CN115791692A - 自变迹补偿干涉仪模块、傅里叶干涉光谱装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自变迹补偿干涉仪模块、自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置及使用方法；解决现有高分辨率傅里叶干涉光谱仪随着光程差和数值孔径增加引起干涉条纹变迹，从而造成条纹对比度下降和光谱分辨率下降的问题；干涉仪模块包括分束器、固定镜、移动镜、驱动机构、光程补偿平板和零光程差等效补偿平板；所述零光程差等效补偿平板和固定镜沿分束器的反射光路依次设置，光程补偿平板和移动镜沿分束器的透射光路依次设置；驱动机构与移动镜连接；光程补偿平板和零光程差等效补偿平板的厚度相同，光程补偿平板的折射率在零光程差位置，与零光程差等效补偿平板的折射率相同，在其余光程差位置，光程补偿平板的折射率随着光程差的改变而改变。

Description

自变迹补偿干涉仪模块、傅里叶干涉光谱装置及使用方法

技术领域

本发明涉及傅里叶干涉光谱及光谱成像技术，具体涉及自变迹补偿干涉仪模块、自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置及使用方法。

背景技术

随着光谱学在各个领域的深入发展，光谱及光谱成像技术也实现了快速的发展和进步，相关工作者也提出各种新型光谱分光技术，提高了光谱仪的性能指标。其中，最为通用的光谱及光谱成像仪技术包括基于光栅和棱镜的色散型光谱及光谱成像技术、基于滤光片的窄带分光光谱及光谱成像技术和基于干涉仪分光的干涉光谱及光谱成像技术。

其中滤光片型分光技术通过镀膜或者晶体调制，使不同通道的窄带光通过探测器获取不同通带的窄带光谱，从而实现光谱探测。色散型分光技术则使用光栅和棱镜等器件，将宽谱光色散到探测器的不同空间位置，实现光谱信号探测。干涉分光原理则是通过干涉仪对宽光谱信号进行干涉调制，在探测器上获得宽光谱信号的干涉图，在此基础上，基于傅里叶变换原理，将时域信号变换为频域信号，从而实现光谱探测，干涉光谱及光谱成像技术又可以根据干涉分光的不同方式将其分为空间调制型和时间调制型、以及时空联合调制型。上述不同的光谱分光技术中，窄带分光和色散型分光技术受分光原理和核心器件的影响，通常无法同时满足宽谱和高分辨率光谱两个因素。相比之下，时间调制型干涉光谱及光谱成像技术能够通过时间扫描的方法实现较宽的光谱探测范围和极高的光谱分辨率，具有多通道光谱复用、高通光能力和高光谱分辨率等优点.

早前提出的的迈克尔逊干涉仪原理是通过分束器将入射光分为两路，通过调节干涉仪中平面反射镜对两路相干光束的光程差进行调节，从而实现不同级次的干涉条纹，对于复色光而言，其各个频率的干涉光能量叠加，形成复色光的干涉图。在此基础上，通过傅里叶变换原理将采样的时域信号转换为频域信号，即可获得测量的光谱信号。由于干涉仪型光谱分辨率和干涉光程差相关，理论上，通过增加干涉仪光程差可以实现无限高分辨率的光谱测量仪。但实际工作中，干涉仪的光程差是有限值，其范围为[-L，+L]，其中，L表示移动镜的最大移动距离，根据瑞丽判据得到光谱仪的理论光谱分辨率δν为：δν＝1/2L，但上述结论建立在输入光源为理想准直光源的基础上，当输入光源为扩展光源时，傅里叶干涉光谱仪的光谱分辨率会受到轴外光线的影响，在不同视场位置的干涉条纹并非严格意义上的等光程差采样。

