CN201897569U - 一种多光程干涉仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多光程干涉仪，包括依次设置于光的传播路线上的分束器、动臂组件和静臂组件，所述动臂组件和静臂组件设置于分束器的出射光路上；动臂组件包括角镜和折返镜组；所述折返镜组设置于所述角镜的出射光路上；本实用新型的干涉仪大大提高干涉仪的光谱分辨率，降低了对时间调制型干涉仪中动镜的控制驱动难度而且也降低了对时间调制型干涉仪中角镜的支撑系统设计难度，增加了设计方法的多样性。

Description

一种多光程干涉仪

技术领域

本实用新型属于光谱技术领域，涉及一种基于立方角镜的多光程干涉仪。

背景技术

光谱技术是获取物质结构和化学组成、物质元素含量测定以及研究原子能级等的重要手段，目前已经在工农业生产、科学研究、环境监测、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。光谱技术按照分光方式的不同可分为滤光片型、色散型、干涉型和计算层析型四种。其中滤光片型是指利用滤光片进行分光，按照分光的特点被称为第一代分光技术。它只能在单一或少数几个波长下测定物质的光谱，而且光谱分辨率低，波长稳定性和重复性较差，灵活性差。色散型是指利用分光棱镜、色散棱镜或衍射光栅进行分光，被称为第二代分光技术。它的原理简单，性能稳定，但是存在光能利用率低和光谱范围窄的天生局限。干涉型是指利用干涉分光原理，被称为第三代分光技术。它具有高通量、多通道和高光谱分辨率的优点，而且光谱范围宽、波长精度高且杂散光低。前三种光谱技术已有成熟的理论基础和广泛的工程应用，而计算层析型光谱技术主要处于实验室研究阶段，刚刚走向初步的工程应用，技术还不太成熟。因此，目前国际上干涉型光谱技术渐渐成为研究和应用的主流。

已出现的干涉型光谱技术主要有三种：一种是基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型(动态)；一种是基于横向剪切干涉仪的空间调制型(静态)；另一种是同样是基于横向剪切干涉仪的时空联合调制型(静态)。以这些技术为基础相继出现了多种干涉光谱仪，但是他们往往又各自存在缺陷。时间调制型干涉光谱仪通量高、信噪比高，特别是光谱分辨率可以依靠角镜的直线运动产生很大的光程差而做到很高，可远远超过目前任何其他种光谱探测技术，但是因为角镜运动中的速度和姿态控制对干涉仪的校准精度要求很高，因而光机稳定度较差；空间调制型稳定性高、实时性好、结构简单，但是光谱分辨率受探测器单元数和尺寸的限制而分辨率较低；时空联合调制型结构简单、稳定性高，探测灵敏度远远高于空间调制干涉光谱仪和色散型光谱仪，但对平台的稳定性要求很高，而且光谱分辨率同空间调制式相似而较低。因而，为了既保留干涉型光谱技术的优势，又可获取高光谱分辨率，人们对时间调制干涉光谱仪的研究一直兴趣未减。

但是传统的迈克尔逊干涉仪存在两个主要问题：①一般需辅助光路，结构复杂；②稳定性差，环境适应能力和抗干扰能力低。这是因为一方面在传统迈克尔逊直线型角镜干涉仪中，角镜为平面镜，在运动过程中如果发生倾斜，将严重影响干涉效率，甚至不能产生干涉；它对角镜运动的方向性要求也极其严格，故在直线型角镜干涉仪中需设置辅助光路，即利用激光对角镜运动的方向准确性、速度均匀性、位移量等进行实时精确监测和修正。但是这种辅助光路同时增大了仪器的结构复杂性和实施的难度。另一方面，因为对角镜匀速平稳运动且对倾斜晃动要求很高，所以干涉仪对角镜的控制要求有一套高精度的角镜驱动系统。但是在实际的工程研制过程中，实现高精度的角镜直线驱动和支撑系统仍然相当困难。另外，角镜直线往复运动对运动轨道的加工工艺依赖性较强，虽然激光辅助光路在很大程度上减少了外界环境如抖动或震动对测量效果的影响，但是这种影响只能减弱并不能完全消除，致使系统稳定性差，降低了此类光谱仪适应恶劣环境的能力和抗干扰能力。

