CN106500591B - 一种集成式多波段迈克尔逊干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种集成式多波段迈克尔逊干涉仪。包括光电探测器、光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器和信号处理单元，所述光电探测器为8波段光电探测器，所述的光源为宽谱光源，宽谱光源输出多波段连续的光波，每一个波段的光波经过迈克尔逊干涉仪均形成一组白光干涉图样，通过各自独立的8波段光电探测器和信号处理单元同时实现8个波段白光干涉信号各自独立的探测。本发明利用宽谱光源、分光棱镜及其调整系统、多波段光电探测器构造了多波段迈克尔逊干涉仪的集成技术方案。可用于透明介质的折射、色散等光学特性的测量，特别适合于透明液体的测量与鉴别。

Description

一种集成式多波段迈克尔逊干涉仪

技术领域

本发明涉及的是一种集成式多波段迈克尔逊干涉仪。

背景技术

公知的迈克尔逊干涉仪是由美国实验物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。

利用公知的迈克尔逊干涉仪原理，研究人员研制出多种专用干涉仪。其中，基于白光的迈克尔逊干涉仪，能够利用宽光谱、相干长度很短的低相干光源，利用干涉产生的干涉条纹对光程、光学色散等参量进行绝对测量，具有抗干扰能力强、结构简单，成本低廉等优点。

公知的白光迈克尔逊干涉仪的光源一般为单色光，与此相关的主要技术，如光程匹配、信号调制与解调等，已经成熟。基于公知的迈克尔逊干涉仪所设计的各类传感器，在对单一目标的测量时，具有高精度、高灵敏特性。

但是，在传感器功能集成化、智能化、网络化的技术背景下，传统的、公知的迈克尔逊干涉仪，由于测量目标单一，其应用受到限制。在工程实际中，利用一套传感系统对多目标进行同时测量，或者是同一测量目标进行多个波段的测量，是获得更丰富的信息和对被测量对象进行综合评价的重要技术手段。由于公知的白光迈克尔逊干涉仪通常采用单色光源，对介质折射、色散特性测量时，一次测量只能获得一组特定波长的折射率。而在生产实际中，对一些掺杂透明介质的折射率、色散特性的获取需要获得更丰富的测量信息才能得到准确的测量结果，这是单色光迈克尔逊干涉仪通过一次测量所不能完成的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现对被探测物质的折射、色散等光学特性的多维评价的集成式多波段迈克尔逊干涉仪。

本发明的目的是这样实现的：包括光电探测器、光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器和信号处理单元，所述光电探测器为8波段光电探测器，所述的光源为宽谱光源，8波段光电探测器、宽谱光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器和信号处理单元集成在同一块光路基板上构成8个工作于不同波段的迈克尔逊干涉仪，宽谱光源输出多波段连续的光波，每一个波段的光波经过迈克尔逊干涉仪均形成一组白光干涉图样，通过各自独立的8波段光电探测器和信号处理单元同时实现8个波段白光干涉信号各自独立的探测。

本发明还可以包括：

1、所述分光棱镜及其调整系统是由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架组成，所述固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形，在固定底座角度调整架的俯视面开有4个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于调整架各个边面的对称中心，在固定底座角度调整架的前后立面上分别开有2个贯穿的丝孔，同一立面上的两个丝孔对称分布于该立面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个立面上的丝孔共线。

2、所述分光棱镜固定底座俯视面为正方形，俯视面的正中心开有一个沉头贯穿小孔；分光棱镜与分光棱镜固定底座安装在一起，棱镜的俯视投影面中心位于分光棱镜固定底座俯视面的正中心，并且棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。

3、还包括控制进入分光棱镜及其调整系统的各个波段光波的偏振态的起偏器，还包括使进入8波段光电探测器的多波段光波处于完全相同的偏振态的检偏器。

本发明提供了一种利用宽谱光源、分光棱镜及其调整系统、多波段光电探测器构造的多波段迈克尔逊干涉仪的集成技术方案，其目的是为了克服已有技术中单一波段迈克尔逊干涉仪带来的测量目标单一而不能综合评价被探测目标性质等问题。

本发明的主要特点体现在：

1、将8个工作于不同波段的迈克尔逊干涉仪集成在同一块光路基板上，它由8波段光电探测器、光路基板、宽谱光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、起偏器、检偏器、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器、信号处理单元组成。

这种做法的益处在于：宽谱光源中每一个特定波段的光源，都将与光路基板上的准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、起偏器、检偏器、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器，以及8波段光电探测器中用于检测前述特定波段光源所发射光波的探测单元，构成一个迈克尔逊干涉仪。

这种做法的益处还在于：将8波段光电探测器、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、起偏器、检偏器、比色皿及其固定系统、光程补偿器全部安装在同一块光路基板上，不仅在技术上实现了8个不同波段迈克尔逊干涉仪的集成，还增加了系统的整体稳定性。

