CN104034422B - 高稳定性转镜干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性转镜干涉仪包括第一分束器、第二分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、连接机构以及倾斜反射镜：第一分束器的分束膜与第一平面反射镜平行；第二平面反射镜与第三平面反射镜平行设置构成平行反射镜组，平行反射镜组固定连接转轴；平行反射镜组与连接机构固定设置，且第一分束器以及第一平面反射镜与连接机构固定设置；倾斜反射镜具有倾角，平行反射镜组的出射光垂直入射倾斜反射镜。采用一对平行平面镜保证了入射光线和出射光线平行，第一平面反射镜和平面镜组的旋转保证了系统自稳定性和减少了探测时间，系统结构简单，降低了加工装调难度和生产成本的。

Description

高稳定性转镜干涉仪

技术领域

本发明涉及光谱探测与成像技术领域，尤其涉及一种高稳定性时间调制型双光束干涉仪。

背景技术

傅里叶变换红外光谱仪(FourierTransformInfraredSpectrometer，FTIR)是利用光的干涉实现对目标的光谱进行测量的仪器，具有多通道、高通量、高信噪比、高精确度等一系列优点，在工农业生产、科学研究、环境监测、食品安全、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。

干涉仪是FTIR的核心部件，干涉仪的性能决定了仪器测量结果的优劣。目前FTIR的干涉仪通常都是基于迈克尔逊干涉仪及其变形结构，其结构通常由分束器、动镜和定镜三部分构成，动镜和定镜通常采用平面镜或立方体反射镜，通过动镜运动探测不同光程差的干涉数据。动镜的运动方式主要有两种，一种是直线运动，一种是转动运动。

对于动镜直线运动的干涉仪，最直接和简洁的方案是采用平面动镜，至今仍是一些国际著名厂商的核心专利技术，如美国Nicolet公司的Vectra专利。但其对动镜的运动精度要求非常严格，对材料、设计都有很高的要求。运动过程需要设置辅助光路，利用激光对动镜运动的方向准直性、速度均匀性、位移量等进行实时精确监测和修正；另外，因为动镜的倾斜晃动对测量精度影响很大，就需要一套高精度的控制系统使动镜匀速平稳运动，但是这在实际中实现起来仍然比较困难且成本较高；再次，动镜直线往复运动对运动轨道的加工工艺依赖性较强，且易受抖动或震动等外界环境的干扰。这些原因都导致干涉仪结构复杂，系统稳定性差，抗干扰能力低。

为了克服平面动镜运动精度要求太高的困难，出现了不少采用角反射体动镜直线运动的干涉仪方案，大大降低了对动镜轴承和运动检测系统的要求，但由于动镜直线运动的往复特点，导致光谱探测速率较低。

在此基础上，人们提出采用转动或摆动形式的干涉仪方案，并形成了诸多专利技术，其中德国Bruker公司引以为荣的基于两个角反射体摆动的Rocksolid专利，已经产品化；美国PerkinElmer公司的基于双平行反射镜摆动的Dynascan专利，克服了干涉仪动镜运动过程中的高精度要求，实现了很高的稳定性。但由于摆动依然是往复运动，探测速度还是比较低。

另一方面，从航天遥感角度看，无论是直线往复运动还是摆动，都无法避免加速减速的过程，其对卫星平台的扰动难以克服。

国际上也有人提出基于匀速旋转反射镜的干涉仪，克服了往复运动的不足。但是这种干涉仪一般需要转镜和多个定镜组成，结构较为复杂，增大了设计研制难度，对便携性也有一定影响。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种高稳定性转镜干涉仪，提高稳定性、简化结构，同时，克服往复运动的加速减速过程，使之能够适应高速探测、航天遥感等更广阔的应用领域。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高稳定性转镜干涉仪，包括第一分束器、第二分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、连接机构以及倾斜反射镜：

