高穩定性轉鏡幹涉儀的製作方法

2023-07-20 04:26:26 1

高穩定性轉鏡幹涉儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高穩定性轉鏡幹涉儀，包括分束器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、傾斜反射鏡、第三平面反射鏡以及能量收集鏡，其中，所述第一平面反射鏡與所述第二平面反射鏡平行設置構成旋轉反射鏡組，所述旋轉反射鏡組固定連接轉軸，通過所述轉軸的旋轉所述旋轉反射鏡組轉動，所述傾斜反射鏡具有傾角，所述旋轉反射鏡組的出射光垂直入射所述傾斜反射鏡。採用一對平行平面鏡保證了入射光線和出射光線平行，平面鏡組的旋轉保證了系統自穩定性和減少了探測時間，系統結構簡單，降低了加工裝調難度和生產成本的。
【專利說明】局穩定性轉I競幹涉儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及光譜探測與成像【技術領域】，尤其涉及一種高穩定性時間調製型雙光束幹涉儀。
【背景技術】
[0002]傅立葉變換紅外光譜儀(FourierTransform Infrared Spectrometer, FTIR)是利用光的幹涉實現對目標的光譜進行測量的儀器，具有多通道、高通量、高信噪比、高精確度等一系列優點，在工農業生產、科學研究、環境監測、食品安全、航空航天遙感等領域有著廣泛的應用。
[0003]幹涉儀是FTIR的核心部件，幹涉儀的性能決定了儀器測量結果的優劣。目前FTIR的幹涉儀通常都是基於麥可遜幹涉儀及其變形結構，其結構通常由分束器、動鏡和定鏡三部分構成，動鏡和定鏡通常採用平面鏡或立方體反射鏡，通過動鏡運動探測不同光程差的幹涉數據。動鏡的運動方式主要有兩種，一種是直線運動，一種是轉動運動。
[0004]對於動鏡直線運動的幹涉儀，最直接和簡潔的方案是採用平面動鏡，至今仍是一些國際著名廠商的核心專利技術，如美國Nicolet公司的Vectra專利。但其對動鏡的運動精度要求非常嚴格，對材料、設計都有很高的要求。運動過程需要設置輔助光路，利用雷射對動鏡運動的方向準直性、速度均勻性、位移量等進行實時精確監測和修正；另外，因為動鏡的傾斜晃動對測量精度影響很大，就需要一套高精度的控制系統使動鏡勻速平穩運動，但是這在實際中實現起來仍然比較困難且成本較高；再次，動鏡直線往復運動對運動軌道的加工工藝依賴性較強，且易受抖動或震動等外界環境的幹擾。這些原因都導致幹涉儀結構複雜，系統穩定性差，抗幹擾能力低。
[0005]為了克服平面動鏡運動精度要求太高的困難，出現了不少採用角反射體動鏡直線運動的幹涉儀方案，大大降低了對動鏡軸承和運動檢測系統的要求，但由於動鏡直線運動的往復特點，導致光譜探測速率較低。
[0006]在此基礎上，人們提出採用轉動或擺動形式的幹涉儀方案，並形成了諸多專利技術，其中德國Bruker公司引以為榮的基於兩個角反射體擺動的Rocksolid專利，已經產品化；美國Perkin Elmer公司的基於雙平行反射鏡擺動的Dynascan專利，克服了幹涉儀動鏡運動過程中的高精度要求，實現了很高的穩定性。但由於擺動依然是往復運動，探測速度還是比較低。
[0007]另一方面，從航天遙感角度看，無論是直線往復運動還是擺動，都無法避免加速減速的過程，其對衛星平臺的擾動難以克服。
[0008]國際上也有人提出基於勻速旋轉反射鏡的幹涉儀，克服了往復運動的不足。但是這種幹涉儀一般需要轉鏡和多個定鏡組成，結構較為複雜，增大了設計研製難度，對便攜性也有一定影響。

【發明內容】
[0009]本發明實施例的目的是提供一種高穩定性轉鏡幹涉儀，提高穩定性、簡化結構，同時，克服往復運動的加速減速過程，使之能夠適應高速探測、航天遙感等更廣闊的應用領域。
[0010]本發明實施例的目的是通過以下技術方案實現的:
[0011]一種高穩定性轉鏡幹涉儀，包括:
