CN115265780A - 一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，该装置包括依据光路传输依次排列放置的超稳激光、小视场观测望远镜、干涉模块、激光探测器、探测器模块，控制采集处理计算机。它包含多种技术，如电机精准控制技术、超稳激光自对准技术，高灵敏度高精度激光信号采样技术，干涉臂平面反射镜的平行平面镜设计技术。该装置使激光干涉光路中折返多次从而获得更多次采样光程，从而增加激光器的可选波长范围，从而达到提高信噪比、优化激光采样波长的目的。
Description
技术领域
本发明所涉及的傅里叶光谱仪装置，是一种远距离、高精度2N倍光程采 样的傅里叶光谱仪装置。该发明基于奈奎斯特采样定理、等倾干涉技术和自对 准技术，核心干涉模块采用激光干涉仪与目标信号干涉仪共光路设计，通过分 束器分孔径设计、激光干涉臂平面反射镜的平行平板设计、分束器与干涉臂的 回路设计，使激光干涉光路中引入N次折返从而获得2N倍采样光程，从而增 加激光器的可选波长范围，2N倍光程采样激光干涉仪提供目标干涉仪的采样脉 冲，获得目标的冗余离散强度值，通过傅里叶变化获取目标的光谱信息，从而 提高信号反演的信噪比，适用于傅里叶光谱仪领域。
背景技术
傅里叶光谱技术具有多通道、高通量、高分辨率的优点，在材料、生命、 药学等领域有广泛的应用。
傅里叶光谱仪中包含两个干涉仪：激光干涉仪和目标信号干涉仪。激光干 涉仪的作用是提供等光程差的采样脉冲，这些采样脉冲激发目标干涉仪的采样， 获得目标信号一系列的强度信息，通过对强度信息进行傅里叶变换，获取其光 谱信息。
傅里叶光谱仪采用激光干涉仪和目标干涉仪同光路的设计，即激光干涉仪 和目标干涉仪等光程。激光干涉仪的激光频率选择必须满足奈奎斯特采样定理， 即仪器光谱范围为(λ1，λ2)的傅里叶光谱仪，其采样激光的波长必须小于仪 器光谱范围最短波长的二分之一，即必须小于或等于
对于工作波长大于 1.5μm的红外傅里叶光谱仪，满足奈奎斯特采样定理的激光波长必须小于 0.75μm，多采用稳定的氦氖激光(632.8nm)。而随着傅里叶光谱仪工作波段向 可见段延伸，采样激光的波长向紫外段延伸，这为激光器的选择带来了困难。
现有解决可见傅里叶光谱仪激光干涉仪采样困难的方案有两种，第一是采 用步进电机，通过步进电机的等间隔移动实现奈奎斯特采样，这种方案采用的 步进电机核心部件为交叉滚柱轴承，随着运动不断损耗，影响仪器的寿命和测 量精度，其次步进电机的步长重复性随机偏差带来非等光程采样，会引起反演 干涉图的失真。第二种是对原有激光产生的时钟序列进行n倍频，从而实现奈 奎斯特采样，这种方案增加电子学的复杂性，同时会在电路中增加延时，使目 标采样滞后，引起反演干涉图的失真。
上述现有技术的缺点主要体现在以下两个方面：一、基于步进电机等间隔 移动的奈奎斯特采样，受限于步长的重复性偏差，会引起反演干涉图的失真， 同时步进电机的交叉滚柱轴承不可避免的摩擦损耗影响仪器的寿命和测量精度； 二、基于激光干涉时钟序列n倍频的奈奎斯特采样，受制于采样自身带来的电 路延迟、噪声等，引起反演干涉图的失真。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种n倍光程采样的傅里叶光谱 仪装置，适用于傅里叶光谱仪研制、光谱分析等领域。
本发明的技术方案如下：
一种远距离、高精度2N倍光程采样的傅里叶光谱仪装置，包括依据光路 传输依次排列放置的超稳激光1、小视场观测望远镜2、干涉模块3、激光探测 器4、探测器模块5，控制采集处理计算机6；所述小视场观测望远镜2由平面 反射镜7、凹面反射镜8、电控可调光阑9、离轴抛物面反射镜10构成且共轴； 所述干涉模块3由分束器11、固定反射镜13、直线电机16和固定于直线电机 上的反射镜12组成，如说明书附图1所示。