迈克尔逊干涉仪是等厚干涉，若假设入射光线进入干涉仪的视场角为ω，干涉仪中动镜的位移量为l，则不同视场对应的光程差为d＝2lcosω，由于cosω中ω的变化引起d的变化，因此，对于干涉仪而言光线视场角从0到ω的变化引起光程差的不一致，视场角变化导致的光程差实际上是等倾干涉，当视场角较大时，等倾干涉对等厚干涉的影响增大，使傅里叶干涉光谱仪的干涉条纹对比度降低。同时在傅里叶频谱变换的过程中，反演光谱信息时，通常对同一时间采样下全部视场的光程均按照d＝2l进行计算，也会造成各个光谱通道信号的漂移和串扰，导致光谱仪光谱分辨率降低和探测分辨率下降。上述过程可以称之为大视场、高分辨率干涉仪的干涉变迹效应。其制约了成像光谱仪的视场和光程差的提升。

综上所述，现有时间扫描型傅里叶干涉光谱仪通过改变干涉仪两路光的光程实现等干涉，从而产生等厚干涉，要求入射光为平行光(或近似平行光)。因此，通常情况下，高光谱分辨率傅里叶干涉光谱仪光学系统的数值孔径都会设计得很小，需要使入射光视场角足够小，能够近似平行光，以保证信号的调制度和光谱分辨率。但另一方面，对于微弱信号的探测以及较大视场的成像探测，常常又需要系统有足够大的数值孔径，以获取更多的能量和更大的视场角度，提高系统的探测信噪比和探测能力。

考虑到指标之间的制约关系，在傅里叶干涉光谱仪设计过程中，通常会根据应用需求对光谱分辨率和系统视场角进行优化设计。但随着应用需求的不断拓展，对光谱仪也提出了更高的性能指标要求，即要保证光谱仪光谱分辨率，同时还要保证仪器的通光量和信噪比。对于傅里叶干涉光谱仪而言，不仅需要增加系统的光程差，同时还需要提高系统的数值孔径。而光程差和数值孔径的增加会导致变迹效应更加严重，从而使系统的对比度和信噪比降低，严重制约高光谱分辨率时间调制干涉光谱仪及成像光谱仪的技术发展。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有高分辨率傅里叶干涉光谱仪随着光程差和数值孔径增加引起干涉条纹变迹，从而造成条纹对比度下降和光谱分辨率下降的问题。本发明提出自变迹补偿干涉仪模块、自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置及使用方法，突破了现有傅里叶干涉光谱仪设计过程中系统分辨率和系统数值孔径之间的制约问题。解决了大数值孔径、高光谱分辨率、高光谱信噪比的傅里叶干涉光谱仪的核心分光器件设计难题，为突破现有傅里叶干涉光谱仪的性能指标提供了新的设计方法。

本发明的发明构思如下：

通过在干涉仪的一路中放入可以连续动态控制光束传播方向的晶体或其他光学组件，可以在调节干涉仪动镜的同时，同步调节光束调节模块，控制边缘视场的光线传播，对干涉仪的变迹效应进行补偿，从而有效消除边缘视场带来的额外光程差。其中控制光束传播方向可通过改变晶体折射率实现，其典型的实现方式，主要是在干涉仪动镜所在的干涉臂中增加采用磁致折射率可调材料、电致折射率可调材料等构成的补偿平板。

本发明所采用的技术方案是：

一种自变迹补偿干涉仪模块，包括分束器、固定镜、移动镜、以及驱动机构，其特殊之处在于：

还包括光程补偿平板和光程补偿平板的零光程差等效补偿平板；

所述零光程差等效补偿平板和固定镜沿分束器的反射光路依次设置，光程补偿平板和移动镜沿分束器的透射光路依次设置，移动镜和固定镜用于对入射至其的入射光进行反射；

所述驱动机构与移动镜连接，用于驱动移动镜沿平行于入射至其的入射光路移动，从而改变光程差；

所述零光程差等效补偿平板和固定镜相互平行，光程补偿平板和移动镜相互平行，光程补偿平板和零光程差等效补偿平板的厚度相同，零光程差等效补偿平板折射率固定，光程补偿平板的折射率在零光程差位置，与零光程差等效补偿平板的折射率相同，在其余光程差位置，光程补偿平板的折射率随着光程差的改变而改变，光程补偿平板的折射率n与光程差的变化量δd满足以下关系：

