CN110081979A - 高光谱分辨率干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高光谱分辨率干涉仪，具有背向连接的两个可移动角镜组，各具有顺序排列的N个移动角镜单元，在所述N个移动角镜单元的邻接位置对向设有N‑1个固定角镜单元，用于将位于头端的移动角镜单元的出射光顺序反射到位于尾端的移动角镜单元，然后用固定平面反射镜将位于尾端的移动角镜单元的出射光沿原路反射回去。如此一来，在两个可移动角镜组的移动过程中，由于可移动角镜组分别与固定角镜单元以及固定平面镜之间产生了多次光路往返，使得原本只能产生2倍光程差的干涉仪，成为了能够产生16倍或以8的倍数增加更多倍的光程差的干涉仪。使用本发明，在分辨率不变的情况下，能够缩小干涉仪的体积，而在体积不变的情况下，则能够提高干涉仪的光谱分辨率。

Description

高光谱分辨率干涉仪

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，特别涉及一种傅立叶变换红外光谱仪。

背景技术

傅立叶变换红外光谱分析仪广泛地用于气体，液体和固体的化学和物质组分分析，在医药，石化，大气监测等多个领域广泛使用。傅立叶变换高分辨率红外光谱分析遥测卫星能够广泛地用于对流层大气环境监测和地面环境遥感，二维傅立叶变换高分辨率红外超光谱分析技术在国防上有重要意义。

傅立叶红外光谱仪的核心部件是干涉仪。麦克逊干涉仪由阿尔伯特·迈克尔逊在1887年发明。迈克尔逊正因发明了干涉仪和光束的测量而获得了1907年诺贝尔物理学奖。自从阿尔伯特·迈克尔逊在1887年发明迈克尔逊干涉仪由之后。很多科学家及工程师在迈克尔逊干涉仪的基础上发明了各种各样的干涉仪，虽然各具特色，但都是迈克尔逊干涉仪的变形。

传统的迈克尔逊干涉仪，用分束器把从光源发射的光分成两个光束。干涉仪有两个不同的反射镜：移动反射镜和固定反射镜。一个光束在移动反射镜和分束器之间传输，另一个光束在固定反射镜和分束器之间传输。当移动反射镜在初始位置时，移动反射镜和固定反射镜到分束器之间的光路有着相同的距离。当动镜移动时，这两光束分别在两个不同的反射镜和分束器之间传输经过了不同的光程，产生相位差，最后在分束器汇合形成干涉信号。用傅立叶变换把干涉信号转换成光谱信号，干涉信号被测量从零光程差到最大光程差长度，光谱分辨率取决于最大光程差长度。而光程差是指干涉仪用来产生干涉信号的那两个光束的光程差别，光程差通常是动镜移动位移的偶数倍。

目前市场上的傅立叶变换红外光谱仪中的干涉仪，主要由两种方式改变光程实现两束光的干涉：线性移动和摇摆式。传统的迈克尔逊干涉仪的平面动镜，是经典的线性移动方式。

美国专利号4383762公开了一种干涉仪，是在传统麦克尔逊干涉仪的分束器和两个平面反射镜之间增加了两个摆动的回射反射镜，这两个增加的回射反射镜位于一个三角形摆动结构的两端，分别面对两个固定的平面反射镜，光路从分束器经过回射反射镜，到达平面反射镜后折返，再经过回射反镜返回到分束器，通过摆动这两个回射反射镜代替线性移动迈克尔逊干涉仪平面动镜，来改变光程差。这种干涉仪方案已经被应用于太空飞船。