所述小视场观测望远镜2由平面反射镜7、凹面反射镜8、电控可调光阑9、 离轴抛物面反射镜10构成且共轴；平面反射镜7位于凹面反射镜8的前方， 电控可调光阑9位于凹面反射镜8的焦点，同时也位于离轴抛物面反射镜10 的焦点；电控可调光阑9的开孔大小依据系统的光谱分辨率由控制采集处理计 算机6智能调控，电控可调光阑9的开孔直径φ与系统的光谱分辨率ν、工作 波段的最大波数σmax，以及离轴抛物面反射镜10的焦距f′之间的约束关系满足：
所述2N倍采样的傅里叶光谱仪装置采用单边采样，其最大光谱分辨率νmax， 与直线电机的最大行程Lmax，分束器11与激光1入射光的夹角β之间的关系满 足(2)式，其中νmax为2N倍采样的傅里叶光谱仪装置的最大光谱分辨率，Lmax为直线电机最大行程，β为分束器11与激光1入射光的夹角，如说明书附图2 所示。
所述反射镜12与固定反射镜13完全相同，且位于零位的反射镜12与固 定反射镜13的位置关于分束器11的上表面对称；所述固定反射镜13包含平 面反射镜14和小平面反射镜15，小平面反射镜15与平面反射镜14的末端构 成平行平板内反射体，如说明书附图2所示；小平面反射镜15的长度l与激光 在平行平板间的折反次数N，平行平板的间距d，激光1入射光与平面反射镜 14的夹角α之间的约束关系满足(3)式，其中N为激光在平行平板间的折反 次数，l为小平面反射镜15的长度，d为平行平板的间距，α为激光1入射光 与平面反射镜14的夹角，如说明书附图2所示。
所述探测器模块5根据工作波段的不同可以选用不同的探测器。若仪器的 工作波段为2-15μm，则探测器模块5具备短波、中波、长波探测能力，如说 明书附图3所示，探测器模块5包含依光路传输依次放置的离轴抛物面反射镜 19，短波分色片20，中波分色片21，短波探测器22，中波探测器23，长波探 测器24。
所述分束器11包含4个不同的功能表面区域，如说明书附图4所示，半 反半透表面25，增透表面26，增透表面27，反射表面28；所述分束器11的 直径D与所述反射镜12的初始位置X，直线电机最大行程Lmax，平面反射镜14 的长度a，分束器12与激光1入射光的夹角β，激光1入射光与平面反射镜 14的夹角α之间的约束关系满足(4)式；半反半透表面25的长度b与反射镜 12的初始位置X，分束器11与激光1入射光的夹角β的约束关系满足(5)式， 其中D为分束器11的直径，X为反射镜12的初始位置，Lmax为直线电机最大行 程，a为平面反射镜14的长度，β为分束器11与激光1入射光的夹角，α为 激光1入射光与平面反射镜14的夹角，b为半反半透表面25的长度。
D≥(X+Lmax)sinβ+a sinα (4)
b＝X sinβ (5)
本发明的作用原理如下：
仪器的工作流程如下所述，如说明书附图5所示，第一步，打开仪器的控 制采集处理计算机6，使仪器开机。第二步，选择所需的工作波段、分辨率和 采样工作模式。第三步，仪器自检，若仪器自检报错，则根据提示进行处理并 重启控制采集处理计算机6，若仪器自检通过，则进入下一步操作。第四步， 采集背景。第五步，对待测目标进行光谱测量。第六步，测量完成后关机。
仪器对待测目标进行光谱测量的原理如下所述，控制采集处理计算机6开 机，选择好工作波段、分辨率和采样工作模式后，电控可调光阑9自动调整为 最佳的开孔大小。对于激光干涉模块，激光1发出的光经分束器11的半反半透 区域25后被分成两束，其中一束在半反半透区域25的前表面反射进入位于直 线电机16上的反射镜12，经平行平板的N次折反射后，垂直入射分束器11， 经分束器11的反射表面28反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束 A1和透射光束A2；另一束透过半反半透区域25和增透表面26进入固定反射镜 14，经平行平板的N次折反射后，垂直入射分束器11，经分束器11的反射表 面28反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束B1和透射光束B2；透 射光束A2和反射光束B1产生激光干涉信号36，如说明书附图6所示，当直线 电机16运动距离δ1满足(6)式时，激光干涉相长，当直线电机16运动距离δ1满 足(7)式时，激光干涉相消，其中m为整数，λlaser为激光1的工作波长，N为 激光1出射光在平行平板中的折反次数，β为分束器11与激光1出射光的夹角 β。
