CN108180996A - 基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪 - Google Patents
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Abstract
基于阵列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，解决现有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机构带来的体积大、重量沉等问题，同时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价格昂贵等问题，由光源、准直镜、分束器、平面反射镜、阵列相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器组成。本发明利用阵列相位反射镜对入射光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列对出射的干涉光场阵列进行振幅调制以实现分步式选通和探测的光谱仪器。本发明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。
Description
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阵列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。利用红外干涉光谱技术，根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，可以确定未知物的分子构成，从而推断该未知物的种类。傅里叶变换红外光谱仪是红外干涉光谱仪的一种，由于具有多通道、高通量、高精度和低杂光等优点，具有十分明显的应用优势。傅里叶变换红外光谱仪总的来说可以分为时间调制型和空间调制型，时间调制型由于采用动镜扫描结构，高精度的动镜驱动机构使得系统体积和重量较大，对其便携式应用产生了一定的限制；而空间调制型由于采用价格比较昂贵的制冷型红外面阵探测器，且光谱分辨率受到探测器像元数目的制约，从而限制了仪器的应用领域。
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、现代医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干涉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机构带来的体积大、重量沉等问题，同时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价格昂贵等问题，提供一种基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪。
基于阵列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、平面反射镜、阵列相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器；
光源发出的光经准直镜准直为平行光束，分束器将平行光束分为强度相等的两束相干光，一束光被分束器反射后入射到阵列相位反射镜平面反射镜上，另一束光透过分束器入射到平面反射镜上；所述阵列相位反射镜对透过分束器的入射光场进行分布式相位调制；被所述阵列相位反射镜调制的光场与被平面反射镜反射的光场再次经分束器相干叠加形成干涉光场；所述光开关阵列对干涉光场进行分步式接收，并通过聚焦镜和点探测器后获得干涉图序列；
所述阵列相位反射镜将入射光场进行空域分割，每个相位反射镜单元对应一个光场分割单元，所述相位反射镜单元所对应的光场分割单元与平面反射镜对应区域反射的光场在分束器出射面上干涉时对应一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每个相位反射镜单元对应所述干涉光场阵列中的一个干涉光场单元；
出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列上，光开关阵列由二维空间分布的多个光开关单元组成，每一个光开关单元对应于干涉光场阵列中一个干涉光场单元；通过控制每个光开关单元的开闭来控制干涉光场阵列中对应干涉光场单元的通断，实现干涉光场阵列中对应于某一相位差的干涉光场的选通；
按照阵列相位反射镜上相位调制量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，使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；实现干涉光场单元按照相位差的顺序被探测器依次采集，最终形成干涉图序列；
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：本发明提出的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，是一种利用阵列相位反射镜对入射光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列对出射的干涉光场阵列进行振幅调制以实现分步式选通和探测的光谱仪器。本仪器与时间调制傅里叶变换红外光谱仪相比，无需高精度的动镜驱动机构，与空间调制傅里叶变换红外光谱仪相比，由于引入了与阵列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阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪的原理结构图；
图2为本发明所述的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中阵列相位反射镜的结构示意图；
图3为本发明所述的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中阵列相位反射镜对光场的调制及形成的相位差阵列示意图；
图4为本发明所述的基于阵列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5为本发明所述的基于阵列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6中的图6a和图6b分别为本发明所述的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中的衍射光斑与探测器原理图及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为栅条薄膜分束器的制备过程示意图；
图14为通过二维多次膜层沉积的方法获得阵列相位反射镜的过程示意图；
图15为通过二维多次刻蚀的方法获得阵列相位反射镜的过程示意图；
图16为通过一维刻蚀另一维镀膜的混合方法获得阵列相位反射镜的过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图16说明本实施方式，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，包括光源1、准直镜2、分束器3、平面反射镜4、阵列相位反射镜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将平行光束分为强度相等的两束相干光。平面反射镜4与阵列相位反射镜5分别位于被分束器3分开的两条垂直光路中准直镜的出射光瞳处，并相对于分束器3处于镜像位置。