所述第一平面反射镜与所述第一分束器的分束膜平行；

所述第二平面反射镜与所述第三平面反射镜平行设置构成平行反射镜组，所述平行反射镜组固定连接转轴；

所述平行反射镜组与所述连接机构固定设置，且所述第一分束器以及所述第一平面反射镜与所述连接机构固定设置；

所述倾斜反射镜具有倾角；

进入所述第二分束器的光束经分光后得到的反射光到达所述第一分束器；

进入所述第一分束器的光束经分光后，一路反射到达所述第一平面反射镜得到第一反射光束，另一路透射到达所述平行反射镜组得到第一透射光束；

所述第一透射光束经过所述平行反射镜组后垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述第一分束器透射后得到第二透射光束；

第一反射光束经所述第一平面反射镜反射后垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述第一分束器反射后得到第二反射光束；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经互相干涉。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，采用平行反射镜组和第一平面反射镜保证了垂直入射到倾斜射镜组的光束沿原光路返回，转轴带动平行反射镜组和第一平面反射镜旋转引起系统光程周期性改变，同时也保证了系统的自稳定性和减少了测量时间。

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为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪构成示意图。

图2为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪转动机构示意图。

图3为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪中反射镜组法线与入射光线转动示意图。

图4为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪光路示意图。

图5为本发明实施例高稳定性转镜干涉仪的应用流程示意图。

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。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1所示，本发明实施例提供一种高稳定性转镜干涉仪，包括第一分束器11、第二分束器12、第一平面反射镜13、第二平面反射镜14、第三平面反射镜15、连接机构16以及倾斜反射镜17：

第一分束器11的分束膜111与第一平面反射镜13平行；

第二平面反射镜14与第三平面反射镜15平行设置构成平行反射镜组140，平行反射镜组140固定连接转轴18；

平行反射镜组140与连接机构16固定设置，且第一分束器11以及第一平面反射镜13与连接机构16固定设置；

倾斜反射镜17具有倾角，平行反射镜组140的出射光垂直入射倾斜反射镜17，第一平面反射镜13出射光垂直入射倾斜反射镜17；

进入第二分束器12的光束经分光后得到的反射光到达第一分束器11；

进入第一分束器11的光束经分光后，一路反射到达第一平面反射镜13得到第一反射光束，另一路透射到达平行反射镜组140得到第一透射光束；

第一透射光束经过行平行反射镜组140后垂直入射到倾斜反射镜17，经倾斜反射镜17反射后沿原光路返回，再次通过第一分束器11透射后得到第二透射光束；

第一反射光束经第一平面反射镜13反射后垂直入射到倾斜反射镜17，经倾斜反射镜17反射后沿原光路返回，再次通过第一分束器11反射后得到第二反射光束；

第二反射光线与第二透射光线互相干涉。

如图1所示，为了便于理解，示意出光源10。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例高稳定性转镜干涉仪是一种高稳定性时间调制型双光束干涉仪，其采用平行反射镜组和第一平面反射镜保证了垂直入射到倾斜射镜组的光束沿原光路返回，转轴带动平行反射镜组和第一平面反射镜旋转引起系统光程周期性改变，同时也保证了系统的自稳定性和减少了测量时间。

具体而言，平行反射镜组固定连接转轴的方式，可以为：

第二平面反射镜与第三平面反射镜通过第一连接杆固定连接，第三平面反射镜与转轴固定连接。

连接杆可以为1条或多条。

或者，第二平面反射镜通过第二连接杆与转轴固定连接，第三平面反射镜与转轴固定连接。

可见，在转轴转动过程中，第二平面反射镜和第三平面反射镜式始终保持平行。本领域技术人员可以理解，旋转反射镜组固定连接转轴的方式不受上述示例性限制，任何其他可实现方式具在保护范围内。

如图2所示，本发明实施例高稳定性转镜干涉仪中，倾斜反射镜可以包括反射平面(AB所示平面)和水平面(AC所示平面)，倾斜反射镜的倾角θ为反射斜面与水平面之间的夹角，反射平面为平面反射镜面。

