酯薄膜。栅条结构需要与横向阶梯相位反射镜的结构相匹配。栅条分束器与系统光轴呈45°放置，由阶梯相位反射镜的几何参数，栅条分束器每个条带周期的尺寸为

结合图13说明本实施方式，图13为制作栅条分束器的过程示意图，由于分束窗的尺寸决定了系统的光通量，因此分束窗的宽度远远大于栅棱的宽度。每条分束窗在横向阶梯相位反射镜4上的投影位于各个反射镜单元上，而每条栅棱在横向阶梯相位反射镜4上的投影位于相邻反射镜单元的交界位置。

对于栅条分束器，首先进行栅条结构的制作。栅条结构采用微光机电系统(MOEMS)工艺制作，选取非掺杂的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底，首先在半导体基底材料上旋涂一层光刻胶，如图13a所示，然后将具有栅条图形的掩模板放在旋涂完光刻胶的基底上，通过曝光和显影，去除位于分束窗位置处的光刻胶，露出分束窗位置处的半导体基底表面，如图13b所示。接着采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术，去除分束窗位置处的半导体基底材料，形成镂空结构，如图13c所示。最后去除栅棱位置处的光刻胶，便形成栅条结构，如图13d所示。将聚酯薄膜固定在栅条结构上，利用栅棱对聚酯薄膜进行支撑，利用分束窗实现聚酯薄膜的分束，最终完成栅条薄膜分束器的制作，如图13e所示。

本实施方式中，栅网分束器的制作方法可分为一体制作方法和分体制作方法。一体制作方法1：超精密机械加工方法。在一体材料上用切割、研磨、抛光等技术实现；制作方法2：采用MEMS技术制作方法。在一体材料上进行通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等方法等。例如，单晶材料的各向异性腐蚀方法、RIE刻蚀方法、ICP刻蚀加表面抛光修饰方法等，以及将相关MEMS方法相结合的制作方法。

实施例1：对图8s所示的栅网分束器进行制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光(100)单晶硅片。其制备方法为：

1、在清洁后的双面抛光单晶硅表面生长或蒸镀二氧化硅及氮化硅等介质薄膜或复合膜作为掩蔽膜；

2、定向光刻，露出边槽图形，通过刻蚀去除边槽图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽，腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；边槽形状除图示之外，也可以由多个矩形或正方形按一定距离排列而成。

3、进行第二次光刻，露出分束窗图形，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。去除光刻胶，采用单晶硅各向异性腐蚀液同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，此时分束窗达到最终的厚度。

4、去除掩蔽膜，蒸镀分束膜，完成器件制备。

实施例2：对于横向和纵向栅棱结构均为图9f的双面栅棱分束器，可以用上述方法制作，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面腐蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻腐蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。

实施例3：对结构为栅网分束器如图8k的形状进行制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光硅片。其制作工艺流程如下：

1、在清洁后的双面抛光单晶硅表面蒸镀铝膜或热生长二氧化硅或蒸镀氮化硅等金属薄膜或介质薄膜或复合膜作为掩蔽膜；

2、光刻，露出边槽图形，通过刻蚀去除边槽图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。采用ICP或RIE技术边槽，腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；边槽形状除图示之外，也可以由多个矩形或正方形或圆形或椭圆或其它多边形形状，按一定距离排列而成。

3、进行第二次光刻，露出分束窗图形，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。去除光刻胶，采用ICP或RIE技术同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，此时分束窗达到最终的厚度。

4、除掩蔽膜，蒸镀分束膜，完成器件制备。

实施例4：

对于横向和纵向栅棱结构均为图9b的双面栅棱分束器，可以用上述方法制备，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面刻蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻刻蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。

实施例5：

对结构为栅网分束器如图8o的形状制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光(110)单晶硅片。其制作工艺流程与实施例1相似。

实施例6：

对结构为与栅网分束器如图8o的形状相对应的双面栅棱分束器，材料与实施例5相同，其制作方法与实施例5相似，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面刻蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻刻蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。

其他材料或结构的栅网与栅条分束器也可以通过以上方法实现，还可以通过MEMS的湿法腐蚀与干法刻蚀以及两种方法交替进行来实现，在制作中可以采用与某一常规晶向成所需夹角的单晶材料作为基片，腐蚀出带有倾角的结构；也可以通过倾斜旋转的方法，刻蚀出带有倾角的结构；也可设计补偿图形，使得到的结构更加精准。

