靜態傅立葉光譜儀的製作方法

2023-04-25 06:00:46 4

專利名稱：靜態傅立葉光譜儀的製作方法
靜態傅立葉光譜儀本發明涉及幹涉光譜裝置並且能被用於不同技術領域的光譜研究。由於高發光度(Zhakino增益)、高速性能和在研究[I]的範圍內整個輻射光譜的同步記錄能力，傅立葉光譜儀被廣泛用在光譜研究中。傅立葉光譜儀包括以下基本的功能單元:形成輸入光束的系統(下文中稱為輸入準直器)、幹涉測量單元、投影系統、記錄裝置。在動態傅立葉光譜儀中，經典的麥可遜幹涉儀的各種變型最常被用作幹涉測量單元，這些變型包括半透反射器(分束器)和兩個反射器(或回射器)，其中一個反射器是可移動的並且提供了可變的光程差。當移動可移動的反射器時，在記錄平面中發生了周期性的照明交替，從而實現了入射輻射光譜的每個波長的調製，且調製頻率與波長成反比。動態傅立葉光譜儀的度量參數(例如，信噪比)取決於調製深度，取決於依次移動穩定度和移動幹涉測量單元反射器的平行度。當操作傅立葉光譜儀時，外部振動會影響反射器移動的穩定度，從而限制了在強振動的條件下使用動態傅立葉光譜儀的可能性。靜態傅立葉光譜儀的空間特性是在記錄裝置的平面內沿著其中一個坐標軸實現幹涉圖像的空間分解。靜態傅立葉光譜儀相對於動態傅立葉光譜儀的優點是沒有可移動結構、線性馬達和比較複雜的控制系統，從而有機會製造緊湊的抗振動光譜儀並降低生產成本。靜態傅立葉光譜儀中的調製深度取決於由投影系統的頻率和對比度特性所決定的圖像傳輸質量，並且隨著投影系統中的像差增大而減小。調製深度的減小會使靜態傅立葉光譜儀的度量參數(信噪比·)變差。因此，靜態傅立葉光譜儀的度量參數的改善主要與投影系統的損耗最小化有關。在現有的靜態傅立葉光譜儀專利N0.6222627 ;專利N0.6930781 ;美國專利N0.7092101中，通過在光學系統中增加折射和反射面的數目並採用非球面，在矯正多種像差的情況下由投影系統進行圖像傳輸的任務得到了建設性地解決。在根據專利N0.6222627的靜態傅立葉光譜儀中，幹涉測量單元是基於雙折射晶體(在專利N0.6222627中被稱為沃拉斯頓稜鏡)而生成的，具有包括多個順序放置的透鏡的投影系統。多單元的二極體標尺被用作圖像記錄裝置。該裝置的主要缺點是光譜儀的光學參數依賴於用於獲得幹涉圖像的偏振晶體的材料和幾何尺寸，這導致由於路徑差對波長的依賴而造成的對光譜解析度的限制。另一缺點是由於在投影系統中順序放置透鏡而增大了球差和色差的損耗。在根據專利N0.6930781的靜態傅立葉光譜儀中，採用了幹涉光線的橫向移動的方案作為幹涉測量單元(在專利N0.6930781中被稱為San』 yak幹涉儀)。該裝置的主要缺點是定性的投影和由具有最小光損耗的此種類型的幹涉測量單元獲得的圖像聚焦的技術複雜性。在這種情況下，幹涉圖像位於無窮遠，這要求實現在傅立葉光譜儀中投影系統包括非球面的光學元件，從而降低了生產中的可操作性並且增加了成本。在這一系列值得注意的特徵中最接近本發明的是美國專利N0.7092101的裝置，其中根據麥可遜幹涉儀的方案，實現了包括分束器和兩個反射器的幹涉測量單元，幹涉圖像形成於其中一個反射器的平面中。