CN113640241A - 一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置 - Google Patents

一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置，包括准直镜L1，分束器BS，四个平面反射镜M1、M2、M3、M4，T形摆动反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，T形摆动反射镜组M5由两个垂直放置的反射镜组成，随摆臂沿固定轴在设定的摆角θ内做摆动，从而得到随时间变化的光程差；分束器BS与T形摆动反射镜组M5位于同一水平线；平面反射镜M1和M3平行放置，并以零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；平面反射镜M2与入射光平行，平面反射镜M4与入射光垂直，并以零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置。该装置结构简单且容易实现，能避免光线倾斜的缺点，降低了对运动部件的精度要求，同时提高了光谱分辨率。

Description

一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置
技术领域
本发明涉及红外光谱仪技术领域，尤其涉及一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置。
背景技术
红外光谱仪是对物质的化学组成进行探测的有效科学仪器，具有精度高、分析速度快、结果稳定、分析过程无破坏性等优点。红外光谱仪可以用于定性分析，也可以用于定量分析，还可以对未知物进行剖析，是科研和工程领域必不可少的分析技术，在化工、医药、环境、鉴定、公检法等领域得到了广泛的应用，傅里叶变换红外光谱仪(Fourier TransformInfraRed Spectrometer，FTIR)相比其它类型的红外光谱仪，具有测量精度高、杂散光低、分辨率高、光通量大、测定速度快和测量波段宽等优势，是光谱分析强有力的工具。
傅里叶变换红外光谱仪从实现的方式上，主要可以分为时间调制型和空间调制型两类，空间调制型傅里叶变换光谱技术中无运动部件，具有很好的稳定性，但系统的光谱分辨率偏低；时间调制型FTIR大多基于迈克尔逊干涉仪及其变形结构，如图1所示为现有技术中典型的基于迈克尔逊干涉仪的直线往复平动式FTIR结构示意图，其通过控制动镜的直线运动来改变两束干涉光的光程差，得到干涉图，系统主要由准直镜L1，分束器BS，固定反射镜M1，动镜M2，成像镜L2和探测器D组成。光线经过准直镜L1准直后进入干涉仪系统，分束器BS将光线分为透射和反射两路光，其中反射光经过定镜M1反射后回到分束器BS，透射光经过动镜M2反射后也返回分束器BS，两路光在分束器汇合后形成干涉光，其中一部分光经成像镜L2汇聚后被探测器D接收；工作过程中，随着动镜M2的往复平动，使得干涉仪的两臂产生随时间变化的光程差，系统光程差x与动镜M2移动距离d相关。
x＝2d (1)
动镜M2通过往复平动一个行程后，在探测器上可以得到一定光程差内的完整干涉强度信息，对于复色光而言，探测器上的干涉图强度表达式如下：
Figure BDA0003222558200000011
式中，σ为入射光波数，B(σ)为入射的光谱强度，σmin～σmax为入射波数范围。得到系统的干涉强度后，通过傅里叶变换等数据处理即可复原出目标的原始光谱信息。傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率正比于两相干光束间最大光程差的倒数,考虑到切趾函数不同,光谱分辨率的值总介于1/2L到1/L之间,L为光谱仪的最大光程差，即L愈大,光谱分辨率也愈高。
上述平动式迈克尔逊型光谱仪对动镜的运动精度要求非常严格，动镜在运动过程中产生的倾斜将会使反射回的光线产生倾角，导致干涉图的调制度下降，因此在平动式迈克尔逊型光谱仪中需严格控制动镜运动过程中的倾斜量，对动镜的运动控制提出较高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置，该装置结构简单且容易实现，能避免光线倾斜的缺点，降低了对运动部件的精度要求，同时提高了光谱分辨率，具有极大的实用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置，所述装置包括准直镜L1，分束器BS，四个平面反射镜M1、M2、M3、M4，T形摆动反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
所述T形摆动反射镜组M5由两个垂直放置的反射镜组成，设置于摆臂上的反射镜为双面反射镜，与摆臂垂直放置的反射镜为单面反射镜，所述T形摆动反射镜组M5随摆臂沿固定轴在设定的摆角θ内做摆动，且随着所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，能得到随摆动角度变化的光程差；
所述分束器BS与所述T形摆动反射镜组M5位于同一水平线；
平面反射镜M1和M3平行放置，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
平面反射镜M2与入射光平行，平面反射镜M4与入射光垂直，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
入射光经过所述准直镜L1准直后进入所述分束器BS，所述分束器BS将光线分为透射和反射两路光；
其中，透射光经过平面反射镜M1，M5和M2反射后，再次经过平面反射镜M5，M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M3，M5和M4反射后，再次经过平面反射镜M5，M3反射，最后返回所述分束器BS；
两路光在所述分束器BS汇合后形成干涉光，其中一部分干涉光经所述成像镜L2汇聚后被所述探测器D接收。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置结构简单且容易实现，能避免光线倾斜的缺点，降低了对运动部件的精度要求，同时提高了光谱分辨率，具有极大的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1所示为现有技术中典型的基于迈克尔逊干涉仪的直线往复平动式FTIR结构示意图；
图2为本发明实施例所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置的结构示意图；