n＝e/(e-δd)，其中，e为光程补偿平板的厚度。

进一步的，所述驱动机构包括电机以及直线导轨；

所述电机与直线导轨连接，移动镜安装在直线导轨上。

进一步的，所述固定镜为反射镜或角镜；

所述移动镜为反射镜或角镜。

进一步的，所述角镜为立方空心角镜或二面反射角镜。

进一步的，所述光程补偿平板为磁致可调折射率晶体平板或电致可调折射率晶体平板。

本发明还提出一种自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，其特殊之处在于：

包括激光器、激光反射镜、准直镜组、光路汇聚模块、权利要求1-5任一所述的自变迹补偿干涉仪模块、采集探测器以及激光探测器；

所述光路汇聚模块用于对入射的目标光路进行汇聚，并将汇聚后的目标光路出射到准直镜组，准直镜组用于对汇聚后的目标光路进行准直，并将准直后的目标光路出射到分束器；采集探测器设置在固定镜反射光路的透射光路上，用于采集入射到分束器的目标光路信号，并生成目标光路输入信号的干涉图；

所述激光器用于出射激光，激光反射镜设置在激光出射路径上，用于对出射的激光进行反射，改变激光传播路径，分束器设置在激光反射镜的出射光路上；激光探测器用于采集激光经过自变迹补偿干涉仪模块后，出射的激光信号，进行光程差变化量的标定。

进一步的，所述光路汇聚模块为透射式成像镜组或反射式成像镜。

进一步的，所述采集探测器为单元探测器、面阵探测器或线阵探测器；

所述激光探测器为单元探测器。

本发明还提出一种自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置的使用方法，其特殊之处在于，基于上述自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置；

包括以下步骤：

步骤1：打开激光器与驱动机构，并入射目标光路；

步骤2：激光探测器采集不同时刻激光器经过自变迹补偿干涉仪模块后的激光信号，并计算光程差的变化量；

步骤3：基于光程差的变化量，通过公式n＝e/(e-δd)计算光程补偿平板的当前折射率，并进行光程补偿平板折射率的调节；

步骤4：调节完成后，采集探测器采集通过光路汇聚模块入射的目标光路的信号；

步骤5：完成傅里叶干涉光谱装置的光程调控。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在移动镜与分束器之间设置折射率可变的光程补偿平板，在固定镜与分束器之间设置零光程差等效补偿平板，通过自变迹补偿干涉方法，实现了等干涉，消除了动态傅里叶干涉光谱仪中视场增加导致边缘视场产生的变迹效应，从而消除了干涉条纹变迹对干涉光谱仪光谱分辨率、干涉信号对比度和信噪比等的影响。

2、本发明能够解决高光谱分辨率傅里叶干涉光谱仪数值孔径受限的问题，极大的降低视场角增大引起的等倾干涉对干涉条纹的影响，消除干涉仪视场角带来的变迹效应。

3、本发明，消除了分辨率和系统数值孔径之间的制约关系，相比现有傅里叶干涉光谱仪，在同等数值孔径下，能够实现更大的光程差，从而实现更高的光谱分辨率，且不影响系统的干涉条纹对比度和信噪比；以及在光谱分辨率提升的同时，保证数值孔径不降低，甚至有所提高，且不影响干涉条纹对比度，为傅里叶干涉光谱仪的性能的大幅提升提供了设计和研制基础。

4、本发明所提出的补偿方法结构相对简单，且对整个装置的体积影响较小，有利于高分辨率傅里叶干涉光谱仪的小型化。

5、本发明中提出的方法，可拓展至其他结构的傅里叶干涉光谱仪中，如在转镜式傅里叶干涉光谱仪和摆镜式傅里叶干涉光谱仪中，通过该方法也能实现对边缘视场干涉光束的光程差的补偿。

附图说明

图1是本发明自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置实施例的结构示意图；

图2是本发明自变迹补偿干涉仪模块实施例的结构示意图；

图3是现有干涉仪的光程差示意图；

图4是本发明实施例的光程差示意图；

图5是本发明实施例中的激光出射路径示意图(包括激光器、分束器、固定镜、移动镜、零光程差等效补偿平板、光程补偿平板、激光探测器、激光反射镜)；

图6是本发明自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置实施例的结构示意图；

图中，1、光路汇聚模块；2、准直镜组；3、激光器；4、自变迹补偿干涉仪模块；41、分束器；411、第一平面；412、第二平面；42、固定镜；43、移动镜；44、驱动机构；45、零光程差等效补偿平板；46、光程补偿平板；5、采集探测器；6、激光探测器；7、激光反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提出一种自变迹补偿干涉仪模块，如图2所示，包括分束器41、固定镜42、移动镜43、驱动机构44、光程补偿平板46和光程补偿平板46的零光程差等效补偿平板45；驱动机构44与移动镜43连接，用于驱动移动镜43沿平行于其入射光路进行移动。