與幹涉測量單元光學連接的輸入準直器包括光闌和物鏡。所指示的幹涉圖像的圖片藉助與圖像記錄裝置光學連接的投影系統被投影到圖像記錄裝置上。當研究細長物體的輻射時，該裝置的主要缺點是要由包含一系列透鏡單元的投影系統來將幹涉圖像的圖片傳送至記錄裝置。在該裝置中，像差的減小是由透鏡數目的增加而實現的，而這又會增大光譜儀的尺寸和生產成本。對於多色輻射，在大多數所考慮的裝置中，傳送幹涉圖像圖片的任務是由包括連續放置的具有軸向光線路徑的透鏡組件的投影系統來解決的。這導致與色差和球差相關的解決能力的損耗。當傳送針對細長物體而獲得的幹涉圖像圖片時，與像散和場曲有關的損耗會出現。這顯著地降低了投影到圖像記錄裝置上的圖片的質量並且因此使光譜儀的度量參數變差。在僅包括順序放置的透鏡的投影系統中，對於不同類型像差進行同時補償的技術方案導致透鏡數目和尺寸的增加，會導致生產成本的增大。本發明的任務在於改進光譜儀的光學參數，在光譜儀中，通過最小數目的以較低成本製造的光學元件實現了在傳送與像差有關的圖片時光損耗的降低。設定任務是這樣來實現的，靜態光譜儀含有與幹涉測量單元光學連接的輸入準直器(幹涉測量單元包括分束器和被安裝的至少兩個反射器以能夠在反射器平面內產生幹涉圖像)和通過投影系統與幹涉測量單元光學連接的圖像記錄裝置，投影系統能夠將指示的幹涉圖像圖片投影到圖像記錄裝置上，其中投影系統包括球面反射器和相對於反射器光學平面的法線位於中心的物鏡，反射器和物鏡被製成具有使得光輻射能夠從幹涉測量單元通過物鏡到達球面反射器，由球面反射器反射並通過同一個物鏡到達記錄裝置。靜態傅立葉光譜儀的這組提出的特徵允許獲得最小的輻射損耗，同時由於球差和色差以及像散的消除使幹涉圖像圖片被高質量地傳輸到記錄裝置，球差和色差以及像散的消除得益於最小數目的投影系統的光學元件最佳結合，所述光學元件優選是球面形狀的。在投影系統中為了校正在幹涉圖像平面和幹涉圖像圖片平面的非共面處的色差，複合的物鏡被採用，其包括至少兩個由不同材料製成並且通過光學接觸而連接的透鏡，其中一個透鏡被製成平凸的，而與其連接的第二個透鏡為新月形。為了提供振動穩定性，幹涉測量單元被做成由斜邊面膠合的兩個玻璃矩形稜鏡，其中一個被塗覆分束塗層，反射器被製作在每個稜鏡中的其中一個中直線表面上以使得光學元件的數目最小化，並且稜鏡被膠合使得具有反射器的表面是膠合而成的多面體的相鄰表面，幹涉測量單元的其中一個稜鏡與投影系統的物鏡通過光學接觸而連接以實現從幹涉儀反射面到球面反射器的光路和從球面反射器到記錄裝置的光線的相同條件。投影系統包括位於透鏡和記錄裝置之間並且通過光學接觸與物鏡連接以實現振動穩定性的補償器，其中補償器採用與幹涉測量單元的稜鏡相同的材料製成以使得補償器和幹涉測量單元中的光學路徑長度相同。補償器以等腰矩形稜鏡的形式製成，其中反射塗層在斜邊面上以提供便攜性，記錄裝置被定位成垂直於幹涉測量單元的多面體的其中一個反射面的平面。通過以下附圖來說明本發明所要保護的裝置:

圖1示出了靜態傅立葉光譜儀(輻射對象平面的剖面)的工作原理圖。圖2示出了傅立葉光譜儀方案的圖(圖像記錄裝置平面的剖面)。