或者，倾斜反射镜为倾斜设置的平面反射镜，倾斜反射镜的倾角θ为倾斜反射镜倾斜设置时与水平面之间的夹角。

也就是，倾斜反射镜可以是以倾角θ倾斜设置的平面反射镜，或者，倾斜反射镜为楔形，其反射平面和水平面为倾角θ。倾斜反射镜的设置方式，配合平行反射镜组实现平行反射镜组的出射光入射倾斜反射镜。

仍如图1所示，本发明实施例高稳定性转镜干涉仪，还可以包括第一探测器19和第二探测器110：

进入第二分束器12的光束经分光后得到的透射光到达第一探测器19；

第二反射光线与第二透射光线经第一分束器透射后到达第二探测器110互相干涉。随着转轴的匀速转动，第二探测器接收到不同光程差时的干涉强度，形成时间序列排列的干涉图。

其中，透射光到达第一探测器19，用以标定光源强度的稳定性，当光源强度不稳定时可以用来修正干涉结果，提高测量精度。

本领域技术人员可以参考现有技术理解探测器，在此不作赘述。

本发明实施例高稳定性转镜干涉仪，述第一分束器为分束镜或分光棱镜，第二分束器为分束镜或分光棱镜。本领域技术人员可以参考现有技术理解分束镜和分光棱镜，在此不作赘述。

本发明实施例高稳定性转镜干涉仪，连接机构可以为连接杆或者框架，本领域技术人员可以理解连接机构可以固定平行反射镜组、第一分束器以及第一平面反射镜，还要避免影响光路。

如图2所示，本发明实施例高稳定性转镜干涉仪，转轴竖直设置，转轴一端穿过倾斜反射镜，如根据第三平面反射镜与其法线(虚线所示)的交点位置，转轴一端在位置与第三平面反射镜固定连接。转轴的另一端连接电机，电机输出匀速转速。转轴转动时要保证经过平反射镜组和第一平面反射镜的光束均与倾斜反射镜垂直。

可见，第一平面反射镜、第一分束器、平行反射镜组三者固连在一起，电机驱动转轴旋转，带动固连在一起的上述三者进行匀速转动。

如图2、3所示，首先考虑经过平行反射镜组的光束：

设倾斜反射镜倾斜面的倾角为θ，转轴转速为ω，一个转动周期内任意时刻t，平行反射镜组法线与转轴的夹角为α，穿过平行反射镜组内部光束与平行反射镜组法线夹角为β。

穿过平行反射镜组内部光束分别与平行反射镜组交于O、O′两点，过平行反射镜组与转轴交点O做平行于面AB的辅助平面l与光束O′G交于D点，令：

L₁＝OO′；L₂＝O′D；

平行反射镜组之间的垂直距离为h。

由三角关系可得：

L₁＝h/cosβ公式(1)

L₂＝L₁cos(2β)公式(2)

所以：

$L\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{L}_1+L_2={2L}_1{\cos }^2\mathrm{\β}=2h\cos \mathrm{\β}$ 公式(3)

推导公式(1)中cosβ的表达式：

平行反射镜组的法线绕转轴旋转，其几何关系如图3所示，OH相当于转轴，EO为法线，FO相当于分束器和平行反射镜组之间的光束，∠EHF＝ωt。令：HE＝R₁，HF＝R₂，EO＝a，FO＝b，FE＝c。为方便推导，再令OH＝1。

则由三角关系，有：

a＝1/cosα公式(4)

b＝1/cosθ公式(5)

R₁＝tanα公式(6)

R₂＝tanθ公式(7)

$c^2=R_1^2+R_2^2-2R_1{R}_{2}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)$ 公式(8)

c²＝a²+b²-2abcosβ公式(9)