被分束器3反射的光场入射到阵列相位反射镜5上，并被平面反射镜4反射回分束器3；经分束器3透射的光场入射到平面反射镜4上，阵列相位反射镜5将入射光场在横向空间分割成多个定域的光场单元，并且每个光场单元对应阵列相位反射镜5上一个相位反射镜单元，所以入射光场在横向空间受到阵列相位反射镜5对应的空间分布的相位量的调制。
由阵列相位反射镜5调制并反射的光场与平面反射镜4反射的光场经过分束器3再次相遇并发生干涉。由于阵列相位反射镜5中每个相位反射镜单元对应一个相位调制量，因此当阵列相位反射镜5与平面反射镜4反射的光场发生相干时，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每个干涉光场单元对应阵列相位反射镜5上一个相位反射镜单元，从而对应一个固定的相位差值。
被阵列相位反射镜5调制的干涉光场阵列入射到光开关阵列6上，光开关阵列6由二维空间分布的多个光开关单元组成，光开关阵列6上每个光开关单元对应阵列相位反射镜5上一个相位反射镜单元，从而对应一个干涉光场单元。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阵列相位反射镜上的相位排布顺序依次开闭，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，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。某一时刻只有一个干涉光场单元通过，每一个干涉光场单元的强度由聚焦镜会聚到点探测器上接收。
本实施方式中所述的阵列相位反射镜5与平面反射镜4位于相对于分束器3的镜像位置，且平面反射镜4与阵列相位反射镜5的某一相位反射镜单元镜像重合。阵列相位反射镜5由多个相位反射镜单元组成，每一个相位反射镜单元对应一个厚度值。具体结合图2说明，以阵列相位反射镜5中的第(0,0)个相位反射镜单元5-1为基准，以第(0,0)个相位反射镜单元5-1为基准，且第(1,0)个相位反射镜单元5-2相对于第(0,0)个相位反射镜单元5-1的厚度为h，则第(2,0)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为2h，第(3,0)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为3h，…，第(N-1,0)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为(N-1)h；第(0,1)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为Nh，第(1,1)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为(N+1)h，第(2,1)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为(N+2)h。依次类推，第(m,n)个相位反射镜单元相对于第(0,0)个相位反射镜单元的厚度为(nN+m)h。相位反射镜单元的厚度沿m方向以h为步长依次递增，沿n方向以Nh为步长依次递增。为了有效地实现干涉图采样，厚度要求h≤λ/4。由此，设定光的波数为ν，则阵列相位反射镜对光场的相位调制作用可以表示为
式中，(x,y)为坐标点，j为虚数，rect()为矩形函数；
本实施方式所述的阵列相位反射镜5利用其厚度变化对入射光场的相位进行调制，从而对干涉光场引入空间分布的相位差阵列。具体结合图3说明，当平面反射镜4相对于分束器3的镜像位置与阵列相位反射镜5中的第(0,0)个相位反射镜单元5-1重合时，第(0,0)个相位反射镜单元5-1所对应的干涉光场阵列9的第(0,0)个干涉光场单元的相位差为0，则第(1,0)个相位反射镜单元5-2所对应的干涉光场阵列9的第(1,0)个干涉光场单元的相位差为第(2,0)个相位反射镜单元所对应的干涉光场阵列9的第(2,0)个干涉光场单元的相位差为第(3,0)个相位反射镜单元所对应的干涉光场阵列9的第(3,0)个干涉光场单元的相位差为依次类推，第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场阵列9的第(m,n)个干涉光场单元的相位差为＝4πν(nN+m)h。由此，形成空间分布的相位差阵列10。
当平面反射镜相对于分束器的镜像位置与阵列相位反射镜中的第(m0,n0)个相位反射镜单元重合时，则第(m0,n0)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为0，第(m0+1,n0)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为第(m0-1,n0)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为依次类推，第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为(nN+m-n0N-m0)(nN+m-n0N-m0)h。通过控制平面反射镜与阵列相位反射镜中不同相位反射镜单元的镜像重合位置，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位于经阵列相位反射镜调制的干涉光场中对各个干涉光场单元进行振幅调制以控制其选通。光开关阵列与分束器成45°角，为了使由光开关阵列6出射的光场与探测器8探测的光场之间满足傅里叶变换关系，光开关阵列6位于聚焦镜7的物方焦面上，而探测器8位于聚焦镜7的像方焦面上，从而实现能量的最佳接收。
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。
结合图4说明本实施方式，光开关阵列6由二维空间分布的许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9中与光开关单元6-1对应的干涉光场单元9-1的通过与阻断。为了实现光开关阵列对干涉光强阵列的有效选通，光开关阵列中的每个光开关单元需要与阵列相位反射镜中的每个相位反射镜单元相匹配。
设光开关阵列中每个光开关单元的尺寸为b×b，光开关单元的数目为M×M，则光开关阵列中每个光开关单元的尺寸应满足关系b≤a，光开关单元的数目应满足关系M≥N。光开关阵列6对光场的振幅调制作用可以表示为
结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的光开关阵列对干涉光场阵列中的每个光场单元进行分布式选通。当干涉光场阵列入射到光开关阵列上时，光开关阵列6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”状态将阵列相位反射镜的第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元9-1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”状态将其余相位反射镜单元所对应的干涉光场单元阻拦掉。下一时刻，光开关阵列6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”状态将阵列相位反射镜的第(m+1,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元9-2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”状态将其余相位反射镜单元所对应的干涉光场单元阻拦掉。光开关阵列6中的各光开关单元按照阵列相位反射镜5中各反射镜单元的厚度顺序依次开闭，从而使得阵列相位反射镜不同相位反射镜单元所对应的干涉光场单元以不同的时刻按照相位差的顺序依次被点探测器接收，从而获得干涉光强采样序列。