本实施方式中，还可以选择下述三种方式制作：一、可以选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，在带有支撑材料或无支撑材料的分束窗表面制备栅棱结构，栅棱结构可通过MEMS技术，如X射线光刻、深紫外光刻、蒸镀及光刻以及剥离、电铸等工艺实现金属与非金属材料、半导体材料、有机物等多种材料的栅棱。利用X射线光刻等技术的灵活性，通过光束角度的控制，可以实现多种结构形态的栅棱结构。在栅棱制作完成后，对于带有分束窗支撑结构的基底，需去除支撑结构。镀分束膜，完成分束器制作。

二、选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，将分束窗结构与栅棱结构材料粘接在一起，然后用超精密机械加工或MEMS技术形成栅棱结构，再去除分束窗表面的粘接剂，以及分束窗支撑体。镀分束膜，完成分束器制作。

三、可以选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，用超精密机械加工或MEMS技术将分束窗结构与栅棱结构分别制作，然后将它们用粘接或其它连接方式结合在一起。

结合图14说明本实施方式，本实施方式中，横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5是在玻璃、石英(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料的基底上，通过多次膜层沉积的方法形成阶梯结构，首先在玻璃、石英(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料的基底旋涂一层光刻胶如图14a所示，通过掩模、曝光和显影，去除一半基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，如图14b所示，然后采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺蒸镀一定厚度的膜层，如图14c所示，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成两个台阶结构，如图14d所示。接着再次对该台阶结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出台阶宽度一半的表面，如图14e所示，然后再次采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺进行膜层沉积，该膜层厚度是上一次镀膜膜层厚度的一半，如图14f所示。最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成四个台阶结构，如图14g所示。循环该过程，每次掩模的宽度是上一次掩模宽度的一半，每次膜层的厚度是上一次膜层厚度的一半，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。

结合图15说明本实施，阶梯相位反射镜可以在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过多次刻蚀的方法形成阶梯结构；首先在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底旋涂一层光刻胶如图15a所示，通过掩模、曝光和显影，去除半个基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行一定深度的刻蚀，再去除掩模部分的光刻胶，便形成两个台阶结构，如图15b所示。接着再次对具有两个台阶结构的基底进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出该台阶宽度一半的基底表面，如图15c所示，然后再次采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行上一次刻蚀深度一半的刻蚀深度的刻蚀，最后去除掩模部分的光刻胶，便形成四个台阶结构，如图15d所示。循环该过程，每次掩模的宽度是上一次掩模宽度的一半，每次刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。

结合图16说明本实施方式，阶梯相位反射镜可以在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成阶梯结构；首先在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底旋涂一层光刻胶如图16a所示，通过掩模、曝光和显影，去除半个基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行一定深度的刻蚀，再去除掩模部分的光刻胶，便形成两个台阶结构，如图16b所示。接着再次对该台阶结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出台阶宽度一半的表面，如图16c所示，然后采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺进行膜层沉积，该膜层厚度是上一次刻蚀深度的一半，最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成四个台阶结构，如图16d所示。在实际操作过程中，通过先循环刻蚀过程，形成一定级数的阶梯，再循环镀膜过程，最终可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。

结合图17说明本实施方式，阶梯相位反射镜可以利用铝(Al)、铜(Cu)等金属材料作为基底，通过切削的方法形成阶梯结构，首先对铝(Al)、铜(Cu)等金属基底进行抛光，如图17a所示，然后利用机械刀具对图17b中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成两个台阶结构，如图17c所示。继续利用机械刀具对图17d中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成三个台阶结构，如图17e所示。再次利用机械刀具对图17f中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成四个台阶结构，如图17g所示。循环该过程，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。

阶梯相位反射镜结构制作完成之后，在阶梯结构表面蒸镀金(Au)、铝(Al)等高反射率材料的反射膜层，最终形成阶梯相位反射镜；阶梯相位反射镜各个反射镜单元的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm。

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。只要功能未改变，基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪在上述说明的基础上，其基本元件就可做出其它不同形式的变化或变动而不超出本公开的范围，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 (9)

1.基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，包括准直镜(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、光开关阵列(6)、聚焦镜(7)和点探测器(8)，光源(1)发出的光束经准直镜(2)后出射平行光束，所述平行光束经分束器(3)反射后入射至横向阶梯相位反射镜(4)，经分束器透射后的光束入射至纵向阶梯相位反射镜(5)，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对入射的光束进行空间分布式相位调制后再次经分束器(3)发生干涉，形成干涉光场阵列；所述干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中的每个光开关单元对干涉光场阵列中的每个干涉光场单元进行分步式接收，并由聚焦镜(7)会聚到点探测器(8)上，获得干涉光强采样序列；其特征是；