联立公式(4)—(9)，可得：

cosβ＝cosαcosθ+sinαsinθcos(ωt)公式(10)

推导出L的表达式

由公式(3)和(10)，可得

L＝2h[cosαcosθ+sinαsinθcos(ωt)]公式(11)

接着，对于经过第一平面反射镜光束：

如图4所示，过光束MH与第一平面反射镜41的交点H做平行于l的平面m，令第一平面反射镜41的法线与转轴的夹角为α′、第一平面反射镜41与第一分束器42的分束膜间421的垂直距离为h′。

由于第一平面反射镜41和第一分束器42的分束膜421平行，同理，可以根据以上推导得到：

L′＝MH+NH＝2h′(cosα′cosθ+sinα′sinθcos(π-ωt))公式(12)

所以，根据几何关系，整个系统的光程差为：

ΔL^total＝L-L′＝4(hcosα-h′cosα′)cosθ+

4(hsinα+h′sinα′)sinθcos(ωy)公式(13)

其中，h表示第二平面反射镜43与第三平面反射镜44之间的垂直距离，α表示平行反射镜组的法线与转轴45的夹角，h′表示第一平面反射镜41与第一分束器42的分束膜421间的垂直距离，α′表示第一平面反射镜41的法线与转轴45的夹角、θ表示倾斜反射镜46的倾角。

由公式(13)可知，系统光程差与转轴转速ω和距离量h、h′有关。只要能够准确测得转轴的转速，就可达到精确测量的目的。

所述转轴转速ω的大小可以根据使用需求设计，其主要取决于探测器采样速率、入射辐射特性和灵敏度，在此不做赘述。获得相位ωt的方式，可以为通过激光标定实现，具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。

另外，还可以通过改变平行反射镜组之间的垂直距离h和第一平面反射镜与第一分束器的分束膜间的垂直距离h′来改变干涉仪的分辨率。

如图5所示，本发明干涉仪实现干涉的具体实施步骤为：

51、光源辐射光经过准直后转变为平行光，经第二分束器分光，同时电机驱动转轴带动平行反射镜组匀速转动；

52、第二分束器分得的透射光由第一探测器接收，用以标定光源的稳定性，经第二分束器分得的反射光射向第一分束器；

53、由于平行反射镜组、第一平面反射镜、第一分束器通过连接机构固连在一起，因此，第一平面反射镜、第一分束器、平行反射镜组三者将一起匀速转动；

54、入射到第一分束器的光束通过第一分束器分光，一路反射到达第一平面反射镜称为第一反射光束，另一路透射到平行反射镜组称为第一透射光束；

55、第一透射光束经过平行反射镜组后，垂直入射到倾斜反射镜斜面上；

56、入射到倾斜反射镜的倾斜平面上的光束经反射后沿原光路返回，再次通过第一分束器透射后得到第二透射光束；

57、第一反射光束经第一平面反射镜反射后垂直入射到倾斜反射镜的倾斜平面上；

58、入射到倾斜反射镜倾斜平面上的光束经反射后沿原光路返回，再次通过第一分束器反射后得到第二反射光束；

59、第二透射光束和第二反射光束形成干涉，经第二分束器透射后，由第二探测器得到干涉信号。

本发明实施例的高稳定性转镜干涉仪：

将第一平面反射镜、第一分束器、平行反射镜组三者固连在一起旋转，克服了动镜直线运动式干涉仪受运动误差影响大缺点，提高了光谱仪的测量精度，具有较强的抗干扰能力；

只要使平行反射镜组和第一平面反射镜射向倾斜反射镜的两条光束均垂直射向倾斜平面，即可使由光源发出经分束器分得的两光束原路返回，与动镜直线运动式干涉仪相比，不再需要设置辅助光路对动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，精简了系统结构的同时也提高了系统的稳定性；