针对时间调制型干涉光谱仪的动态稳定性问题人们提出了多种解决途径和方案。为避免平面镜运动过程中倾斜的问题，干涉仪中的角镜往往被其他抗倾斜的反射镜替代，如二面角镜(实心直角棱镜、屋脊棱镜或空心二面直角反射镜)、立方角镜(实心立方棱镜或空心三面直角平面镜)、猫眼镜等。如果将以上三种反射器分别同时替代迈克尔逊干涉仪的角镜和定镜时，尽管对倾斜都不敏感，但都会遇到反射器横移的问题。Carli等将一个屋脊棱镜作为角镜与另一个固定的屋脊棱镜组合，但角镜对横移和某一方向的倾斜都敏感。Murty首先认识到如果将立方角镜与平面反射镜组合一起，即将立方角镜作为角镜而将平面反射镜作为固定镜，则可以保证立方角镜运动过程中对倾斜和横移都不敏感。Murty提出的这种立方角镜干涉仪以及其他种立方角镜干涉仪后来在时间调制干涉光谱仪中被普遍采用，因为立方角镜的使用使得干涉仪所需的校准精度比采用平面镜时降低1个到2个数量级，同时干涉仪的光程由2程变为4程，使得干涉仪的光程差增大到原来的两倍，相应地角镜移动同样的位移使得干涉仪的光谱分辨率增大到两倍。因而这种方法也大大发展了该类型的光谱仪。但是到目前为止，由于多光程光学设计的复杂性，4倍程被认为是增加干涉仪光程数量的合理极限。利用单个立方角镜限于仅至多实现双倍程，即立方角镜位移量x，光程差变化4x，此时光谱分辨率提高到传统迈克尔逊干涉仪的约2倍，或者相当于在实现传统迈克尔逊干涉仪同等光谱分辨率的条件下测量时间和角镜位移量减小到约1/2；或者利用双立方角镜仅限于实现四倍程，即角镜位移量x，光程差变化8x，此时光谱分辨率提高到传统迈克尔逊干涉仪的约4倍，或者相当于在实现与传统迈克尔逊干涉仪同等光谱分辨率的条件下测量时间和角镜位移量减小到约1/4。角镜位移量的减小有利于对角镜实现精确的姿态和驱动控制，相反位移量的增大会相应地增加测量时间和位移，从而增大干涉仪角镜驱动和支撑系统的设计难度，对导轨的结构设计要求和工艺要求更加严格。

实用新型内容

为了解决现有技术的干涉仪存在光谱分辨率低、校准精度要求高以及检测稳定性差的问题，本实用新型提供了一种高通量、多通道、高光谱分辨率、杂散光低，以及校准精度相对低、测量时间短、易于工程实现的时间调制型干涉仪。

本实用新型所采用的技术方案是：一种多光程干涉仪，包括依次设置于光的传播路线上的分束器、动臂组件和静臂组件，所述动臂组件和静臂组件设置于分束器的出射光路上；其特征在于：所述动臂组件包括角镜和折返镜组；所述折返镜组设置于所述角镜的出射光路上。

上述角镜为一个或多个立方角镜；上述折返镜组包括多个反射器；所述反射器是第一反射器、第二反射器、第三反射器和/或平面反射镜。

上述第一反射器、第二反射器和第三反射器分别是二面角镜或立方角镜，也可以是猫眼镜。

上述干涉仪还可以包括接收辐射源光信号的前置光学系统、汇聚第一或第二干涉信号的会聚镜、设置于会聚镜透射光路上的用于接收第一或第二干涉信号的探测器以及用于处理探测器输出信号的计算机处理系统。