2、宽谱光源输出多波段连续的光波，每一个波段的光波经过迈克尔逊干涉仪，均形成一组白光干涉图样，通过各自独立的8波段光电探测器和信号处理单元，同时实现8个波段白光干涉信号各自独立的探测。

这种做法的益处在于：由于8波段光电探测器能够实现每一个波段的单独探测开启或几个波段的探测同时开启，可以根据技术测量需要和测量目标的属性，通过信号处理单元，对8波段光电探测器的工作模式进行优化设计。

由于8个波段的白光均位于可见光波段，这使得宽谱光源易于获取，普通的卤素灯、自然光都可以用来作为工作光源。

3、分光棱镜及其调整系统是由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架3部分组成的。

固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形；在这一固定底座角度调整架的俯视面开有4个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于调整架各个边面的对称中心；在这一固定底座角度调整架的前视面和后视面，分别开有两个贯穿的丝孔，同一视面上的两个丝孔对称分布于该视面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个视面上的丝孔共线。

在前述的固定底座角度调整架的俯视面，开有4个贯穿的小孔，其作用在于将此调整架固定在光路基板上。在固定底座角度调整架上所开的4个贯穿丝孔中，分别旋进顶丝后，每个顶丝支顶在分光棱镜及其调整系统固定底座的相应侧立面。这样，当旋进或旋出顶丝，可以控制并最终固定分光棱镜及分光棱镜固定底座所构成的整体，从而实现分光棱镜的角度调整。

分光棱镜及其调整系统中，分光棱镜固定底座俯视面为正方形，俯视面的正中心开有一个沉头贯穿小孔；分光棱镜与分光棱镜固定底座安装在一起，棱镜的俯视投影面中心位于分光棱镜固定底座俯视面的正中心，并且棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。

在分光棱镜固定底座的中心开有一个沉头贯穿小孔，其益处在于：由于白光迈克尔逊干涉仪对光程匹配要求苛刻，角度对光程匹配具有直接影响，将分光棱镜安装在分光棱镜固定底座上，则分光棱镜及分光棱镜固定底座所构成的整体，可通过沉头小孔安装在光路基板上，这样这个整体可以以沉头小孔为中心在平面内转动，即可以为分光棱镜的角度调整提供方便。

本发明的集成式多波段迈克尔逊干涉仪，可用于各种透明介质和材料的光学特性、色散特性的测量。特别适合于透明液体，如：酒类、糖类饮品；各种食用植物油；各种透明医用注射药液等的测量与鉴别。

与在先技术相比，本发明是通过采用宽谱光源、多波段光电探测器的技术手段，实现至少将8个波段的白光迈克尔逊干涉仪集成在同一块光路基板上，制造出的一种集成式多波段迈克尔逊干涉系统。此干涉仪可用于观测物质的折射率、色散特性。由于此干涉仪可工作于自然光中的8个波段，故而对同一种物质的观测可同时获得8种特征图谱。综合分析这些图谱，可以对被探测物质的折射、色散特性进行多维评价，从而提高对物质的光学特性探测和特征鉴别的准确性。

附图说明

图1是多波段集成式迈克尔逊干涉仪系统立体结构示意图。

图2是本发明所述的多波段集成式迈克尔逊干涉仪结构平面展开示意图。

图3是分光棱镜及其调整系统的俯视示意图。

图4是分光棱镜及其调整系统前视(或后视)示意图。

图5是分光棱镜固定底座的前视示意图。

图6是移动反射镜系统的结构示意图。

图7是利用卤素灯作为多波段光源的实施例示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1和2，本发明的多波段集成式迈克尔逊干涉仪系统由8波段光电探测器1、宽谱光源3、准直器4、分光棱镜及其调整系统5、固定反射镜6、起偏器7、检偏器8、比色皿及其固定系统9、移动反射镜系统10、光程补偿器11、信号处理单元12组成。安装在同一光路基板2上。

结合图3，分光棱镜及其调整系统5由分光棱镜13、分光棱镜固定底座14、固定底座角度调整架15、顶丝16、顶丝17、顶丝18、顶丝19组成；在固定底座角度调整架15上开有贯穿小孔，分别为贯穿小孔20、贯穿小孔21、贯穿小孔22、贯穿小孔23。

结合图4，分光棱镜及其调整系统5由分光棱镜13、分光棱镜固定底座14、固定底座角度调整架15组成。在固定底座角度调整架15的前视面开有贯穿丝孔24、25；在后视面开有贯穿丝孔26、27。贯穿丝孔24、26的前视(或后视)投影面是重合的；贯穿丝孔25、27的前视(或后视)投影面是重合的。