通过准确测得转轴的转速，即可实现高精度的测量，且由于相对动镜直线运动式干涉仪的平动来说，转动速度较快，能够实现更快速的测量，减少了测量时间；

与动镜直线运动式干涉仪通过精密导轨控制动镜运动相比，使用匀速电机对干涉仪进行转动控制相对容易，降低了系统的加工难度；

采用探测器对光源强度的稳定性进行标定，修正干涉数据的误差，提高了测量精度；

仅通过3片平面反射镜和一片倾斜反射镜以及一个匀速电机就实现了高精度的干涉，与目前的动镜转动式干涉仪相比，稳定性更高，系统结构简单，降低了加工装调难度和生产成本。

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。

Claims (9)

1.一种高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，包括第一分束器、第二分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、连接机构以及倾斜反射镜：

所述第一平面反射镜与所述第一分束器的分束膜平行；

所述第二平面反射镜与所述第三平面反射镜平行设置构成平行反射镜组，所述平行反射镜组固定连接转轴；其中，所述转轴竖直设置，所述转轴一端穿过倾斜反射镜，另一端连接电机，所述电机输出匀速转速；转轴匀速转动，带动平行反射镜组与第二分束器也匀速旋转；

所述平行反射镜组与所述连接机构固定设置，且所述第一分束器以及所述第一平面反射镜与所述连接机构固定设置；

所述倾斜反射镜具有倾角；

进入所述第二分束器的光束经分光后得到的反射光到达所述第一分束器；

进入所述第一分束器的光束经分光后，一路反射到达所述第一平面反射镜得到第一反射光束，另一路透射到达所述平行反射镜组得到第一透射光束；

所述第一透射光束经过所述平行反射镜组后垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述第一分束器透射后得到第二透射光束；

第一反射光束经所述第一平面反射镜反射后垂直入射到所述倾斜反射镜，经所述倾斜反射镜反射后沿原光路返回，再次通过所述第一分束器反射后得到第二反射光束；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经互相干涉。

2.根据权利要求1所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴转速为ω，一个转动周期内任意时刻t，光程差ΔL_total为：

ΔL_total＝4(hcosα-h′cosα′)cosθ+4(hsinα+h′sinα′)sinθcos(ωt)

其中，h表示所述第二平面反射镜与所述第三平面反射镜之间的垂直距离，α表示所述平行反射镜组的法线与所述转轴的夹角，h′表示所述第一平面反射镜与所述第一分束器的分束膜间的垂直距离，α′表示所述第一平面反射镜的法线与所述转轴的夹角，θ表示所述倾斜反射镜的倾角。

3.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述倾斜反射镜包括反射平面和水平面，所述倾斜反射镜的倾角为所述反射斜面与所述水平面之间的夹角，所述反射平面为平面反射镜面；

或者，所述倾斜反射镜为倾斜设置的平面反射镜，所述倾斜反射镜的倾角为所述倾斜反射镜倾斜设置时与水平面之间的夹角。

4.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述第二平面反射镜与所述第三平面反射镜通过第一连接杆固定连接，所述第三平面反射镜与所述转轴固定连接；

或者，所述第二平面反射镜通过第二连接杆与所述转轴固定连接，所述第三平面反射镜与所述转轴固定连接。

5.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述的高稳定性转镜干涉仪还包括第一探测器和第二探测器：

进入所述第二分束器的光束经分光后得到的透射光到达所述第一探测器，用以标定光源强度的稳定性对干涉结果进行修正，提高测量精度；

所述第二反射光线与所述第二透射光线经所述第一分束器透射后到达第二探测器互相干涉。

6.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述连接机构为连接框架。

7.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴竖直设置，所述转轴一端穿过所述倾斜反射镜。

8.根据权利要求7所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述转轴的另一端连接电机，所述电机输出匀速转速。

9.根据权利要求1或2所述的高稳定性转镜干涉仪，其特征在于，所述第一分束器为分束镜或分光棱镜，所述第二分束器为分束镜或分光棱镜。