圖3示出了靜態傅立葉光譜儀(軸測法)。圖4示出了靜態傅立葉光譜儀的幹涉測量單元。圖5示出了傅立葉光譜儀的幹涉測量單元中的路徑差的形成。圖6示出了幹涉觀察平面上的相干光束。圖7示出了具有色差校正的投影系統中的光路。圖8示出了具有場像差(field aberration)校正的光路。根據圖1-3的靜態傅立葉光譜儀包括與幹涉測量單元2光學連接的輸入準直器1、投影系統3和圖像記錄裝置4。輸入準直器I將輻射從待分析對象5引導至幹涉測量單元2。輸入準直器可以包含光闌和由幾個透鏡組成的系統。在這種情況下，為了獲得反射器照明的均勻度和光學協調所需的最小數目的方案元件，將其設定為光闌6和兩個透鏡7、8的形式。根據麥可遜幹涉儀的經典方案，幹涉測量單元2可以由兩個獨立的反射器組成。如圖1所示的幹涉測量單元2被實現為兩個矩形等腰稜鏡9和10，它們由相同材料製成(具有相同折射率值η)並且膠合以增加振動穩定性並使生產成本最小化。根據圖2，在形成分束器時，斜邊面16被塗覆了具有接近50 % (優選在40 %到60 %的範圍內)的反射率的反射塗層，每個稜鏡9和10的中直線表面17和18上設置了反射塗層(優選具有大於95%的反射率)。儘管在指示表面上實現反射塗層提供了抗振動性和生產成本的最小化，但是在其他方案中，也可以採用臨近稜鏡的中直線表面的分離的可調反射器。幹涉測量單元2和投影系統3被光學關聯使得被導引到幹涉測量單元2的光束在面16上分開，從稜鏡9和10的反射面17和18上反射然後進入物鏡11。投影系統3包括球面反射器12，其能夠降低色差中的光損耗，如圖3所示，物鏡11 (雙膠合)和補償器13位於物鏡11和圖像記錄裝置4之間。與物鏡11通過光學接觸相連的補償器13是由與幹涉測量單元2的稜鏡9和10的材料相同的材料製成的。記錄裝置4以多單元接收器(例如CXD或CMOS)的形式實現從而能夠改善記錄的能量和度量參數，包括信號/噪聲、檢測閾值和測量時間。在其它方案中，圖像記錄裝置4也可以被製造為掃描光電接收器，例如光導攝像管。補償器13如圖3所示被製作成在斜邊面19上具有反射塗層的矩形稜鏡，並被安裝在物鏡11上使得被反射器12反射並通過物鏡11返回的光束進入稜鏡補償器13的第一中直線面，反射，並且從該斜邊面到達圖像記錄裝置4。為了統一細節和增加裝配加工能力，補償器13被製成與幹涉測量單元2的稜鏡9或10之一相同的稜鏡形式，補償器13中的光程長度等於幹涉測量單元2的稜鏡9和10的光程。如圖2所示的投影系統3的物鏡11通過光學接觸與幹涉測量單元2連接，這增加了這種系統的振動穩定度並且排除了在該裝置中採用可調元件的必要性，為其提供了便攜性。物鏡11由兩個透鏡組成，其中一個透鏡是平凸的14，而另一個15被製作成新月形的並與第一個透鏡連接，透鏡15凹面的曲率半徑與平凸透鏡14的凸面的曲率半徑相符合，這能夠校正球差。透鏡14和15是由不同的等級的玻璃製成，對於位置的色差校正具有不同的折射率n，透鏡14是由較高折射率η的玻璃製成的。透鏡14和15的連接由於膠合而降低了在光學接觸面上的光損耗並且簡化了緊固物鏡11的構造任務。