本实施方式所述的聚焦镜7的作用是将阵列相位反射镜5某一相位反射镜单元所对应的干涉光场会聚到点探测器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对所有相位反射镜单元所对应的干涉光场的会聚，聚焦镜7的口径需要与阵列相位反射镜5及光开关阵列6的口径相匹配，即聚焦镜7的口径Φ应满足关系
结合图6说明本实施方式，本实施方式所述的探测器8位于聚焦镜7的像方焦点处，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，探测器8的尺寸为d×d，入射光波的波长为λ，由于阵列相位反射镜5每个相位反射镜单元及光开关阵列6每个光开关单元孔径衍射效应的影响，会聚到探测器8上的干涉光强为一个衍射斑11，且衍射斑的尺寸为2λf/b。由于探测器8光敏面的大小是有限的，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等于干涉光强衍射斑11的尺寸，从而探测器8光敏面的尺寸应满足关系
本实施方式所述的分束器3在红外波段采用平行平板结构，由分束板与补偿板构成，分束板采用硒化锌(ZnSe)、溴化钾(KBr)、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。设阵列相位反射镜中具有N×N个相位反射镜单元，每个相位反射镜单元的尺寸为a×a，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薄型分束器，栅网薄膜分束器是利用栅网结构对分束薄膜进行支撑。由于分束薄膜太薄，不能自支撑，采用栅网结构将分束薄膜支撑住。栅网结构采用半导体材料，分束薄膜采用聚酯薄膜。栅网结构需要与阶梯相位反射镜的结构相互匹配。栅网薄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，栅网薄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，栅网薄膜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为制作栅网薄膜分束器过程；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，最终完成栅网薄膜分束器的制作，如图12e。
当使用的分束薄膜较厚时，可采用栅条薄膜分束器，栅条薄膜分束器是利用栅条结构对分束薄膜进行支撑。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。栅条薄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，栅条薄膜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为制作栅条薄膜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。
对于栅条薄膜分束器，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，阵列相位反射镜可以在玻璃、石英(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料的基底上，通过二维多次膜层沉积的方法实现。首先选用玻璃、石英(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料作为基底，然后通过涂胶、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，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便在一个方向上形成两级台阶结构，如图14a所示。接着再次在该方向上对台阶结构进行涂胶、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，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便在该方向上形成四级台阶结构，如图14b所示。在该方向上循环该过程，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，便可以在该方向上获得需要的台阶结构。然后在另一个方向上，通过涂胶、掩模、曝光和显影，露出基底长度一半的表面，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便在该方向上也形成两级台阶结构，如图14c所示。然后再次在该方向上通过涂胶、掩模、曝光和显影，使该方向上的每个台阶均露出台阶长度一半的表面，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成二维台阶结构，如图14d所示。在该方向上循环该过程，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，最终获得需要的阵列相位反射镜。
结合图15说明本实施方式，阵列相位反射镜或是在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过二维多次刻蚀的方法实现；首先选用硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底，然后通过涂胶、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，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，便在该方向上形成两级台阶结构，如图15a所示。接着再次在该方向上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，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刻蚀，刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，去除掩模部分的光刻胶，便在该方向上形成四级台阶结构，如图15b所示。在该方向上循环该过程，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，便可以在该方向上获得需要的台阶结构。然后在另一个方向上，通过涂胶、掩模、曝光和显影，去除半个基底长度的光刻胶，露出半个基底长度的基底表面，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行刻蚀，刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，再去除掩模部分的光刻胶，便在该方向上也形成两级台阶结构，如图15c所示。接着再次在该方向上进行涂胶、掩模、曝光和显影，使该方向上的每个台阶均露出台阶长度一半的基底表面，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刻蚀，刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，再去除掩模部分的光刻胶，便形成二维台阶结构，如图15d所示。在该方向上循环该过程，每次掩模的宽度是上一次掩模宽度的一半，每次刻蚀的深度是上一次刻蚀深度的一半，最终获得需要的阵列相位反射镜。