各部件之间的位置如下：

分束器41沿水平面45°倾斜设置，分束器41包括相对设置的第一平面411与第二平面412，第一平面411位于目标光路的入射光路上，用于对目标光路进行反射与折射，经过第一平面411折射的目标光路从第二平面412出射。

零光程差等效补偿平板45和固定镜42依次设置在第一平面411的反射光路上，光程补偿平板46和移动镜43依次设置在第二平面412的出射光路上，且零光程差等效补偿平板45和固定镜42相互平行，光程补偿平板46和移动镜43相互平行，固定镜42与移动镜43相互垂直，且与分束器41的夹角均为45°。

自变迹补偿干涉仪模块的光路为：入射到分束器41的第一平面411的光路分为两路，一路被第一平面411反射，经过零光程差等效补偿平板45后，垂直入射到固定镜42，并被固定镜42反射，经过零光程差等效补偿平板45后，入射到第一平面411，第一平面411对入射的光路再次进行反射后出射；另一路被第一平面411折射，从第二平面412出射，经过光程补偿平板46后，垂直入射到移动镜43，并被移动镜43垂直反射，再次经过光程补偿平板46后，入射到第二平面412，经过第二平面412折射后，从第一平面411出射。

在零光程差位置，零光程差等效补偿平板45的厚度和折射率与光程补偿平板46的厚度与折射率相同。

光程补偿平板46的折射率随着移动镜43移动距离的改变而改变，其具体关系为：定义：光程补偿平板46的折射率为n，随着移动镜43移动，光程差的变化量为δd，光程补偿平板46的厚度为e，则e、n和δd满足以下公式：

n＝e/(e-δd)；其中，厚度指代的是光程补偿平板46水平方向的尺寸。

对于现有干涉仪而言，其光程差如图3所示，其中，d表示光程，ω为边缘视场入射角度，则其产生的光程差d为d＝2lcosω，而中心视场产生的光程差为d＝2l，由于入射角度一定，随着光程差的增大边缘视场和中心视场光程差的差值也在增加。

为消除中心视场和边缘视场的光程差差异，本发明提出了如图4的光程补偿方法，当光程差d发生变化时，通过改变光程补偿平板46的折射率，使在光程补偿平板46中的光线发生偏转，保证不同光程差下同一入射光线在动镜反射镜上的反射位置一致，即当折射率n满足

时，能保证不同光程差下的输出光束的位置相同，其中，e表示光程补偿平板46在零光程差时的厚度，α表示光程补偿平板46的光路折射角，n表示光程补偿平板46的折射率，

此时产生的光程差为：

上式中将cos函数通过泰勒级数展开，展开后的高次项可忽略，最终得到的边缘视场的光程差近似为2nδd，可以看出最终边缘视场的产生的光程差不再受视场角的影响，并且和中心视场产生的光程差一致，从而消除了不同视场之间的光程差差异，突破了干涉仪设计过程中数值孔径和大光程差之间的制约关系，为进一步提高干涉光谱仪性能指标提供了设计及研制方法。

移动机构44一般采用电机以及直线导轨的方式，电机的动力输出段与直线导轨的动力输入端连接，驱动直线导轨的动力输出端移动，从而带动安装在直线导轨上的移动镜移动。

固定镜42为反射镜或立方空心角镜；移动镜43为反射镜。

光程补偿平板46为磁致可调折射率晶体平板或电致可调折射率晶体平板,通过控制器调整光程补偿平板46的折射率。

基于上述自变迹补偿干涉仪模块，本发明还提出一种自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，如图1与图5、以及图6所示，包括激光器3、激光反射镜7、准直镜组2、光路汇聚模块1、采集探测器5、激光探测器6以及上述提出的自变迹补偿干涉仪模块4；