[0012]分束器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、傾斜反射鏡、第三平面反射鏡以及能量收集鏡，其中，所述第一平面反射鏡與所述第二平面反射鏡平行設置構成旋轉反射鏡組，所述旋轉反射鏡組固定連接轉軸，通過所述轉軸的旋轉使所述旋轉反射鏡組轉動，所述傾斜反射鏡具有傾角，所述旋轉反射鏡組的出射光垂直入射所述傾斜反射鏡。
[0013]平行光進入所述分束器後，一路透射光線垂直到達所述第三平面反射鏡得到第一透射光線，另一路反射光線到達所述第一平面反射鏡得到第一反射光線；
[0014]所述第一透射光線經所述第三反射鏡反射後沿原光路返回，再次通過所述分束器反射得到第二反射光線；
[0015]所述第一反射光線順序經過所述第一平面反射鏡和所述第二平面反射鏡反射後，垂直入射到所述傾斜反射鏡，經所述傾斜反射鏡反射光線順序經過所述第二平面反射鏡和所述第一平面反射鏡沿原光路返回，再次通過所述分束器透射後得到第二透射光線；
[0016]所述第二反射光線與所述第二透射光線經所述能量收集鏡會聚到達探測器形成幹涉。
[0017]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，採用一對平行平面鏡保證了入射光線和出射光線平行，旋轉反射鏡組在旋轉過程中，出射光線的方向始終不變，保證了系統的穩定性和出射光束的相干性。由於旋轉反射鏡組可實現高速旋轉，提高了系統探測速率。整個系統結構簡單，降低了加工裝調難度和生產成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0019]圖1為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀構成示意圖。
[0020]圖2為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀中旋轉反射鏡組構成示意圖。
[0021]圖3為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀中旋轉反射鏡組構成示意圖。
[0022]圖4為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀轉動機構示意圖。
[0023]圖5為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀中反射鏡組法線與入射光線轉動示意圖。
[0024]圖6為本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀的應用流程示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
[0026]如圖1所示，本發明實施例提供一種高穩定性轉鏡幹涉儀，包括分束器11、第一平面反射鏡12、第二平面反射鏡13、傾斜反射鏡14、第三平面反射鏡16以及能量收集鏡17，其中，第一平面反射鏡12與第二平面反射鏡13平行設置構成旋轉反射鏡組，旋轉反射鏡組固定連接轉軸15,通過轉軸15的旋轉,旋轉反射鏡組轉動,傾斜反射鏡14具有傾角,旋轉反射鏡組的出射光垂直入射傾斜反射鏡14:
[0027]平行光進入分束器11後，一路透射光線垂直到達第三平面反射鏡16得到第一透射光線，另一路反射光線到達第一平面反射鏡12得到第一反射光線；
[0028]所述第一透射光線經第三反射鏡16反射後沿原光路返回，再次通過分束器11反射得到第二反射光線；
[0029]所述第一反射光線順序經過第一平面反射鏡12和第二平面反射鏡13反射後，垂直入射到傾斜反射鏡14，經傾斜反射鏡14反射光線順序經過第二平面反射鏡13和第一平面反射鏡12沿原光路返回，再次通過分束器11透射後得到第二透射光線；