在1993年，美国专利号5,309,217公开的设计方案，是利用了以分束器对称分布的两个轴摆动的回射立方角反射镜来改变光程差，光从分束器分成两束后，先经过固定的平面反射镜反射到回射立方角反射镜后，光路开始折返，折返到固定的平面反射镜后，再反射到分束器。这两个回射立方角镜位于一个近似180度的双钟摆结构臂的两端，方向朝上。一个无磨损的转轴位于整个钟摆结构的重心。两个平面反射镜在两个回射立方角镜的上方，这两个平面反射镜以一个平面分束器对称分布,分束器相对于钟摆的平面而移动。与美国专利号4383762的区别是：平面反射镜和角反射镜在光路中的顺序发生了颠倒。这个干涉仪结构的优点是利用回射立方角镜做光路折返的反射镜，克服了传统平面反射镜的准直误差，不需动态准直，确保了光路的准直性，抗震性比较好。但是由于整个钟摆结果摆动的角度限制，光路不能脱离角镜范围，整个光程差变化范围有限，整体干涉仪光学分辨率低，只适合低分辨率光谱分析，适合入门级傅立叶红外光谱仪系统。

在2007年，美国专利号7,242,508公开的技术方案，也是利用两个回射立方角反射镜来改变光程差，这两个角反射镜用来最终的光路折返，两个平面反射镜在两个角反射镜和分束器之间传递光束，且以分束器的平面对称分布，这些要点与美国专利5,309,217相同，不同之处在于把最终光路折返用的两个立方角反射器的运动方式从摆动改变成了平行移动，且相对位置从钟摆两端同向改变为背靠背反向。这个干涉仪也包括光源，分束器，两个平面镜，两个回射立方角反射镜。两个平面反射镜以分束器形成对称的位置，光从分束器分成两束光束后，分别等距投射到两个平面反射镜，再反射到背靠背的两个回射立方角反射镜，进一步光束再从背靠背的两个角反射镜沿原光路反射到那两个平面镜，汇集回到分束器形成干涉信号，最后用一个平面镜把干涉光信号导引到干涉仪外。其核心点是背靠背的两个角反射镜安排在一个共同的光轴上，当这两个角反射镜在这个光轴上平行地往返运动，两光束产生相对于这两个角镜机械运动的4倍光程差。其优点是从传统的迈克尔逊干涉仪的2倍光程差提高到了4倍光程差，提高了光谱精度。其正常的光谱分辨率仅为：8cm^-1或4cm^-1。

综上所述，目前在市场上最经典的傅里叶变换红外光谱仪的干涉仪，仍然使用平面动镜作为反射镜，为了实现大的光程差，只能不断加长动镜的运动轴线，导致整个干涉仪比较长(例如，为了使光谱分辨率小于0.01cm^-1，平面动镜至少需要50厘米的移动距离)，使得高精度与小体积无法兼顾。

而且，为了满足在航天遥感和环境监测以及国防领域对高光谱分辨率红外干涉仪的要求，需要让干涉仪的设计光谱分辨率达到0.001cm^-1，这意味着传统的迈克尔逊干涉仪需要至少1000厘米(10米)的光程差。换句话说，传统的迈克尔逊干涉仪需要一个5米长的导轨来牵引干涉仪中可移动反射镜的运动，这意味着干涉仪有着巨大的体积，无论在地面或者卫星上实现都是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高光谱分辨率干涉仪，在不加长动镜移动位移的条件下，提高其光谱分辨率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高光谱分辨率干涉仪，包括分束器以及位于分束器入光方向的光源，还包括分别位于分束器的反射出光方向与透射出光方向的反射光往返光路与透射光往返光路，返回的反射光与返回的透射光在所述分束器汇合后，在分束器一侧的出光孔处被收集，其特征在于：

在反射光往返光路和/或透射光往返光路上设有N个移动角镜单元与N-1个固定角镜单元，N为大于或等于2的整数；

所述N个移动角镜单元顺序排列，所述N-1个固定角镜单元分别与所述N个移动角镜单元的邻接位置呈相对布置，能够将位于头端的移动角镜单元的出射光顺序反射到位于尾端的移动角镜单元，还能够将位于尾端的移动角镜单元返回的出射光顺序反射到位于头端的移动角镜单元；