透射光束A2和反射光束B1产生的激光干涉信号激光探测器4进行采集， 经过控制采集处理计算机6的过零点采样处理，形成一组光程差周期为T的采 样脉冲信号37，式中λlaser为激光1的工作波长，N为激光1出射光在平行平板 中的折反次数，β为分束器12与激光1出射光的夹角β；
对于测量干涉模块，位于无限远处的待测目标发射的平行光通过卡塞格林 望远镜的主镜凹面反射镜9后经过次镜平面反射镜8进入焦点位置，经电控可 调光阑10的空间滤波，被共焦放置的轴抛物面反射镜11准直后，进入分束器 12的半反半透区域26被分成两束，其中一束在半反半透区域26的前表面反射 进入位于直线电机17上的反射镜13，经反射镜13的反射垂直入射分束器12， 经分束器12的反射表面29反射后原路返回再次入射分束器12，产生反射光束 C1和透射光束C2；另一束透过半反半透区域26和增透表面27进入固定反射镜14，经固定反射镜14反射，垂直入射分束器11，经分束器11的反射表面28 反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束D1和透射光束D2；透射光 束C2和反射光束D1产生干涉信号38，如说明书附图5所示，探测器模块5依 据激光干涉模块产生的采样脉冲信号对测量干涉模块产生的干涉信号进行采样 39，得到一组满足奈奎斯特采样定理的离散信号40，如说明书附图6所示，经 过控制采集处理计算机6的数据处理获得待测目标的光谱信息。
与现有技术相比，一种远距离、高精度2N倍光程采样的傅里叶光谱仪装 置具有以下优点：一、与基于步进电机等间隔移动的奈奎斯特采样相比，2N 倍光程采样的傅里叶光谱仪装置具具有采样间隔等长，光谱反演精度高的优点； 二、与基于激光干涉时钟序列n倍频的奈奎斯特采样相比，2N倍光程采样的傅 里叶光谱仪装置电子学不会引入额外的噪声和时延，光谱反演精度高；三、2N 倍光程采样的傅里叶光谱仪装置可以选择性的增加测量干涉仪的采样数目，有 利于数据处理的方式降低系统的噪声，提高仪器的信噪比；四、2N倍光程采样 的傅里叶光谱仪装置的核心干涉模块采样折叠式自回路设计，具有结构简单、体积小的优点。
附图说明
图1为一种远距离、高精度2N倍光程采样的傅里叶光谱仪装置示意图；
图2为核心干涉模块置示意图；
图3为探测器模块构成示意图；
图4为核心干涉模块分束器分区示意图；
图5为仪器工作流程图示意图；
图6为离散干涉信号采集过程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图1、2、3、4、5、6，对本发明进一步说明。
实施例1：一种远距离、高精度8倍光程采样的傅里叶光谱仪装置
本发明采用采用如下构造：
1.激光器1采用高稳定的固体激光器，工作波长1064nm，发散角1mrad， 光斑大小2mm。
2.小视场观测望远镜2、平面反射镜7、凹面反射镜8、电控可调光阑9、 离轴抛物面反射镜10构成且共轴。平面反射镜7采用Edmund Optics的货架产 品，型号#64-021，波长范围为700-10000nm；凹面反射镜8采用Edmund Optics 的货架产品，型号#64-021，波长范围为700-10000nm；电控可调光阑9采用定 制化产品，孔径0.5mm-15mm可调；离轴抛物面反射镜10采用Edmund Optics 的货架产品，型号#43-336，焦距25.4mm。