[0030]所述第二反射光線與所述第二透射光線經能量收集鏡17會聚到達探測器形成幹涉。
[0031]由上述本發明實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例高穩定性轉鏡幹涉儀是一種高穩定性時間調製型雙光束幹涉儀，其採用一對平行平面鏡保證了入射光線和出射光線平行，旋轉反射鏡組在旋轉過程中，出射光線的方向始終不變，保證了系統的穩定性和出射光束的相干性。由於旋轉反射鏡組可實現高速旋轉，提高了系統探測速率。整個系統結構簡單，降低了加工裝調難度和生產成本。
[0032]本發明實施例的幹涉儀，還可以包括探測器，隨著旋轉反射鏡組的勻速轉動，探測器接收到不同光程差時的幹涉強度，形成時間序列排列的幹涉圖。
[0033]探測器可以根據現有技術得以理解，在此不作贅述。示例性的，如圖1所示，探測器18。
[0034]能量收集鏡17可以為球面反射鏡或球面透鏡，或者所述能量收集鏡為非球面反射鏡或非球面透鏡，不受限制，可以根據現有技術得以理解。
[0035]分束器11可以包括分束鏡或分光稜鏡，不受限制，可以根據現有技術得以理解。示例性的，如圖1所示，光源19發出的光經過準直後轉變為平行光，進入分束器11被分成兩束，即雙光束。
[0036]示例性的，本發明實施例的幹涉儀，如圖2所示，旋轉反射鏡組固定連接轉軸的方式，可以為:
[0037]第一平面反射鏡21與第二平面反射鏡22通過連接杆23固定連接，第一平面反射鏡21與轉軸24固定連接。
[0038]連接杆23可以為I條或多條。
[0039]或者，可選的，如圖3所示，旋轉反射鏡組固定連接轉軸的方式，可以為:
[0040]第二平面反射鏡31通過連接杆32與轉軸33固定連接，第一平面反射鏡34與轉軸33固定連接。
[0041]可見，在轉軸轉動過程中，第一平面反射鏡和第二平面反射鏡式始終保持平行。本領域技術人員可以理解，旋轉反射鏡組固定連接轉軸的方式不受上述示例性限制，任何其他可實現方式具在保護範圍內。
[0042]如圖1、2、3所示，第一平面反射鏡與轉軸固定連接，可以包括:
[0043]根據第一平面反射鏡與其法線(圖中虛線所示)的交點位置，轉軸一端在位置與第一平面反射鏡固定連接。
[0044]轉軸可以豎直設置，轉軸一端穿過傾斜反射鏡。
[0045]轉軸的另一端連接電機，電機輸出勻速轉速。
[0046]可見，電機驅動轉軸帶動第一平面反射鏡和第二平面反射鏡進行勻速轉動。
[0047]如圖4所示，本發明實施例的幹涉儀，傾斜反射鏡可以包括反射平面(AB所示平面)和水平面(AC所示平面)，反射平面為平面反射鏡面，傾斜反射鏡的傾角Θ為反射斜面與水平面之間的夾角。
[0048]或者，傾斜反射鏡為傾斜設置的平面反射鏡，傾斜反射鏡的傾角Θ為傾斜反射鏡傾斜設置時與水平面之間的夾角。
[0049]也就是，傾斜反射鏡可以是以傾角Θ傾斜設置的平面反射鏡，或者，傾斜反射鏡為楔形，其反射平面和水平面為傾角Θ。傾斜反射鏡的設置方式，配合旋轉反射鏡組實現旋轉反射鏡組的出射光 入射傾斜反射鏡。
[0050]本發明實施例的幹涉儀，當第一平面反射鏡與第二平面反射鏡之間的距離、第一平面反射鏡的法線與轉軸之間的夾角以及傾斜反射鏡的傾角為已知時，根據轉軸的轉速即可確定光程差。具體參考圖4所示，進行說明。
[0051]設傾斜反射鏡的傾角為Θ，轉軸轉速為ω，一個轉動周期內任意時刻t時，第一平面反射鏡法線與轉軸的夾角為α，第一平面反射鏡的入射光線與該鏡的法線夾角為β。
[0052]為了達到測量的目的，需要推導出該時刻幹涉儀的光程差，具體推導步驟如下:
[0053]當光線通過分束器向第一平面反射鏡入射時，過第一平面反射鏡與轉軸交點O做平行於AB的輔助線I與第二平面反射鏡的反射光線O' G交於D點，令:
[0054]L1 = OO1 ;L2 = O' D ；
[0055]第一平面反射鏡與第二平面反射鏡之間的垂直距離為h。
[0056]由三角關係可得:
[0057]L1 = hcos β 公式(I)
