新型雙動鏡幹涉儀的製作方法

2023-04-29 20:44:11

專利名稱：新型雙動鏡幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種幹涉儀，具體涉及一種應用於高光譜解析度傅立葉變換光譜儀的新型雙 動鏡幹涉儀。
背景技術：
麥可遜(Michelson)幹涉儀由一個分束器、 一個固定的平面反射鏡和一個掃描平面 反射鏡構成；動鏡和定鏡正交，它們與分束器的夾角均為45度；分束器與入射光束的夾角 也為45度。這種幹涉儀的性能主要取決於動鏡對分束器所成虛像與定鏡是否嚴格保持平行。 傅立葉變換光譜儀具有高光譜解析度、高通量、多通道等優點。影響麥可遜幹涉儀在傅裡 葉光譜儀中應用的最大問題是動鏡在掃描過程中的傾斜問題，尤其是在紫外光譜工作區和高 解析度傅立葉光譜儀的應用中。使用貓眼鏡(cat，s國eyeretroreflector)或角反射體(cube-cornermirrors)代替平面動鏡是 兩種解決辦法。如果貓眼鏡或角反射體各方面的性能都很理想，就可以很好地解決平面動鏡 的傾斜問題，但同時存在橫向偏移問題而限制了其應用。另外一種辦法是使用動態校正伺服 系統，但解析度越高，這種校正系統的失靈概率就越高，而且該系統對機械振動引起的擾動 非常敏感。還有一種解決辦法是採用轉鏡或擺鏡代替做直線運動的動鏡，雖然可以消除平面動鏡傾 斜帶來的誤差，而且提高了穩定性和可靠性，但其產生的光程差與轉角為非線性關係，只適 用於低解析度光譜儀。發明內容本發明的目的在於提供一種新型雙動鏡幹涉儀，動鏡移動較小的距離即可獲得較大的光 程差，其解決了背景技術中動鏡傾斜以及貓眼鏡或角反射體橫移的技術問題，在傅立葉變換 光譜儀的應用中相對於麥可遜幹涉儀大大地提高了精度，而且在動鏡位移相同時能夠獲得 更大的光程差。本發明的技術解決方案是一種新型雙動鏡幹涉儀，包括30度角設置在入射光束光路上的一個分束器，該分朿器 適於從一個入射光束產生一個第一和一個第二光束；還包括設置在分束器反射光朿光路上的 第一平面鏡和設置在分束器透射光束光路上的第二平面鏡，所述的第一平面鏡和第二平面鏡與分束器之間的夾角均為30度;還包括設置在光束光路上的第一動鏡和第二動鏡、以及探 測器和將經第一動鏡和第二動鏡反射的光束會聚到探測器上的收集鏡。 其特徵在於所述的第一動鏡位於所述第一平面鏡的反射光束光路上，所述的第二動鏡位於所述第二 平面鏡的反射光束光路上，它們均為平面反射鏡；所述的第一動鏡和第二動鏡被一個剛性結 構背靠背地平行固定在一起，作為一個單獨的運動部件；所述的第一動鏡和第二動鏡之間的 距離幾乎為零，它們的反射面處於相反的方向；所述的第一動鏡、第二動鏡、分束器之間相 互平行，它們與入射平行光束之間的夾角均為30度；所述的第一動鏡和第二動鏡沿分束器 的法線方向做直線往復運動。所述的第一平面鏡和入射光束相互平行，所述的第二平面鏡與入射光束之間的夾角為 60度；所述的第一平面鏡、第二平面鏡與分束器之間的夾角均為30度；所述的分束器、第 一平面鏡、第二平面鏡、第一動鏡、第二動鏡的中心位於同一個平面內。若上述的分束器沿入射光束方向上第二面為半反射面，則在該分束器與第二平面鏡之間 的光路上還設置有同時補償各種波長光程差的補償板；該補償板與分束器完全相同且平行放 置；此吋第一平面鏡和第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平 面鏡、第二平面鏡的中心位於等邊三角形的三個頂點上。若上述的分束器沿入射光束方向上第一面為半反射面，則在該分束器與第一平面鏡之間 的光路上還設置有同時補償各種波長光程差的補償板；該補償板與分束器完全相同且平行放 置；此時第一平面鏡和第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平 面鏡、第二平面鏡的中心位於等邊三角形的三個頂點上。 上述的收集鏡可為會聚透鏡或會聚透鏡組。本發明的優點在於1. 光程差為雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)的4倍，即雙動鏡移動較小的距離 即可獲得較大的光程差，適用於各種光譜工作區的高光譜解析度光譜儀。2. 該幹涉儀對動鏡傾斜不敏感，即雙動鏡輕微的傾斜對所得幹涉圖的調製度和相位影 響較小。3. 固定第一動鏡和第二動鏡的剛性結構非常簡單，其受溫度變化的影響極小。4. 該幹涉儀結構緊湊、體積小、成本低。