各部件的设置位置及作用如下：

光路汇聚模块1、准直镜组2沿目标光束的入射方向依次设置，分束器41设置在准直镜组2的出射路径上，入射的目标光束经过光路汇聚模块1进行光路汇聚后，出射到准直镜组2进行准直，形成平行光束进入自变迹补偿干涉仪模块4的分束器41中；成像镜以及采集探测器5设置在固定镜42反射光路的透射光路上，用于采集入射到分束器41的目标光路信号，并生成目标光路输入信号的干涉图。

激光器3用于出射激光，用于自变迹补偿干涉仪模块的等光程采样，激光反射镜7设置在激光出射路径上，用于激光器出射的激光进行反射，激光探测器6用于采集激光经过自变迹补偿干涉仪模块4后，激光器3出射的激光通过自变迹补偿干涉仪模块后，形成正余弦干涉信号，激光探测器6采集正余弦干涉信号，通过正余弦干涉信号标定自变迹补偿干涉仪模块的光程变化，实现对自变迹补偿干涉仪模块光程变化的等光程采样。

第一平面411设置在激光反射镜7的出射路径上，激光器3出射的激光经过激光反射镜7反射后，入射到第一平面411，分为两路，一路被第一平面411折射后，从第二平面412出射，依次经过光程补偿平板46、移动镜43后，被移动镜43反射回第二平面412，经过第二平面412折射后，从第一平面411出射，一路被第一平面411反射，依次经过零光程差等效补偿平板45、固定镜42后，被固定镜42反射回第一平面411，经过第一平面411再次反射，从第一平面411出射；

或者第二平面412设置在激光反射镜7的出射路径上，且激光反射镜7的激光出射光路与移动镜43的入射光路不重合，激光器3出射的激光经过激光反射镜7反射后，入射到第二平面412，分为两路，一路被第二平面412折射后，从第一平面411出射，依次经过零光程差等效补偿平板45、固定镜42后，被固定镜42反射回第一平面411，经过第一平面411再次折射后，从第二平面412出射；一路被第二平面412反射，依次经过光程补偿平板46、移动镜43后，被移动镜43反射回第二平面412，经过第二平面412再次反射后，从第二平面412出射。

光路汇聚模块1为透射式成像镜组或反射式成像镜，反射式成像镜一般选用卡塞格林望远镜或R-C望远镜。

采集探测器5为单元探测器、面阵探测器或线阵探测器，探测器波长可以范围覆盖紫外、可见、红外等波段。

激光探测器6为单元探测器，具有较高的探测帧频。

基于上述自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，本发明还提出其使用方法，在其光程调控过程中，移动镜43移动的光程差通过激光器3进行标定，并反馈给光程补偿平板46的控制器，控制器通过n＝e/(e-δd)，对磁致可调折射率晶体板或者电致可调折射率晶体板的折射率n进行反馈调控，同时这一过程需要同步到信号采集探测器5，其调节顺序为：首先改变干涉仪的光程差，其次通过激光器3对光程差变化量进行监测，并将监测结果反馈给光程补偿平板46的控制器，进一步根据折射率和光程差变化量之间的对应关系，计算折射率n，并调节光程补偿平板46的折射率，进一步在折射率调节完成后，采集探测器5采集干涉信号；具体的，包括以下步骤：

步骤1：打开激光器3与驱动机构44，并入射目标光路；

步骤2：激光探测器6采集不同时刻激光器3经过自变迹补偿干涉仪模块4后的激光信号，并计算光程差的变化量；

步骤3：基于光程差的变化量，通过公式n＝e/(e-δd)计算光程补偿平板46的当前折射率，并进行光程补偿平板46折射率的调节；

步骤4：调节完成后，采集探测器5采集通过光路汇聚模块1入射的目标光路的信号，即通过对磁致可调折射率晶体板或者电致可调折射率晶体板的折射率n进行反馈调控，同时将这一过程需要同步到信号采集探测器5；

步骤5：完成傅里叶干涉光谱装置的光程调控。

Claims (9)