[0058]L2 = L1Cos (2 β )公式(2)
[0059]所以:
[0060]L = ^+L2= 2L' cos2 β = 2/7 cos β 公式(3)
[0061]推導公式⑵中cos3的表達式
[0062]第一平面反射鏡的法線繞轉軸旋轉，其幾何關係如圖5所示，OH相當於轉軸，EO為法線，FO相當於第一平面反射鏡的入射光線，Z EHF= cot。令:HE = RpHF = RyEO = B,FO = b, FE = C0為方便推導，再令OH= I。則由三角關係，有:
[0063]a = Icos α 公式(4)
[0064]b = Icos Θ 公式(5)
[0065]R1 = tan α 公式(6)[0066]R2 = tan Θ 公式(7)
[0067]c2 = R: + R； - 2R' Rz cos((at)公式(8)
[0068]c2 = a2+b2-2abcos β 公式(9)
[0069]聯立公式(4) — (9)，可得:
[0070]cos β = cos a cos Θ+sin a sin Θ cos (ω t)公式(10)
[0071]由公式⑶和(10)，可得
[0072]L = 2h [cos a cos Θ+sin a sin Θ cos (ω t)]公式(11)
[0073]由上式，可取cot = 2時，求得過零點光程為:
[0074]L0 = 2hcos a cos Θ 公式(12)
[0075]因此，可得光程差Λ L為:
[0076]Δ L = 2 (L-L0) = 4hsin a sin Θ cos (ω t)公式(13)
[0077]h表示第一平面反射鏡與第二平面反射鏡之間的垂直距離，α表示第一平面反射鏡的法線與轉軸之間的夾角，Θ表示傾角。
[0078]由公式(13)可知，h，α，Θ已知的情況下，只要能夠準確獲得相位《t，就可達到精確測量光程差的目的。還可以通過改變距離h來改變幹涉儀的解析度。
[0079]所述轉軸轉速ω的大小可以根據使用需求設計，其主要取決於探測器採樣速率、入射輻射特性和靈敏度，在此不做贅述。獲得相位的方式，可以為通過雷射標定實現，具體可以參考現有技術得以理解，在此不做贅述。
[0080]如圖6所示，本發明幹涉儀實現幹涉的具體實施步驟為:
[0081]61、光源輻射光經過準直後轉變為平行光，進入分束器，同時電機驅動轉軸帶動第一平面反射鏡和第二平面反射鏡進行勻速轉動；
[0082]62、入射平行光束通過分束器分光，一路透射到達第三平面反射鏡稱為第一透射光線，另一路反射到達第一平面反射鏡稱為第一反射光線；
[0083]63、第一反射光線先後經過第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射後，垂直入射到傾斜反射鏡上；
[0084]64、入射到傾斜反射鏡上的光線經反射後沿原光路返回，再次通過分束器透射後得到第二透射光線；
[0085]65、第一透射光線經第三反射鏡反射後沿原光路返回，再次通過分束器反射得到第二反射光線；
[0086]66、第二透射光線和第二反射光線經能量收集鏡會聚至探測器，得到最終幹涉信號。
[0087]本發明實施例的幹涉儀:
[0088]採用傾斜反射鏡和旋轉式反射鏡組代替動鏡，克服了平面動鏡直線運動式幹涉儀的缺點，對運動誤差免疫，提高了系統穩定性，具有較強的抗幹擾能力。
[0089]旋轉反射鏡組的出射光垂直入射所述傾斜反射鏡，保證光路原路返回，系統光路沒有變化，光學系統聚焦點始終位於點探測器，有利於提高系統穩定性。
[0090]系統結構簡單，降低了加工裝調難度和生產成本。
[0091]使用勻速電機對幹涉儀進行轉動控制相對容易，且通過準確獲得相位ω t，可達到精確測量光程差，有利於提高測量精度。[0092]在每個轉動周期可全程採樣，可實現高速旋轉，大大減小探測時間。