结合图5，在分光棱镜固定底座14的正中心开有沉头贯穿小孔28。

结合图6，移动反射镜系统10是由微米级位移扫描台29、微米级位移扫描台控制单元30、反射镜31组成。

结合图7，利用卤素灯作为多波段光源的实施例中，选用了卤素灯作为包括了全部8个探测波段的宽谱光源。这一实施例的组成包括：8个波段的光电探测器1、光路基板2、卤素灯3、准直系统4、分光棱镜及其调整系统5、固定反射镜系统6、起偏器7、检偏器8、比色皿及其固定系统9、移动反射镜系统10、光程补偿器11、信号处理单元12。

是本发明用来获得某种透明液体折射、色散特性的一个技术方案。根据图7所示的实施例，其空间光路是这样的：

卤素灯3发出的多波段光波，经过准直系统4后，进入到分光棱镜及其调整系统5后分成两束。其中的反射光束垂直入射到固定反射镜系统6并经该反射镜反射后，再次进入到分光棱镜及其调整系统5，而后经分光棱镜及其调整系统5透射后，抵达8波段光电探测器1；其中的透射光束则垂直入射到移动反射镜系统10，并经过反射镜反射后，再次进入到分光棱镜及其调整系统5，经过分光棱镜及其调整系统5反射后，抵达8波段光电探测器1。

所选用的8个特征波段均位于可见光波段，各自的中心波长分别为：428nm、460nm、490nm、515nm、557nm、615nm、660nm、695nm。

根据需要，可在光路中安放的起偏器7，目的是控制进入分光棱镜及其调整系统5的各个波段光波的偏振态；在光路中安放检偏器8，目的是使进入8波段光电探测器的多波段光波，特别是同一波段的光波处于完全相同的偏振态，从而提高光信号的相干对比度。

根据图7所示的实施例，其光程匹配是这样实现的：

移动反射镜系统10中，将反射镜31安装在微米级位移扫描台29上。当本发明中所述的集成式多波段迈克尔逊干涉仪中的信号臂光程发生变化时，通过微米级位移扫描台控制单元30控制反射镜的前后移动，来实现光程匹配。

根据图7所示的实施例，其对某种透明液体的折射、色散特性的探测是这样实现的：

在调整准直系统4、移动反射镜系统10、分光棱镜及其调整系统5、光程补偿器11，实现本发明所述的多波段集成式多波段迈克尔逊干涉仪中，信号臂和参考臂的光程接近绝对相等之后，在比色皿及其固定系统9中放入待测液体。待稳定后，通过驱动移动反射镜系统10，实现光程扫描。一次扫描后，在信号处理单元12中即可获得8个波段的白光干涉图谱。

由于不同波段的光波，在同一介质中的折射率不同，则在图7所示的实施例中，每一波段白光干涉图谱中峰值所对应的几何路程匹配不同。这样，图7所示实施例所获得的8个波段白光干涉图谱，将出现峰值的彼此移位。通过分析移位，以及折射率和色散的关联性，可以获得被测液体的多波段折射、色散特性，从而实现对被探测物质的折射、色散等光学特性的多维评价。该实施例适合于透明液体，如：酒类、糖类饮品，各种食用植物油，各种透明医用注射药液等的测量与鉴别。

Claims (3)

1.一种集成式多波段迈克尔逊干涉仪，包括光电探测器、光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器和信号处理单元，所述光电探测器为8波段光电探测器，所述的光源为宽谱光源，8波段光电探测器、宽谱光源、准直器、分光棱镜及其调整系统、固定反射镜、比色皿及其固定系统、移动反射镜系统、光程补偿器和信号处理单元集成在同一块光路基板上构成8个工作于不同波段的迈克尔逊干涉仪，宽谱光源输出多波段连续的光波，每一个波段的光波经过迈克尔逊干涉仪均形成一组白光干涉图样，通过各自独立的8波段光电探测器和信号处理单元同时实现8个波段白光干涉信号各自独立的探测，其特征是：

所述分光棱镜及其调整系统是由分光棱镜、分光棱镜固定底座、固定底座角度调整架组成，所述固定底座角度调整架的内部和外部轮廓线均为正方形，在固定底座角度调整架的俯视面开有4个贯穿的小孔，每个小孔的中心位于调整架各个边面的对称中心，在固定底座角度调整架的前后立面上分别开有2个贯穿的丝孔，同一立面上的两个丝孔对称分布于该立面所对应的边面上所开小孔的两侧，前后两个立面上的丝孔共线。

2.根据权利要求1所述的集成式多波段迈克尔逊干涉仪，其特征是：所述分光棱镜固定底座俯视面为正方形，俯视面的正中心开有一个沉头贯穿小孔；分光棱镜与分光棱镜固定底座安装在一起，棱镜的俯视投影面中心位于分光棱镜固定底座俯视面的正中心，并且棱镜的俯视投影面的正方形四边与固定底座俯视面正方形四边相平行。

3.根据权利要求1或2所述的集成式多波段迈克尔逊干涉仪，其特征是：还包括控制进入分光棱镜及其调整系统的各个波段光波的偏振态的起偏器，还包括使进入8波段光电探测器的多波段光波处于完全相同的偏振态的检偏器。