3.干涉模块3由上海中科航谱光电技术有限公司集成制造，其中分束器11 的口径D为94mm；分束器11与激光1出射光的夹角β为45°；激光1入射光 与平面反射镜15的夹角α为67.5°；平行平板的间距d为5mm；小平面反射镜 16的长度l为14.5mm；反射镜12的初始位置X为40mm；半反半透表面25的 长度b为28.28mm；直线电机最大行程Lmax为40mm；平面反射镜14的长度a为 40mm；分束器11的口径D满足(4)式，半反半透表面25的长度b满足(5) 式。根据(2)式，仪器的光谱分辨率为0.15cm-1。
4.激光探测器4为DSi系列硅光电探测器，由先锋科技提供，型号DSi200， 有效光敏面100mm2。
5.探测器模块5由上海中科航谱光电技术有限公司集成制造，离轴抛物面 反射镜19采用Edmund Optics的货架产品，型号#36-598，焦距177.8mm；短波 分色片20采用可见石英分束器，工作波段范围0.35-2.8μm；中波分色片21采 用KBr分束器，工作波段2-5μm；短波探测器22采用硅光电探测器，型号SiD510； 中波探测器23采用MCT探测器，型号MCT D313；长波探测器24采用异质结 探测器，型号SiB D320。
6.控制采集处理计算机14采用惠普(HP)计算机，型号为i5-7300HQ。
本发明的主要工作流程为：
1、打开仪器的控制采集处理计算机6，使仪器开机。
2、选择所需的工作波段、分辨率和采样工作模式。此时控制采集处理计算 机6根据所设定的分辨率，发送指令使电控可调光阑9自动调整为最佳的开孔 大小。
3、仪器自检，若仪器自检报错，则根据提示进行处理并重启控制采集处理 计算机6，若仪器自检通过，则进入下一步操作。
4、采集背景。
5、对待测目标进行光谱测量。此时，对于激光干涉模块，激光1发出的光 经分束器11的半反半透区域25后被分成两束，其中一束在半反半透区域25的 前表面反射进入位于直线电机16上的反射镜12，经平行平板的N次(在实施 例的设计中N取4)折反射后，垂直入射分束器11，经分束器11的反射表面 29反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束A1和透射光束A2；另一 束透过半反半透区域25和增透表面26进入固定反射镜14，经平行平板的N次 (在实施例的设计中N取4)折反射后，垂直入射分束器11，经分束器11的反 射表面28反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束B1和透射光束B2； 透射光束A2和反射光束B1产生激光干涉信号36，如说明书附图6所示，当直 线电机16运动距离δ1满足(6)式时，激光干涉相长，当直线电机16运动距离 δ1满足(7)式时，激光干涉相消，其中m为整数，λlaser为激光1的工作波长，N 为激光1出射光在平行平板中的折反次数(在实施例的设计中N取4)，β为分 束器11与激光1出射光的夹角β。透射光束A2和反射光束B1产生的激光干涉 信号激光探测器4进行采集，经过控制采集处理计算机6的过零点采样处理， 形成一组光程差周期为T的采样脉冲信号37，如说明书附图6所示。对于测量 干涉模块，位于无限远处的待测目标发射的平行光通过卡塞格林望远镜的主镜 凹面反射镜8后经过次镜平面反射镜7进入焦点位置，经电控可调光阑9的空 间滤波，被共焦放置的轴抛物面反射镜10准直后，进入分束器11的半反半透 区域25被分成两束，其中一束在半反半透区域25的前表面反射进入位于直线 电机16上的反射镜12，经反射镜12的反射垂直入射分束器11，经分束器11 的反射表面28反射后原路返回再次入射分束器11，产生反射光束C1和透射光 束C2；另一束透过半反半透区域25和增透表面26进入固定反射镜13，经固定 反射镜13反射，垂直入射分束器11，经分束器11的反射表面28反射后原路返 回再次入射分束器11，产生反射光束D1和透射光束D2；透射光束C2和反射光 束D1产生干涉信号38，如说明书附图4所示，探测器模块5依据激光干涉模块 产生的采样脉冲信号对测量干涉模块产生的干涉信号进行采样39，得到一组满 足奈奎斯特采样定理的离散信号40，如说明书附图6所示，经过控制采集处理 计算机7的数据处理获得待测目标的光谱信息。