1.一种自变迹补偿干涉仪模块，包括分束器(41)、固定镜(42)、移动镜(43)、以及驱动机构(44)，其特征在于：

还包括光程补偿平板(46)和光程补偿平板(46)的零光程差等效补偿平板(45)；

所述零光程差等效补偿平板(45)和固定镜(42)沿分束器(41)的反射光路依次设置，光程补偿平板(46)和移动镜(43)沿分束器(41)的透射光路依次设置，移动镜(43)和固定镜(42)用于对入射至其的入射光进行反射；

所述驱动机构(44)与移动镜(43)连接，用于驱动移动镜(43)沿平行于入射至其的入射光路移动，从而改变光程差；

所述零光程差等效补偿平板(45)和固定镜(42)相互平行，光程补偿平板(46)和移动镜(43)相互平行，光程补偿平板(46)和零光程差等效补偿平板(45)的厚度相同，零光程差等效补偿平板(45)折射率固定，光程补偿平板(46)的折射率在零光程差位置，与零光程差等效补偿平板(45)的折射率相同，在其余光程差位置，光程补偿平板(46)的折射率随着光程差的改变而改变，光程补偿平板(46)的折射率n与光程差的变化量δd满足以下关系：

n＝e/(e-δd)，其中，e为光程补偿平板(46)的厚度。

2.根据权利要求1所述的自变迹补偿干涉仪模块，其特征在于：

所述驱动机构(44)包括电机以及直线导轨；

所述电机与直线导轨连接，移动镜(43)安装在直线导轨上。

3.根据权利要求2所述的自变迹补偿干涉仪模块，其特征在于：

所述固定镜(42)为反射镜或角镜；

所述移动镜(43)为反射镜或角镜。

4.根据权利要求3所述的自变迹补偿干涉仪模块，其特征在于：

所述角镜为立方空心角镜或二面反射角镜。

5.根据权利要求1-4任一所述的自变迹补偿干涉仪模块，其特征在于：

所述光程补偿平板(46)为磁致可调折射率晶体平板或电致可调折射率晶体平板。

6.一种自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，其特征在于：

包括激光器(3)、激光反射镜(7)、准直镜组(2)、光路汇聚模块(1)、权利要求1-5任一所述的自变迹补偿干涉仪模块(4)、采集探测器(5)以及激光探测器(6)；

所述光路汇聚模块(1)用于对入射的目标光路进行汇聚，并将汇聚后的目标光路出射到准直镜组(2)，准直镜组(2)用于对汇聚后的目标光路进行准直，并将准直后的目标光路出射到分束器(41)；采集探测器(5)设置在固定镜(42)反射光路的透射光路上，用于采集入射到分束器(41)的目标光路信号，并生成目标光路输入信号的干涉图；

所述激光器(3)用于出射激光，激光反射镜(7)设置在激光出射路径上，用于对出射的激光进行反射，改变激光传播路径，分束器(41)设置在激光反射镜(7)的出射光路上；激光探测器(6)用于采集激光经过自变迹补偿干涉仪模块(4)后，出射的激光信号，进行光程差变化量的标定。

7.根据权利要求6所述的自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，其特征在于：所述光路汇聚模块(1)为透射式成像镜组或反射式成像镜。

8.根据权利要求6或7所述的自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置，其特征在于：

所述采集探测器(5)为单元探测器、面阵探测器或线阵探测器；

所述激光探测器(6)为单元探测器。

9.一种自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置的使用方法，其特征在于，基于权利要求6-8任一所述的自变迹补偿傅里叶干涉光谱装置；

包括以下步骤：

步骤1：打开激光器(3)与驱动机构(44)，并入射目标光路；

步骤2：激光探测器(6)采集不同时刻激光器(3)经过自变迹补偿干涉仪模块(4)后的激光信号，并计算光程差的变化量；

步骤3：基于光程差的变化量，通过公式n＝e/(e-δd)计算光程补偿平板(46)的当前折射率，并进行光程补偿平板(46)折射率的调节；

步骤4：调节完成后，采集探测器(5)采集通过光路汇聚模块(1)入射的目标光路的信号；

步骤5：完成傅里叶干涉光谱装置的光程调控。

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