图3为本发明实施例所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置摆动产生光程差的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图2所示为本发明实施例所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置的结构示意图，所述装置主要包括准直镜L1，分束器BS，四个平面反射镜M1、M2、M3、M4，T形摆动反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
所述T形摆动反射镜组M5由两个垂直放置的反射镜组成，设置于摆臂上的反射镜为双面反射镜，与摆臂垂直放置的反射镜为单面反射镜，所述T形摆动反射镜组M5随摆臂沿固定轴在设定的摆角θ内做摆动，且随着所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，能得到随摆动角度变化的光程差；
所述分束器BS与所述T形摆动反射镜组M5位于同一水平线；
平面反射镜M1和M3平行放置，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
平面反射镜M2与入射光平行，平面反射镜M4与入射光垂直，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
入射光经过所述准直镜L1准直后进入所述分束器BS，所述分束器BS将光线分为透射和反射两路光；
其中，透射光经过平面反射镜M1，M5和M2反射后，再次经过平面反射镜M5，M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M3，M5和M4反射后，再次经过平面反射镜M5，M3反射，最后返回所述分束器BS；
两路光在所述分束器BS汇合后形成干涉光，其中一部分干涉光经所述成像镜L2汇聚后被所述探测器D接收。
具体实现中，所述光程差由所述T形摆动反射镜组M5的摆臂长度r和摆角θ决定，由于傅里叶变换红外光谱的光谱分辨率由最大光程差决定，因此可根据光谱分辨率需求来设计摆臂长度和摆角范围。
如图3所示为本发明实施例所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置摆动产生光程差的示意图，当所述T形摆动反射镜组M5从A点摆动到A′点时，假设摆角为θ，摆臂长度为r，透射光光程变化为OPup,反射光光程变化为OPdown，则根据所述T形摆动反射镜组M5的几何关系可得到：
OPup＝4×[rsinθsin45°+r(1-cosθ)sin45°] (3)
OPdown＝4×[r(1-cosθ)sin45°-rsinθsin45°] (4)
则光程差OPD表示为：
Figure BDA0003222558200000041
通过所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，实现光程差的连续变化，在所述探测器D上得到完整的干涉图，再通过对干涉图进行光谱复原，得到对应的光谱图。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，在本发明实施例所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置中，经过T形摆动反射镜组的光线，出射光线与入射光线平行，因此在T形摆动反射镜组摆动的过程中并不会引起光线的偏折，从而降低了对运动部件的精度要求；另外光线在系统中的相同光路走过2次，在相同摆臂长度和摆角时，系统光程差增加一倍，因此光谱分辨率提高了一倍；同时由于上述T形摆动反射镜组仅由垂直放置的两面反射镜组成，结构简单，容易实现，具有极大的实用价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种摆动式傅里叶变换红外光谱装置，其特征在于，所述装置包括准直镜L1，分束器BS，四个平面反射镜M1、M2、M3、M4，T形摆动反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
所述T形摆动反射镜组M5由两个垂直放置的反射镜组成，设置于摆臂上的反射镜为双面反射镜，与摆臂垂直放置的反射镜为单面反射镜，所述T形摆动反射镜组M5随摆臂沿固定轴在设定的摆角θ内做摆动，且随着所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，能得到随摆动角度变化的光程差；
所述分束器BS与所述T形摆动反射镜组M5位于同一水平线；
平面反射镜M1和M3平行放置，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
平面反射镜M2与入射光平行，平面反射镜M4与入射光垂直，并以所述T形摆动反射镜组M5在零摆角位置时的摆臂为对称轴对称放置；
入射光经过所述准直镜L1准直后进入所述分束器BS，所述分束器BS将光线分为透射和反射两路光；
其中，透射光经过平面反射镜M1，M5和M2反射后，再次经过平面反射镜M5，M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M3，M5和M4反射后，再次经过平面反射镜M5，M3反射，最后返回所述分束器BS；
两路光在所述分束器BS汇合后形成干涉光，其中一部分干涉光经所述成像镜L2汇聚后被所述探测器D接收。
2.根据权利要求1所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置，其特征在于，所述光程差由所述T形摆动反射镜组M5的摆臂长度r和摆角θ决定，具体是根据光谱分辨率需求来设计摆臂长度和摆角范围。
3.根据权利要求1所述摆动式傅里叶变换红外光谱装置，其特征在于，随着所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，能得到随时间变化的光程差，具体来说：
当所述T形摆动反射镜组M5从A点摆动到A′点时，假设摆角为θ，摆臂长度为r，透射光光程变化为OPup,反射光光程变化为OPdown，则根据所述T形摆动反射镜组M5的几何关系可得到：
OPup＝4×[rsinθsin45°+r(1-cosθ)sin45°] (3)
OPdown＝4×[r(1-cosθ)sin45°-rsinθsin45°] (4)
则光程差OPD表示为：
Figure FDA0003222558190000021
通过所述T形摆动反射镜组M5的往复摆动，实现光程差的连续变化，在所述探测器D上得到完整的干涉图，再通过对干涉图进行光谱复原，得到对应的光谱图。
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