圖1為本發明光學結構原理示意圖；圖2為本發明光學結構原理分析圖；圖中Ml'為第一動鏡在第一平面鏡中的虛像，M2'為第二動鏡在第二平面鏡中的虛像。圖3為當所述的分束器沿入射光束方向上第二面為半反射面時，本發明包含補償板的光 學結構原理示意圖；圖4為當所述的分束器沿入射光束方向上第一面為半反射面時，本發明包含補償板的光 學結構原理示意圖；圖5為雙動鏡位移為10wm時，分束器反射光束I和透射光束II之間的光程差X和雙動鏡傾斜 ^之間的關係圖。
具體實施方式
一種新型雙動鏡幹涉儀包括一個分束器、兩個固定的平面反射鏡(即第一平面鏡和第二 平面鏡)、和被一個剛性結構背靠背地平行固定在一起作為一個單獨的運動部件的兩個掃描 平面反射鏡(即第一動鏡和第二動鏡)。第一動鏡、第二動鏡、分束器之間相互平行，它們 與入射光束之間的夾角均為30度；第一動鏡和第二動鏡之間的距離幾乎為零，它們的反射 面處於相反的方向；第一動鏡和第二動鏡沿分束器的法線方向做直線往復運動。第一平面鏡 和第二平面鏡與分束器之間的夾角均為30度。另外，分束器、第一平面鏡、第二平面鏡、 第一動鏡、第二動鏡的中心位於同一個平面內。入射的平行光束在分束器的半反射面上反射和透射，並被分為強度相等的兩束光I和 II,光束I經第一平面鏡反射後射向第一動鏡，經第一動鏡反射後折回到第一平面鏡，再經 第一平面鏡反射後射向分束器並透過分束器，經收集鏡會聚到探測器上；光束II經第二平 面鏡反射後射向第二動鏡，經第二動鏡反射後折回到第二平面鏡，再經第二平面鏡反射後射 向分束器並透過分束器，經收集鏡會聚到探測器上。這兩束光由於來自同一光束，因而是相 幹光束，它們相交時發生幹涉。光束I和II之間的光程差是由雙動鏡(第一動鏡和第二動鏡)的直線往復運動產生的， 光程差是雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)的函數。雙動鏡沿分束器的法線方向做直線 往復運動。隨著雙動鏡的直線運動，光程差的大小逐漸變化，幹涉強度也隨著逐漸變化。選 擇在線性度較好的區域內等時間間隔地測量即可得到一系列幹涉強度值，然後對取樣幹涉強 度值進行傅立葉變換即可得到光譜值。假設雙動鏡沿分束器法線方向的運動距離為a，若光束I的光程減少了 2a，則光束II的 光程增加了2a，所以光束I和光束TT之間的光程差變化量為4a,反之亦然。因此，光程差 值的改變量為雙動鏡運動距離的4倍。光程差x與雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)/ 之間的關係為x二4/ (1) 5在理想情況(即雙動鏡在運動過程中沒有傾斜的情況)下，幹渉強度為 formula see original document page 6(2)式中cr為波數，^CT)為光譜強度，x為光程差。因此該新型雙動鏡幹涉儀幹涉強度與雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)之間的關係為formula see original document page 6 (3)當雙動鏡在運動過程中的傾斜角為P時，為了便於分析，採用正方形光束孔徑，以雙 動鏡不發生傾斜時與光軸交點處的光程差x。為基準，則探測器上得到的幹涉強度為formula see original document page 6(4)式中Z)為入射光束孔徑，^為從第一動鏡到探測器的光路長度，^為從第二動鏡到探測 器的光路長度，VZ = l2-A。光程差x與雙動鏡的傾斜角0之間的關係如圖5所示。對於該新型雙動鏡幹涉儀，當雙動鏡的傾斜角滿足^e「-r，r]時，光束i和光束n之間的光程差的相對誤差小於0.03%，可見雙動鏡在運動過程中的傾斜對光程差的影響較小，因此，該新型雙動鏡幹涉儀較好地解決了動鏡系統的傾斜問題。圖1中如果分束器沿入射光束方向上第二面為半反射面，則光束I通過分束器三次，而光束n則經過一次，分束器分出的兩束光i和n具有不對稱性。若入射光為單色光，光束I經過玻璃板所增加的光程可以用空氣中的行程來補償。