6、测量完成后关机。
Claims (5)
1.一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，其特征在于：
所述的傅里叶光谱仪装置包括依据光路传输依次排列放置的超稳激光(1)、小视场观测望远镜(2)、干涉模块(3)、激光探测器(4)、探测器模块(5)，控制采集处理计算机(6)。
2.根据权利要求1所述的一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述小视场观测望远镜(2)由平面反射镜(7)、凹面反射镜(8)、电控可调光阑(9)、离轴抛物面反射镜(10)构成且共轴；平面反射镜(7)位于凹面反射镜(8)的前方，电控可调光阑(9)位于凹面反射镜(8)的焦点，同时也位于离轴抛物面反射镜(10)的焦点；电控可调光阑(9)的开孔大小依据系统的光谱分辨率由控制采集处理计算机(6)智能调控，电控可调光阑(9)的开孔直径φ与系统的光谱分辨率ν、工作波段的最大波数σmax，以及离轴抛物面反射镜(10)的焦距f′之间的约束关系满足：
3.根据权利要求1所述的一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述傅里叶光谱仪装置的最大光谱分辨率νmax，与直线电机最大行程Lmax，分束器(11)与激光(1)入射光的夹角β，之间的关系满足：
4.根据权利要求3所述的一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，其特征在于：所述分束器(11)包含4个不同的功能表面区域，半反半透表面(25)，增透表面(26)，增透表面(27)，反射表面(28)；分束器(11)的半径R与反射镜(12)的初始位置L1，直线电机最大行程Lmax，平面反射镜(14)的长度l1，分束器(11)与激光(1)入射光的夹角β，激光(1)入射光与平面反射镜(14)的夹角α之间的约束关系满足：
R≥(L1+Lmax)sinβ+l1sinα
半反半透表面(25)的长度l2与反射镜(12)的初始位置L1，分束器(11)与激光(1)入射光的夹角β的约束关系满足：
l2＝L1sinβ。
5.根据权利要求1所述的一种优化激光采样波长的傅里叶光谱仪装置，其特征在于：
所述干涉模块(3)由分束器(11)、固定反射镜(13)、直线电机(16)和固定于直线电机上的反射镜(12)组成；反射镜(12)与固定反射镜(13)完全相同，且位于零位的反射镜(12)与固定反射镜(13)的位置关于分束器(11)的半反半透面(25)对称；所述固定反射镜13包含平面反射镜(14)和小平面反射镜(15)，小平面反射镜(15)与平面反射镜(14)的末端构成平行平板内反射体；小平面反射镜(15)的长度l与采样光程差的倍数n，平行平板的间距d，激光(1)入射光与平面反射镜(14)的夹角α之间的约束关系满足：
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| CN (1) | CN115265780A (zh) |
-
2022
- 2022-07-11 CN CN202210811550.6A patent/CN115265780A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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