结合图16说明本实施方式，阵列相位反射镜或是在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过一维刻蚀另一维镀膜的混合方法实现；首先选用硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底，然后通过涂胶、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，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，便在一个方向上形成两级台阶结构，如图16a所示。接着在该方向上再次对具有两级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台阶宽度一半的表面，采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行刻蚀，刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，再去除掩模部分的光刻胶，便在该方向上形成四级台阶结构，如图16b所示。在该方向上循环该过程，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，便可以在该方向上获得需要的台阶结构。然后在另一个方向上，通过涂胶、掩模、曝光和显影，露出基底长度一半的表面，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便在该方向上也形成两级台阶结构，如图16c所示。接着再次在该方向上通过涂胶、掩模、曝光和显影，使该方向上的每个台阶均露出台阶长度一半的表面，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，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成二维台阶结构，如图16d所示。在该方向上循环该过程，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，最终获得需要的阵列相位反射镜。在实际操作过程中，通过在一个方向上先循环刻蚀过程，形成一定级数的台阶，在另一个方向上再循环镀膜过程，最终可以获得需要的阵列相位反射镜结构。
得到阵列相位反射镜结构之后，在阵列相位反射镜结构表面蒸镀金、铝等高反射率材料的反射膜层，最终形成阵列相位反射镜。阵列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，基于阵列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 (8)
1.基于阵列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)、平面反射镜(4)、阵列相位反射镜(5)、光开关阵列(6)、聚焦镜(7)和点探测器(8)；
光源(1)发出的光经准直镜(2)准直为平行光束，分束器(3)将平行光束分为强度相等的两束相干光，一束光被分束器(3)反射后入射到阵列相位反射镜(5)上，另一束光透过分束器(3)入射到平面反射镜(4)上；所述阵列相位反射镜(5)对透过分束器(3)的入射光场进行分布式相位调制；被所述阵列相位反射镜调制的光场与被平面反射镜反射的光场再次经分束器相干叠加形成干涉光场；所述光开关阵列(6)对干涉光场进行空间分步式接收，并通过聚焦镜(7)和点探测器(8)后获得干涉图序列；
其特征是；
所述阵列相位反射镜(5)将入射光场进行空域分割，每个相位反射镜单元对应一个光场分割单元，所述相位反射镜单元所对应的光场分割单元与平面反射镜(4)对应区域反射的光场在分束器(3)出射面上干涉时对应一个相位差，出射光场为具有空间相位差分布的干涉光场阵列，且每个相位反射镜单元对应所述干涉光场阵列中的一个干涉光场单元；
出射的干涉光场阵列入射到光开关阵列(6)上，光开关阵列由二维空间分布的多个光开关单元组成，每一个光开关单元对应于干涉光场阵列中一个干涉光场单元；通过控制每个光开关单元的开闭来控制干涉光场阵列中对应干涉光场单元的通断，实现干涉光场阵列中对应于某一相位差的干涉光场的选通；
按照阵列相位反射镜上相位调制量的空间分布顺序依次控制光开关阵列(6)上对应光开关单元的开闭，使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)；实现干涉光场按照相位差的顺序被探测器依次采集，最终形成干涉图序列；
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所述的基于阵列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所述的基于阵列相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪，其特征在于，以阵列相位反射镜(5)中第(0,0)个相位反射镜单元为基准，设定第(1,0)个相位反射镜单元的厚度为h，则第(m,n)个相位反射镜单元的厚度为(nN+m)h；当平面反射镜(4)相对于分束器(3)的镜像位置与阵列相位反射镜(5)中的第(0,0)个相位反射镜单元重合时，第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为4πν(nN+m)h，ν为光波的波数；
当平面反射镜(4)相对于分束器(3)的镜像位置与阵列相位反射镜(5)中的第(m0,n0)个相位反射镜单元重合时，第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元的相位差为
4.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红外干涉光谱仪，其特征在于，光开关阵列(6)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，光开关阵列(6)对光场的振幅调公式为：
阵列相位反射镜对入射光场的相位调制公式为：
5.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红外干涉光谱仪，其特征在于，光开关阵列(6)中第(m,n)个光开关单元的开状态将阵列相位反射镜的第(m,n)个相位反射镜单元所对应的干涉光场单元透过，其余光开关单元的关状态将其余相位反射镜单元所对应的干涉光场单元阻拦掉。
6.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红外干涉光谱仪，其特征在于，设定阵列相位反射镜(5)中每个相位反射镜单元的尺寸为a×a，阵列相位反射镜单元的阵列数目为N×N，光开关阵列(6)的每个光开关单元的尺寸为b×b，数目为M×M，则每个光开关单元的尺寸满足b≤a，且光开关单元的阵列数目满足M≥N。
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红外干涉光谱仪，其特征在于，阵列相位反射镜(5)由多个相位反射镜单元组成，每一个相位反射镜单元对应一个厚度值，相位反射镜单元的厚度沿m方向以h为步长依次递增，沿n方向以Nh为步长依次递增，所述厚度h≤λ/4；阵列相位反射镜(5)各个反射镜单元的平面度≤λ/20，表面粗糙度≤3nm。
8.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红外干涉光谱仪，设聚焦镜(7)的焦距为f，点探测器的尺寸为d×d，光波的波长为λ，点探测器(8)光敏面弥散斑的尺寸为2λf/b；点探测器(8)光敏面的尺寸满足
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