所述N个移动角镜单元能够相对所述N-1个固定角镜单元平行移动，以使所述返回的反射光与返回的透射光之间产生光程差。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其还包括：

第一固定平面反射镜与第二固定平面反射镜，分别设置在分束器的反射出光方向与透射出光方向；

第一可移动角镜组，具有顺序排列的N个第一移动角镜单元，位于头端的第一移动角镜单元与所述第一固定平面反射镜的出射光相接；

第二可移动角镜组，具有顺序排列的N个第二移动角镜单元，位于头端的第二移动角镜单元与所述第二固定平面反射镜的出射光相接，所述第一可移动角镜组与第二可移动角镜组能够朝向垂直于所述分束器的平面的方向同步地往返移动；

N-1个第一固定角镜单元，分别与所述N个第一移动角镜单元的邻接位置呈相对布置；

N-1个第二固定角镜单元，分别与所述N个第二移动角镜单元的邻接位置呈相对布置；

第三固定平面反射镜，将所述位于尾端的第一移动角镜单元的出射光沿原路反射回去；

第四固定平面反射镜，将所述位于尾端的第二移动角镜单元的出射光沿原路反射回去。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第一可移动角镜组和第二可移动角镜组呈反向背靠背地组合在一起。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第一可移动角镜组和第二可移动角镜组安装在同一个导轨平台上。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第一固定平面反射镜与第二平面反射镜以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第一固定角镜单元与所述第二固定角镜单元以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第三固定平面反射镜与第四平面反射镜以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：所述第三固定平面反射镜与第四固定平面反射镜均连接有两维转动精密调节机构，用于调节干涉仪的干涉度。

所述的高光谱分辨率干涉仪，其中：在所述分束器的入光方向还设有离轴抛物镜，用于将所述光源反射为平行光线。

与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：使用本发明，在精度不变的情况下，能够缩小干涉仪的体积，而在体积不变的情况下，则能够提高干涉仪的光谱分辨率。

附图说明

图1是本发明提供的16倍光程差的高光谱分辨率干涉仪的光路原理图；

图2是本发明提供的24倍光程差的高光谱分辨率干涉仪的光路原理图。

附图标记说明：光源1；离轴抛物镜2；分束器3；第一固定平面反射镜4；第二固定平面反射镜5；第一可移动角镜组6；第二可移动角镜组7；第一固定角镜单元8；第二固定角镜单元9；第三固定平面反射镜10；第四固定平面反射镜11；出光孔12；往返移动D。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种16倍光程差的高光谱分辨率干涉仪，包括：

光源1；

离轴抛物镜2，将光源1投射的光反射为平行光线；

分束器3，将所述平行光线分为透射光与反射光；

第一固定平面反射镜4，用于反射所述反射光；

第二固定平面反射镜5，用于反射所述透射光；

第一可移动角镜组6，具有顺序排列的两个第一移动角镜单元，位于头端的第一移动角镜单元与所述第一固定平面反射镜4的出射光相接；

第二可移动角镜组7，具有顺序排列的两个第二移动角镜单元，位于头端的第二移动角镜单元与所述第二固定平面反射镜5的出射光相接；

第一固定角镜单元8，与所述两个第一移动角镜单元的邻接位置呈相对布置，用于将位于头端的第一移动角镜单元的出射光反射到位于尾端的第一移动角镜单元；

第二固定角镜单元9，与所述两个第二移动角镜单元的邻接位置呈相对布置，用于将位于头端的第二移动角镜单元的出射光反射到位于尾端的第二移动角镜单元；

第三固定平面反射镜10，将所述位于尾端的第一移动角镜单元的出射光沿原路反射回去；

第四固定平面反射镜11，将所述位于尾端的第二移动角镜单元的出射光沿原路反射回去；

从所述第一固定平面反射镜4以及第二固定平面反射镜5返回的光线在所述分束器3汇合后，在出光孔12处被收集，用于后续的分析与处理。

第一可移动角镜组6和第二可移动角镜组7呈反向背靠背地组合在一起，且在水平方向和纵向方向都平行，以便于安装在同一个导轨平台上，在第一固定角镜单元8和第二固定角镜单元9之间，一起朝向垂直于所述分束器3的平面的方向往返移动D。