上述前置光学系统包括依次设置于光路上的会聚透镜、光阑和准直透镜。

本实用新型的多光程干涉仪，具有以下优点：

1、本实用新型的干涉仪突破了以往实际使用干涉光谱仪光程数量的极限。以往的多光程干涉仪中光路的形成受到光线视场角、光束口径、光机结构的设计和工艺要求以及探测器灵敏度等的限制，而使得四倍程(即8程，角镜位移量x，光程差变化8x；指是传统迈克尔逊干涉仪的四倍)成为实际干涉仪光程数的合理极限。而且该四倍程是依靠两个反射器运动实现的。本实用新型利用立方角镜干涉仪中的立方角镜和折返镜组的组合构型形成了光路3次或以上折叠，至少形成6程或12程，也因而至少是传统迈克尔逊干涉仪角镜的3倍或6倍程，即当因立方角镜位移量x时干涉仪的光程差变化6x或12x以上。若用两个立方角镜配以相应的固定反射镜组合，则光程数在6倍或12倍以上。而且此时立方角镜干涉仪中的其他光机器件和结构都几乎不需要做改变和调整，而光线视场角和口径也在实用的干涉仪设计范围内。

2、本实用新型可大大提高干涉仪的光谱分辨率。由于充分利用了立方角镜在反射面分区方面的光学特性，使得单个立方角镜的光路可折叠3次以上，产生的光程差也在传统迈克尔逊干涉仪的3倍以上，即当因立方角镜位移量x时干涉仪的光程差变化6x或12x以上。从而使得干涉仪的光谱分辨率比传统迈克尔逊干涉仪提高3倍或者6倍及以上，比过去的以相同个数立方角镜为动镜的立方角镜干涉仪的光谱分辨率提高1.5倍或者3倍及以上。

3、本实用新型降低了对时间调制型干涉仪中动镜的控制驱动难度。由于以往为了获取高光谱分辨率，必须将角镜的有效行程加到很长，即便在目前最高的四倍程情况下角镜的有效行程仍然超过0.5m，这对角镜的驱动控制精度提出了很高的要求，因而这也阻碍了角镜式干涉光谱仪的发展。而采用本方法的方案时，在获取相同光谱分辨率的条件下，角镜移动的有效行程则缩短为原来的1/3或者2/3，甚至以下。这就大大减小了对角镜直线运动过程中的姿态和速度均匀性控制的时间和工作量，也相应减小了外界环境干扰对干涉图可能造成的影响。

4、本实用新型降低了对时间调制型干涉仪中角镜的支撑系统设计难度，增加了设计方法的多样性。在获取相同光谱分辨率的条件下，角镜直线运动的行程相比过去都大有减少，从而降低了对支撑轨道的工艺要求和难度，而且使得有些只适应较短行程的支撑方法(如记忆合金、片簧、压电陶瓷等)可能开始应用于原先不适宜的场合，从而提高了角镜支撑系统设计的多样性，降低了设计难度。

5、本实用新型干涉仪获取干涉图的测量时间大大缩短，提高了测量的实时性，也提高了对运动目标探测的适应性。在获取相同光谱分辨率的条件下，由于角镜的行程变短，使得获取干涉图的时间缩短，从而使得干涉仪对慢速运动目标不敏感，提高了实时测量的效率。

6、本实用新型的干涉仪便于小型化和轻量化。由于在获取同等光谱分辨率条件下，角镜的行程变短，从而减小了角镜的支撑系统尺寸，而且干涉仪的新结构部分并不会较大程度上对干涉仪的结构、体积和重量造成影响，从而使得干涉仪的结构变得更加紧凑和稳定，十分便于小型化和轻量化。

7、本实用新型的干涉仪易于工程实现。因为一方面在干涉仪中保留了作为动镜的立方角镜，也即保留了立方角镜在降低干涉仪校准精度方面和增强干涉仪的抗干扰能力方面的优势；另一方面，干涉仪新结构部分是固定的，几乎不会降低干涉仪在这两个方面的性能，同时又几乎不会对干涉仪其他光机结构部件造成影响。这样，只需要对过去的立方角镜干涉仪做较小改动，就可以完成按本实用新型方法设计的干涉仪。而且因为同等分辨率条件下行程短，降低了对干涉仪中角镜的控制驱动和支撑系统的设计难度、增加了设计方法的多样性，使得按照本实用新型方法设计比过去时间调制型干涉仪更能适应恶劣环境，更适合航空、航天等环境。