為了獲得幹涉圖像，幹涉測量單元2的稜鏡9、10如圖4所示繞垂直於的膠合面的軸相對於彼此轉動α角並被膠合在一起，使得對於穿過幹涉測量單元2的光線，沿著中直面的平面內的其中一個坐標軸產生可變光程差，因此，在稜鏡9和10的反射面17和18內的以暗帶和亮帶序列的形式觀察到了幹涉圖像。具有反射塗層17和18的面如圖4所示是由於膠合而形成的多面體的相鄰面。該裝置按以下方式工作。來自待分析對象5的光輻射通過輸入準直器I進入靜態傅立葉光譜儀，輸入準直器I通過孔與投影系統3配合。輸入準直器將來自對象5的每個點的輻射轉換成近似平行光束的光束，並且將所獲得的光束引導至幹涉測量單元2，提供了幹涉測量單元2的稜鏡9和10的反射面的工作區域的照明均勻性。該光束在分束器16上被分開(圖5)。被分開的光束的各部分沿著其路徑傳送並從反射面17和18反射。由於可變路程差Λ I (X)，出現了光線的相干和在稜鏡9和10的反射面17和18的平面內的二維幹涉圖像的形成。依靠與輸入準直器I和幹涉測量單元2光學連接的投影系統3，以及依靠補償器13，所獲得的幹涉圖像的圖片被投影到圖像記錄裝置4上。靜態傅立葉光譜儀的光譜解析度由幹涉圖像的傳輸質量和記錄裝置4上(圖6)的圖片的分解幹涉條的空間頻率N來決定。路程差Al沿著在稜鏡9和10的反射表面的平面內的幹涉圖像與X軸線性相關，並且也與相互轉動α角相關。在小角度範圍內，相關性被表述為公式Λ I (X) = 2 α X，即，光線的路徑差Λ I隨著稜鏡9和10的轉動角α增大而增大。正如圖6所示，在幹涉圖像平面(例如稜鏡9的反射面17)的每個P點對於兩個相互呈α角度的幹涉光線LI和L2，路程差的增量dA I沿著波面Vl和V2的交叉線(波面的交叉線垂直於該平面，圖6)從一個帶到另一個帶變化。基於公式N = 2 α / λ的對於小角度的固定線性場幹涉的幹涉帶的空間頻率N隨著來自對象5的輻射波長λ的增加而減小，並且在固定波長λ下取決於角度α。因此在輻射波長λ = I μ m，當採用具有40mm斜面的矩形稜鏡9和10時，稜鏡相對於彼此的轉動角度α的數值是近似20角分；在尺寸為20X20mm的記錄裝置的近場中幹涉帶的條數為200。通過採用反射元件(S卩，投影系統3的組成中的球面反射器12)消除了色差的增大。在偏離系統對稱性的情況下出現的位置的色差，例如圖7中所示的記錄平面M』A』在圖片中相對於從幹涉圖像MA形成的平面的偏移距離h，通過膠合由不同等級的玻璃製成的透鏡14和15得到了校正。同時，透鏡14由折射率η比透鏡15高的玻璃製成。來自位於稜鏡9的反射面17的平面內的幹涉圖像的點A的光線，由於折射以角度Θ分離，角度Θ依賴于波長λ。光線從球面反射器12反射後穿過同一個物鏡11，因此產生對Θ角的初始偏離的補償。光線λ I和λ 2在圖像記錄平面的Α』點匯合。位置色差的消除提供了投影系統的更好的頻率和對比度特性，因此靜態傅立葉光譜儀具有更好的度量參數(解析度、信噪比)。通過幹涉測量單元2和投影系統3的光學協作實現了單色差校正。傳輸的對象是生成在稜鏡9和10的反射面上的幹涉圖像。在投影系統3中採用球面反射器12使得有可能在任何光束孔徑角都沒有球差的情況下表示位於其曲率中心的對象。如圖8所示，採用物鏡11作為投影系統3的光學方案中的校正單元為幹涉圖像的位於光軸OO1外的點消除了子午部分中的圖像場曲畸變。採用包含兩個具有不同折射率的透鏡14和15的複合物鏡