[0093]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，包括分束器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、傾斜反射鏡、第三平面反射鏡以及能量收集鏡，其中，所述第一平面反射鏡與所述第二平面反射鏡平行設置構成旋轉反射鏡組，所述旋轉反射鏡組固定連接轉軸，通過所述轉軸的旋轉所述旋轉反射鏡組轉動，所述傾斜反射鏡具有傾角，所述旋轉反射鏡組的出射光垂直入射所述傾斜反射鏡: 平行光進入所述分束器後，一路透射光線垂直到達所述第三平面反射鏡得到第一透射光線，另一路反射光線到達所述第一平面反射鏡得到第一反射光線； 所述第一透射光線經所述第三反射鏡反射後沿原光路返回，再次通過所述分束器反射得到第二反射光線； 所述第一反射光線順序經過所述第一平面反射鏡和所述第二平面反射鏡反射後，垂直入射到所述傾斜反射鏡，經所述傾斜反射鏡反射光線順序經過所述第二平面反射鏡和所述第一平面反射鏡沿原光路返回，再次通過所述分束器透射後得到第二透射光線； 所述第二反射光線與所述第二透射光線經所述能量收集鏡會聚到達探測器互相干涉。
2.根據權利要求1所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述轉軸轉速為ω，一個轉動周期內任意時刻t時，光程差AL = 2 (L-L0) = 4hsin a sin Θ cos(cot),
其中，L = 2h [cos a cos Θ +sin a sin Θ cos (ω t)]；
取 cot = π2 時，Ltl = 2hcos a cos Θ ； h表示所述第一平面反射鏡與所述第二平面反射鏡之間的垂直距離，α表示所述第一平面反射鏡的法線與所述轉軸之間的夾角，Θ表示所述傾斜反射鏡的傾角。
3.根據權利要求1或2所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述傾斜反射鏡包括反射平面和水平面，所述傾斜反射鏡的傾角為所述反射斜面與所述水平面之間的夾角，所述反射平面為平面反射鏡面； 或者，所述傾斜反射鏡為傾斜設置的平面反射鏡，所述傾斜反射鏡的傾角為所述傾斜反射鏡傾斜設置時與水平面之間的夾角。
4.根據權利要求1或2所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述第一平面反射鏡與所述第二平面反射鏡通過連接杆固定連接，所述第一平面反射鏡與所述轉軸固定連接； 或者，所述第二平面反射鏡通過連接杆與所述轉軸固定連接，所述第一平面反射鏡與所述轉軸固定連接。
5.根據權利要求4所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述轉軸一端在所述第一平面反射鏡與其法線的交點位置與所述第一平面反射鏡固定連接。
6.根據權利要求5所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述轉軸豎直設置，所述轉軸一端穿過所述傾斜反射鏡。
7.根據權利要求6所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述轉軸的另一端連接電機，所述電機輸出勻速轉速。
8.根據權利要求1所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述分束器包括分束鏡或分光稜鏡。
9.根據權利要求1所述的高穩定性轉鏡幹涉儀，其特徵在於，所述能量收集鏡為球面反射鏡或透鏡，或者所述能量收集鏡為非球面反射鏡或透鏡。
【文檔編號】G01J3/26GK104034423SQ201410284098
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】相裡斌, 張文喜, 方煜, 譚政, 周志盛, 呂群波 申請人:中國科學院光電研究院