其中，所述第一固定平面反射镜4与第二固定平面反射镜5以所述分束器3的平面为中心呈镜面对称布置；所述第一固定角镜单元8与所述第二固定角镜单元9以所述分束器3的平面为中心呈镜面对称布置；所述第三固定平面反射镜10与第四固定平面反射镜11以所述分束器3的平面为中心呈镜面对称布置。

与现有干涉仪相比较，本发明中的16倍光程差的高光谱分辨率干涉仪实例，主要是增加了额外的第三固定平面反射镜10和第四固定平面反射镜11，并且把移动平面镜变成了固定平面镜，第一移动角镜组6和第二移动角镜组7各增加了额外的一个移动角镜单元，并且增加了额外的第一固定角镜单元8和第二固定角镜单元9，如此一来，在第一移动角镜组6和第二移动角镜组7一起往返移动D的过程中，由于两个可移动角镜组与两个固定角镜组之间产生了四次光路往返和八倍光程差，同时在两个可移动角镜组和四个固定平面镜之间产生另外四次光路往返和八倍光程差，使得原本只能产生2倍光程差的干涉仪，成为了能够产生16倍光程差的干涉仪。当第一可移动角镜组6和第二可移动角镜组7背靠背组合在一起平行移动6.25厘米，就可实现100厘米的光程差，从而取得0.01cm^-1光谱分辨率。

使用本发明，在精度不变的情况下，能够缩小干涉仪的体积接近至原有的八分之一，而在体积不变的情况下，则能够提高干涉仪的光谱分辨率至原有的八倍。

更重要的是，本发明还能够继续甚至无限制地扩展，将光谱分辨率继续甚至无限制地提高。如图2所示，是本发明提供的一种24倍光程差的高光谱分辨率干涉仪，与前一实施例相比，主要是增加了第一可移动角镜组6以及第二可移动角镜组7中第一移动角镜单元以及第二移动角镜单元的数目，并相应增加了第一固定角镜单元8与第二固定角镜单元9的数目。当第一可移动角镜组6和第二可移动角镜组7背靠背组合在一起，平行移动41.6厘米，就可实现1000厘米的光程差，从而取得0.001cm^-1光谱分辨率。

与现有技术相比较，本发明在原理上主要是提出了光程放大和光程差放大两个创新的步骤。在光程放大步骤，本发明创新地在所述的分束器3和所述的第三固定平面镜10或第四固定平面镜11之间所述的两个光路上，分别使所述的第一可移动角镜组6的N个移动角镜单元与(N-1)个第一固定角镜单元8面对面地分布，第二可移动角镜组7的N个移动角镜单元与(N-1)个第二固定角镜9面对面地分布，每个第一固定角镜单元8或第二固定角镜单元9与所述两个移动角镜单元的邻接位置呈相对布置，这种创新的组合和布局使光从所述的可移动角镜组6或7头端的移动角镜单元通过(N-1)个固定角镜单元8或9的反射到所述可移动角镜组6或7的尾端的移动角镜单元，进一步到达所述第三固定平面反射镜10和第四固定平面反射镜11，折返光路沿原路返回到分束器3，从而实现了无限制地把面对面分布的相关可移动角镜组和固定角镜之间的光程光程放大的步骤，实现了((N-1)×4+4)倍光程放大。

在光程差放大步骤，通过使所述的第一可移动角镜组6的N个移动角镜单元顺序并排连接在一起，以及使所述的第二可移动角镜组7的N个移动角镜单元顺序并排连接在一起，当所述第一可移动角镜组6或第二可移动角镜组7单独移动一个距离D时，放大地产生(((N-1)×4+4)×D)的光程差，进一步地把所述的第一可移动角镜组6和第二可移动角镜组7背靠背地组合在一起，且在水平方向和纵向方向都平行，安装在同一个导轨平台上，在(N-1)个第一固定角镜单元8和(N-1)个第二固定角镜单元9之间，一起朝向垂直于所述分束器3的平面的方向移动距离D时，整个干涉仪的光程差被进一步放大为移动距离D的(((N-1)×4+4)×2)倍。

