CN113654658B - 一种平行反射镜组转动式傅里叶变换红外光谱装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行反射镜组转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，平行反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，平行反射镜组M5为一对平行放置的平行反射镜，相对的两平行面为反射面；平行反射镜组M5的底端固定，依靠底部的机构沿中心的转轴做圆周运动，所述转轴与所述分束器BS处于同一水平线；在工作过程中，随着所述平行反射镜组M5的匀速转动，在可得到干涉光的角度范围内能得到随转动角度变化的光程差。该装置结构简单且容易实现，通过转动产生一定范围内的光程差，降低了对运动部件的精度要求，同时由于运动部件是匀速转动，可操控性大大增强，且稳定性更好。

Description

一种平行反射镜组转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，尤其涉及一种平行反射镜组转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：
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平行反射镜组转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，通过连续转动产生一定范围内的光程差，降低了对运动部件的精度要求，同时由于运动部件是匀速圆周转动，不需要设定转动角度，可操控性大大增强，且稳定性更好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种平行反射镜组转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，平行反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
平面反射镜M1、M4和分束器BS平行放置，且平面反射镜M1和M4关于分束器BS对称放置；
平面反射镜M2与入射光垂直放置，平面反射镜M3与入射光平行放置，且平面反射镜M2和M3关于分束器BS对称放置；
平行反射镜组M5为一对平行放置的平行反射镜，相对的两平行面为反射面；所述平行反射镜组M5的底端固定，依靠底部的机构沿中心的转轴做匀速圆周运动，所述转轴与所述分束器BS处于同一水平线；在工作过程中，随着所述平行反射镜组M5的连续转动，在可接收到干涉光的角度范围内能得到随转动角度变化的光程差；
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，平行反射镜组M5和平面反射镜M3反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M4，平行反射镜组M5和平面反射镜M2反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M4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，通过连续转动产生一定范围内的光程差，降低了对运动部件的精度要求，同时由于运动部件是匀速转动，不需要设定转动角度，可操控性大大增强，且稳定性更好。
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为本发明实施例提供的平行反射镜组转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平行反射镜组M5转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为本发明实施例提供的平行反射镜组转动式傅里叶变换红外光谱装置的结构示意图，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，平行反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
平面反射镜M1、M4和分束器BS平行放置，且平面反射镜M1和M4关于分束器BS对称放置；
平面反射镜M2与入射光垂直放置，平面反射镜M3与入射光平行放置，且平面反射镜M2和M3关于分束器BS对称放置；
平行反射镜组M5为一对平行放置的平行反射镜，相对的两平行面为反射面；所述平行反射镜组M5的底端固定，依靠底部的机构沿中心的转轴做匀速圆周运动，所述转轴与所述分束器BS处于同一水平线；在工作过程中，随着所述平行反射镜组M5的连续转动，在可接收到干涉光的角度范围(即有效转动角)内能得到随转动角度变化的光程差；
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，平行反射镜组M5和平面反射镜M3反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M4，平行反射镜组M5和平面反射镜M2反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M4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，所述装置的光谱分辨率由最大光程差OPDmax决定，所述最大光程差OPDmax由所述平行反射镜组M5的两个平行反射镜之间的距离h和可接收到干涉光的最大转动角θmax决定；
其中，可接收到干涉光的最大转动角θmax，两个平行反射镜之间的距离h，以及系统中各反射镜的放置位置三者互相影响，可根据具体需求进行设计。
如图3所示为本发明实施例所述平行反射镜组M5转动产生光程差的示意图，假设两个平行反射镜之间的距离为h，平行反射镜组转动θ角，透射光的光程为OPup，反射光的光程为OPdown，则：
因此得到的光程差为：
通过所述平行反射镜组M5的转动实现光程差的连续变化，当所述平行反射镜组M5转动一周后，在所述探测器D上得到θ在有效范围内的完整干涉图，再通过对干涉图进行光谱复原，得到对应的光谱图；
其中，所述θ在有效范围内指的是可接收到干涉光的角度范围。
本发明实施例中的运动部件是一对平行反射镜，通过连续转动产生一定范围内的光程差，由于经过平行反射镜组的光线，出射光线与入射光线平行，因此在平行反射镜组的转动过程中并不会引起光线的偏折，可降低对运动部件的精度要求，同时由于运动部件是匀速转动，不需要设定转动角度，可操控性大大增强，且稳定性更好。
另外，由于光线在系统中的相同光路走过2次，因此在相同平行反射镜组间距和转动角时，系统光程差增加一倍，因此光谱分辨率提高一倍；并且本发明实施例中的平行反射镜组仅由平行放置的两面反射镜组成，结构简单，容易实现。
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。
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 (2)