附图说明

图1为本实用新型干涉仪的结构示意图；

图2为本实用新型的动臂工作原理图。

图中：1-角镜，2-折返镜组，3-静臂组件，4-分束器，5-前置光学系统，6-会聚镜，7-探测器，8-计算机处理系统，9-动臂组件，a-平面反射镜，b-第一反射器，c-第二反射器，d-准直透镜，e-光阑，f-会聚透镜。

具体实施方式

参见图1、图2，本实用新型所涉及的一种多光程干涉仪，其较佳实施方式为：

本实用新型的干涉仪包括依次设置于光的传播路线上的前置光学系统5、分束器4、静臂组件3、动臂组件9、会聚镜6和探测器7，其中动臂组件9是多光程组件，该多光程组件包括角镜1和折返镜组2；折返镜组2设置于角镜1的出射光路上。

前置光学系统5包括依次设置的会聚透镜f、光阑e和准直透镜d，目标光主要由会聚透镜f会聚，光阑e滤光限制会聚透镜f像面的形状，并防止杂散光，再由准直透镜d准直，使经过前置光学系统5的光变成平行光。前置光学系统5可采用折射、折反射和全反射等各种形式，其目的是使目标辐射转变为平行光线。若应用于激光光源或扩束后的激光光源，则此前置光学系统5可省去。

分束器4是将经准直后的平行光分成第一光线和第二光线；第一光线和第二光线的强度取决于分束器4的半透半反分光膜，例如金属膜或介质膜均可，可见、红外、紫外波段亦可，可以根据具体要求设计进行选择，只要能达到分束的目的即可。按照光线行进的方向，第一光线和第二光线分别达到干涉仪的静臂组件3和动臂组件9，或者动臂组件9和静臂组件3，即本实用新型的干涉仪可以设置有两个动臂组件9，两个动臂组件9分别设置于分束器4的透射光路和反射光路上也可以设置有一个动臂组件9和一个静臂组件3，其静臂组件3设置于分束器4的透射光路上，同时其动臂组件9设置于分束器4的反射光路上；也可以将动臂组件9和静臂组件3位置对调，即静臂组件3设置于分束器4的反射光路上，同时动臂组件9设置于分束器4的透射光路上。

静臂组件3反射经分束器4后的第一光线，使得光线被原路返回，再经分束器4后形成第一透射光线和第一反射光线，其中的第一反射光线经会聚镜6后到达探测器系统7；静臂组件3也可被其它反射、透射等组合形式替代，如特伦反射系统、或与动臂相同的光机结构等，其作用旨在反射入射光线，使入射的光线按原方向返回。

经分束器4后的第二光线达到动臂组件9，参见图2，其中动臂组件9包括角镜1和设置与角镜的出射光路上的折返镜组2，折返镜组2可以设置为合体式的，也可以设置为分体式，以方便光机设计和器件安装。角镜1是干涉仪中的唯一运动部件，根据不同干涉仪构型特征可以采用单个、两个立方角镜，或者多个立方角镜阵列形式，且可直线来回往复运动。折返镜组2是固定的，包括多个反射器，即反射器可以是第一反射器b、第二反射器c、第三反射器和/或平面反射镜a；第一反射器b和/或第二反射器c可以是二面角镜即实心直角棱镜、屋脊棱镜或空心二面直角反射镜等，也可以采用立方角镜即实心立方棱镜或空心三面直角平面镜等，或者还可以是猫眼镜等；第三反射器也可以采用立方角镜或者猫眼镜或者其他的可以使光线按照原方向返回的反射镜，根据应用环境设置其分部个数；各个反射器可以设置为分体式，也可以设置为合体式。按照图2所示的立方角镜分区结构和形成多光程的原理，光线在动臂组件9中形成往复多次反射，形成了12程光路。当立方角镜沿直线运动位移x时，干涉仪的光程差变为12x。折返镜组2中各反射器件的空间位置原则上除了要求入射到它们的光束能平行反方向出射，还要求它们不互相阻挡光束的传播。一般情况下，沿经分束后光束入射到动臂的方向，各反射器件的处于对称轴上的顶点与角镜的顶点重合。折返镜组2中各反射器件的空间摆放位置由经分束后光束入射到动臂的方向、角镜的中心对称轴和角镜的有效通光口径确定。最佳空间摆放位置原则上要求经分束后光束入射到动臂的方向与角镜的中心对称轴平行。折返镜组2中反射器数量、种类、空间位置的摆放和排列组合等可以有多种变化时。不过无论折返镜组2的形式如何变化，改变光线传播的方向和路径，使光线在立方角镜的各个分区范围内传播并折叠是其主要目的。