因此，可以合理推测，进一步同时增加可移动角镜组中角镜单元的数目与固定角镜单元的数目，即可得到32倍、40倍、48倍甚至更多倍光程差的干涉仪，其原理相同，因此其结构不予赘述。

当然，针对本发明构思，还可以设计其他替代技术方案，例如，仅在反射光往返光路、透射光往返光路的其中之一上设有所述移动角镜单元与所述固定角镜单元，其中另一光路上则使用不能变化光程的光路，虽然相比于在本发明前述实施例而言，产生的光程差减少了一倍，但相比于现有技术仍然是有极大的提高，这也应当属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高光谱分辨率干涉仪，包括分束器以及位于分束器入光方向的光源，还包括分别位于分束器的反射出光方向与透射出光方向的反射光往返光路与透射光往返光路，返回的反射光与返回的透射光在所述分束器汇合后，在分束器一侧的出光孔处被收集，其特征在于：

在反射光往返光路和/或透射光往返光路上设有N个移动角镜单元与N-1个固定角镜单元，N为大于或等于2的整数；

所述N个移动角镜单元顺序排列，所述N-1个固定角镜单元分别与所述N个移动角镜单元的邻接位置呈相对布置，能够将位于头端的移动角镜单元的出射光顺序反射到位于尾端的移动角镜单元，还能够将位于尾端的移动角镜单元返回的出射光顺序反射到位于头端的移动角镜单元；

所述N个移动角镜单元能够相对所述N-1个固定角镜单元平行移动，以使所述返回的反射光与返回的透射光之间产生光程差。

2.根据权利要求1所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于，还包括：

第一固定平面反射镜与第二固定平面反射镜，分别设置在分束器的反射出光方向与透射出光方向；

第一可移动角镜组，具有顺序排列的N个第一移动角镜单元，位于头端的第一移动角镜单元与所述第一固定平面反射镜的出射光相接；

第二可移动角镜组，具有顺序排列的N个第二移动角镜单元，位于头端的第二移动角镜单元与所述第二固定平面反射镜的出射光相接，所述第一可移动角镜组与第二可移动角镜组能够朝向垂直于所述分束器的平面的方向同步地往返移动；

N-1个第一固定角镜单元，分别与所述N个第一移动角镜单元的邻接位置呈相对布置；

N-1个第二固定角镜单元，分别与所述N个第二移动角镜单元的邻接位置呈相对布置；

第三固定平面反射镜，将所述位于尾端的第一移动角镜单元的出射光沿原路反射回去；

第四固定平面反射镜，将所述位于尾端的第二移动角镜单元的出射光沿原路反射回去。

3.根据权利要求2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第一可移动角镜组和第二可移动角镜组呈反向背靠背地组合在一起。

4.根据权利要求3所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第一可移动角镜组和第二可移动角镜组安装在同一个导轨平台上，在所述N-1个第一固定角镜单元和N-1个第二固定角镜单元之间往返移动。

5.根据权利要求2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第一固定平面反射镜与第二平面反射镜以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

6.根据权利要求2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第一固定角镜单元与所述第二固定角镜单元以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

7.根据权利要求2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第三固定平面反射镜与第四平面反射镜以所述分束器的平面为中心呈镜面对称布置。

8.根据权利要求2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：所述第三固定平面反射镜与第四固定平面反射镜均连接有两维转动精密调节机构，用于调节干涉仪的干涉度。

9.根据权利要求1或2所述的高光谱分辨率干涉仪，其特征在于：在所述分束器的入光方向还设有离轴抛物镜，用于将所述光源反射为平行光线。