但是入射光束為白光或其他複色 光時，因為玻璃有色散，不同波長的光有不同的折射率，因而，對不同的波長，通過玻璃板 時所增加的光程不同，這是無法用空氣中的行程來補償的。這時必須在分束器和第二平面鏡 之間的光路上加上與分束器完全相同且平行放置的補償板才能同時補償各種波長的光程差，參見圖3。圖3中第一平面鏡和第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平面鏡、第二平面鏡的中心位於等邊三角形的三個頂點上。圖1中如果分束器沿入射光朿方向上第一面為半反射面，則光束l丄通過分束器三次， 而光束I則經過一次。若入射光為單色光，光束II經過玻璃板所增加的光程可以用空氣中 的行程來補償。但是入射光束為白光或其他複色光時，必須在分束器和第一平面鏡之間的光路上加上與分束器完全相同且平行放置的補償板才能同時補償各種波長的光程差，參見圖4。 圖4中第一平面鏡和第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平面 鏡、第二平面鏡的中心位於等邊三角形的三個頂點上。
權利要求
1. 一種新型雙動鏡幹涉儀，包括30度角設置在入射光束光路上的一個分束器，該分束器適於從一個入射光束產生一個第一和一個第二光束；還包括設置在分束器反射光束光路上的第一平面鏡和設置在分束器透射光束光路上的第二平面鏡，所述第一平面鏡和第二平面鏡與分束器之間的夾角均為30度；還包括設置在光束光路上的第一動鏡和第二動鏡、以及探測器和將經第一動鏡和第二動鏡反射的光束會聚到探測器上的收集鏡。其特徵在於所述的第一動鏡位於所述第一平面鏡的反射光束光路上，所述的第二動鏡位於所述第二平面鏡的反射光束光路上，它們均為平面反射鏡；所述的第一動鏡和第二動鏡被一個剛性結構背靠背地平行固定在一起，作為一個單獨的運動部件；所述的第一動鏡和第二動鏡之間的距離幾乎為零，它們的反射面處於相反的方向；所述的第一動鏡、第二動鏡、分束器之間相互平行，它們與入射平行光束之間的夾角均為30度；所述的第一動鏡和第二動鏡沿分束器的法線方向做直線往復運動。所述的第一平面鏡和入射光束相互平行，所述的第二平面鏡與入射光束之間的夾角為60度；所述的第一平面鏡、第二平面鏡與分束器之間的夾角均為30度；所述的分束器、第一平面鏡、第二平面鏡、第一動鏡、第二動鏡的中心位於同一個平面內。
2. 根據權利要求1所述的一種新型雙動鏡幹涉儀，其特徵在於如果所述的分束器在 入射光束方向上第二個面為半反射面，在該分束器與第二平面鏡之間的光路上還設置有同時 補償各種波長光程差的補償板；該補償板與分束器完全相同且平行放置；此時第一平面鏡和 第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平面鏡、第二平面鏡的中 心位於等邊三角形的三個頂點上。
3. 根據權利要求1所述的一種新型雙動鏡幹涉儀，其特徵在於如果所述的分束器在 入射光束方向上第一個面為半反射面，在該分束器與第一平面鏡之間的光路上還設置有同時 補償各種波長光程差的補償板；該補償板與分束器完全相同且平行放置；此時第一平面鏡和 第二平面鏡關於分束器的半反射面對稱，分束器的半反射面、第一平面鏡、第二平面鏡的中 心位於等邊三角形的三個頂點上。
4. 根據權利要求1 3任一所述的一種新型雙動鏡幹涉儀，其特徵在於所述的收集鏡 為會聚透鏡或會聚透鏡組。
全文摘要
一種新型雙動鏡幹涉儀由一個分束器、兩個固定的平面反射鏡、和被一個剛性結構背靠背地平行固定在一起作為一個單獨的運動部件的第一動鏡和第二動鏡。第一動鏡、第二動鏡、分束器之間相互平行，它們與入射光束之間的夾角均為30度；第一平面鏡和入射光束相互平行，第二平面鏡與入射光束之間的夾角為60度，兩個平面鏡與分束器之間的夾角均為30度；雙動鏡沿分束器的法線方向做直線往復運動；光程差由雙動鏡的直線往復運動產生，光程差為雙動鏡位移(相對於其零光程差位置)的4倍。這種幹涉儀結構緊湊、體積小、成本低，適用於各種光譜工作區的高解析度傅立葉變換光譜儀。
文檔編號G01J3/45GK101251420SQ20081001788
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優先權日2008年4月3日
發明者楊慶華 申請人:楊慶華