1.一种平行反射镜组转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，平行反射镜组M5，成像镜L2和探测器D，其中：
平面反射镜M1、M4和分束器BS平行放置，且平面反射镜M1和M4关于分束器BS对称放置；
平面反射镜M2与入射光垂直放置，平面反射镜M3与入射光平行放置，且平面反射镜M2和M3关于分束器BS对称放置；
平行反射镜组M5为一对平行放置的平行反射镜，相对的两平行面为反射面；所述平行反射镜组M5的底端固定，依靠底部的机构沿中心的转轴做匀速圆周运动，所述转轴与所述分束器BS处于同一水平面；在工作过程中，随着所述平行反射镜组M5的连续转动，在可接收到干涉光的角度范围内能得到随转动角度变化的光程差；
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，平行反射镜组M5和平面反射镜M3反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M1反射，最后返回所述分束器BS；
反射光经过平面反射镜M4，平行反射镜组M5和平面反射镜M2反射后，再次经过平行反射镜组M5和平面反射镜M4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；
其中，随着所述平行反射镜组M5的连续转动，在可接收到干涉光的角度范围内能得到随转动角度变化的光程差，具体来说：
假设两个平行反射镜之间的距离为h，平行反射镜组转动θ角，透射光的光程为OPup，反射光的光程为OPdown，则：
因此得到的光程差为：
通过所述平行反射镜组M5的转动实现光程差的连续变化，当所述平行反射镜组M5转动一周后，在所述探测器D上得到θ在有效范围内的完整干涉图，再通过对干涉图进行光谱复原，得到对应的光谱图；
其中，所述θ在有效范围内指的是可接收到干涉光的角度范围。
2.根据权利要求1所述平行反射镜组转动式傅里叶变换红外光谱装置，其特征在于，所述装置的光谱分辨率由最大光程差OPDmax决定，所述最大光程差OPDmax由所述平行反射镜组M5的两个平行反射镜之间的距离h和可接收到干涉光的最大转动角θmax决定；
其中，可接收到干涉光的最大转动角θmax，两个平行反射镜之间的距离h，以及系统中各反射镜的放置位置三者互相影响。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102759402A (zh) * 2012-07-23 2012-10-31 北京理工大学 一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪
CN104713649A (zh) * 2013-12-13 2015-06-17 天津同阳科技发展有限公司 一种光谱仪用干涉仪
CN106153196A (zh) * 2016-06-16 2016-11-23 电子科技大学 基于无定镜迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪
CN106546335A (zh) * 2016-11-17 2017-03-29 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法
CN108519153A (zh) * 2018-04-23 2018-09-11 中国科学院光电研究院 双通道平行摆镜式傅里叶变换红外光谱仪
CN109297600A (zh) * 2018-10-22 2019-02-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102759402A (zh) * 2012-07-23 2012-10-31 北京理工大学 一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪
CN104713649A (zh) * 2013-12-13 2015-06-17 天津同阳科技发展有限公司 一种光谱仪用干涉仪
CN106153196A (zh) * 2016-06-16 2016-11-23 电子科技大学 基于无定镜迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换光谱仪
CN106546335A (zh) * 2016-11-17 2017-03-29 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法
WO2018090394A1 (zh) * 2016-11-17 2018-05-24 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法
CN108519153A (zh) * 2018-04-23 2018-09-11 中国科学院光电研究院 双通道平行摆镜式傅里叶变换红外光谱仪
CN109297600A (zh) * 2018-10-22 2019-02-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置

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