所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)将入射光场分割成多个光场单元，并且每一个光场单元对应横向阶梯相位反射镜(4)的一个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜(5)的一个列反射镜单元；横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元对应一个相位调制量，纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应另一个相位调制量，当横向阶梯相位反射镜(4)与纵向阶梯相位反射镜(5)反射的光场发生干涉时，横向阶梯相位反射镜(4)上每个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)上每个列反射镜单元对应的干涉光场具有一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每一个干涉光场单元对应着一个不同的相位差；

出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元对应干涉光场阵列中的一个干涉光场单元，当光开关阵列(6)上某一个光开关单元处于开路状态时，则入射光场与该光开关单元所对应的干涉光场单元通过，并经聚焦镜(7)被点探测器(8)接收；

设定横向阶梯相位反射镜(4)有M个行反射镜单元，每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜(5)有N个列反射镜单元，每个列反射镜单元的宽度为b，所述光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸为s×t，光开关阵列(6)数目为K×L，所述光开关阵列(6)的每个光开关单元与干涉光场阵列的每个干涉光场单元一一对应，设定光开关阵列(6)中每个光开关单元的尺寸满足关系s≤a，t≤b，且光开关阵列(6)的阵列数目满足K≥M，L≥N；

所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；

栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；

所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；

所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于；采用超精密机械加工方法和MOEMS技术实现分束器的制备；

采用超精密机械加工方法制备过程为：在基底上通过一体切割、研磨及抛光技术获得栅棱和分束窗，再整体蒸镀分束膜，完成器件制备；

采用MOEMS技术实现分束器的制备由以下步骤实现：

步骤一、选取单晶硅作为基底，并在所述单晶硅表面制备掩蔽膜；

步骤二、定向光刻，通过刻蚀法去除边槽图形内的掩蔽膜，露出边槽图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽，边槽腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；

步骤三、第二次光刻，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出分束窗图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，分束窗达到最终的厚度；

步骤四、去除栅棱表面的掩蔽膜，整体蒸镀分束膜，完成分束器的制备。

3.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于；

所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)对光场的相位调制公式如下式为：

光开关阵列(6)对入射光场的振幅调制公式为：

式中，(x,y)为坐标点，j为虚数，rect()为矩形函数；

将光开关阵列(6)上的每个光开关单元按照空间相位差排布顺序依次开闭，使得干涉光场阵列中的各干涉光场单元按照相位差的顺序依次通过光开关阵列(6)，并由聚焦镜(7)会聚到点探测器(8)上依次接收，获得干涉光强采样序列。

4.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于；

所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)均由多个反射镜单元组成，各个反射镜单元的平面度≤λ/20，表面粗糙度≤3nm，反射镜单元厚度h≤λ/4；每一个反射镜单元对应一个厚度值，不同厚度的反射镜单元顺序排列成阶梯结构；横向阶梯相位反射镜(4)中每个反射镜单元的阶梯厚度增量为h，纵向阶梯相位反射镜(5)的每个反射镜单元的阶梯厚度增量为Mh。

5.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于；设定光波的波数为ν，当纵向阶梯相位反射镜(5)的第n₀个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第m₀个行反射镜单元相对于分束器(3)镜像重合时，纵向阶梯相位反射镜的第n个列反射镜单元与横向阶梯相位反射镜的第m个行反射镜单元所对应的第(m,n)个干涉光场单元的相位差为4πν(nM-m-n₀M+m₀)h。

6.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于，光开关阵列中某一具体时刻只有一个光开关单元处于开状态，而其余的光开关单元处于关状态。

7.根据权利要求1所述的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的微小红外干涉光谱仪，其特征在于，光开关阵列中第(m,n)个光开关单元的开状态将横向阶梯相位反射镜的第m个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜的第n个列反射镜单元所对应的第(m,n)个干涉光场单元透过，其余光开关单元的关状态将其余的干涉光场单元阻拦掉。

8.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于，设定入射光场的光波的波长为λ，点探测器(8)的尺寸为c×d，所述点探测器(8)上的弥散斑尺寸为2λf/s×2λf/t，所述点探测器(8)光敏面的尺寸满足f为聚焦镜(7)的焦距。

9.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜(7)的口径与阶梯相位反射镜及光开关阵列的口径相匹配，即聚焦镜(7)的口径Φ满足