第二光线在动臂组件9中多次反射后沿原路返回，然后到达分束器4。分束器4又将该返回光线分为第二透射光线和第二反射光线。第二透射光线经会聚镜6后到达探测器系统7，第二反射光线经分束器4的反射返回原辐射光源处。

探测器7设置与会聚镜6的透射光路上，能够接收来自会聚镜6所汇聚的动臂组件9的第二透射光线与来自静臂组件3的第一反射光线汇聚产生的第一干涉信号或者由动臂组件9的第二反射光线与静臂组件3的第一透射光线汇聚产生的第二干涉信号。

本实用新型也可以增加计算机处理系统8，计算机处理系统8对探测器7获取的第一或第二干涉信号进行数据处理和分析，包括干涉图裸数据的预处理、误差修正、光谱响应度定标修正、辐射度定标修正，以及傅里叶变换等，完成光谱的复原过程，获取目标的光谱，或高分辨率光谱图像。

本实用新型的6程和12程光路形成的多光程干涉仪可以适用于在傅里叶变换光谱仪中，因为它的光线视场角、光束口径、光机结构的设计和工艺要求等在比较合理的设计范围内；6N程和12N程光路形成的多光程干涉仪的情况更适用于激光干涉仪、激光吸收光谱仪等中，因为此时激光光源使得干涉仪光机结构的设计几乎不受光线视场角、光束口径等的限制。

本实用新型的目的是为了提出一种高通量、多通道、高光谱分辨率、以及校准精度相对低、测量时间短、易于工程实现的干涉仪原理，其核心思想是基于立方角镜的分区方法，其突出特征应该是“校准精度低”和“高光谱分辨率”条件的同时满足，而非某种具体的形式。适用于红外、可见或紫外等谱段。

基于此原理可派生出其他形式的干涉仪。如增减其中的某些器件，如取消前置光学系统可减小仪器的体积、重量；在光路中加入偏振器件，则可形成多光程的偏振光谱仪及偏振光谱成像仪；改变图1中立方角镜作为角镜的功能，将其固定起来，则可形成激光吸收光谱仪。

Claims (5)

1.一种多光程干涉仪，包括依次设置于光的传播路线上的分束器、动臂组件和静臂组件，所述动臂组件和静臂组件设置于分束器的出射光路上；其特征在于：所述动臂组件包括角镜和折返镜组；所述折返镜组设置于所述角镜的出射光路上。

2.根据权利要求1所述的多光程干涉仪，其特征在于：所述角镜为一个或多个立方角镜；所述折返镜组包括多个反射器；所述反射器是第一反射器、第二反射器以及第三反射器和/或平面反射镜。

3.根据权利要求2所述的多光程干涉仪，其特征在于：所述第一反射器、第二反射器和第三反射器分别是二面角镜或立方角镜或猫眼镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的多光程干涉仪，其特征在于：所述干涉仪还包括接收辐射源光信号的前置光学系统、汇聚第一或第二干涉信号的会聚镜、设置于会聚镜透射光路上的用于接收第一或第二干涉信号的探测器以及用于处理探测器输出信号的计算机处理系统。

5.根据权利要求4所述的多光程干涉仪，其特征在于：所述前置光学系统包括依次设置于光路上的会聚透镜、光阑和准直透镜。

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