11能夠補償反射面17和記錄面20Μ』 B』之間的非共面度，以位移h來表示。對於生成在反射面17的平面中的幹涉圖像的點，這種方案能夠校正在點B位於光軸OO1外時所產生的像散。而這又增強了記錄區域20M』B』中B』的圖像質量。為了將所採用的光學元件統一併且確保緊湊定位，圖像記錄裝置4被放置成垂直於稜鏡9的反射面17的平面，並且利用補償器13將幹涉圖像的圖片傳輸到記錄裝置4。由於幹涉測量單元的結構實現和投影系統與補償器的配合，其通過光學接觸連接到單一模塊，本發明在獲得二維幹涉圖像時實現了高亮度值和調製率，以最小數目的所用到的光學元件的最佳結合，其圖片的傳輸具有最小的損耗。
權利要求
1.一種靜態傅立葉光譜儀，所述靜態傅立葉光譜儀包含輸入準直器和記錄裝置，所述輸入準直器與包括分束器和至少兩個反射器的幹涉測量單元光學地連接，所述分束器和至少兩個反射器被安裝為能夠產生位於反射器平面內的幹涉圖像，所述記錄裝置藉助投影系統與所述幹涉測量單元光學地連接，所述投影系統能夠將所指示的幹涉圖像圖片投影到所述記錄裝置上，其中，所述投影系統包括球面反射器和相對於所述反射器的光學表面的法線位於中心的物鏡，並且所述反射器和所述物鏡被設置為能夠使光輻射從所述幹涉測量單元穿過所述物鏡到達所述球面反射器，被所述球面反射器反射並穿過同一個物鏡而到達所述記錄裝置。
2.根據權利要求1所述的傅立葉光譜儀，其中，所述物鏡包括至少兩個透鏡，所述至少兩個透鏡由不同材料製成並通過光學接觸相連接，其中一個透鏡被製成平凸的，而與其相連的另一個透鏡被製成新月形的。
3.根據權利要求1所述的傅立葉光譜儀，其中，所述幹涉測量單元被設置為以斜邊面膠合的兩個玻璃矩形稜鏡，其中一個斜邊面塗覆有分束塗層，所述反射器被設置在每個稜鏡的中直線表面中的一個上，並且所述稜鏡被膠合使得具有所述反射器的面是膠合而成的多面體的相鄰面，並且所述幹涉測量單元的其中一個稜鏡與所述投影系統的所述物鏡通過光學接觸相連接。
4.根據權利要求3所述的傅立葉光譜儀，其中，所述投影系統包括位於所述物鏡與所述記錄裝置之間並且通過光學接觸與所述物鏡相連接的補償器，所述補償器由與所述幹涉測量單元的稜鏡相同的材料製成，使得所述補償器中的光程長度與所述幹涉測量單元中的光程相等。
5.根據權利要求4所述的傅立葉光譜儀，其中，所述補償器被設置為斜邊面上具有反射塗層的矩形稜鏡的形式。
全文摘要
所要保護的發明涉及一種幹涉光譜分析設備並且能被用於不同技術領域中的光譜分析。本發明解決了增強光譜儀的光學特性的問題，其中通過採用最小數目的以低成本製造的光學元件減少了由於像差導致的來自物體的輻射光的損耗。這一問題得以解決是由於靜態傅立葉光譜儀包括輸入準直器，其光學連接到幹涉測量單元，幹涉測量元件包括光學分束器和至少兩個反射鏡，它們被布置為使得能夠產生位於反射鏡以及圖像記錄裝置的平面中的幹涉圖案，圖像記錄裝置藉助於投影系統光學連接到幹涉測量單元，使得所述幹涉圖案的圖像能夠被投影到圖像記錄裝置上，其中投影系統包括球面鏡和相對於反射鏡的光學表面的法線位於中心的透鏡類型的物鏡，並且反射鏡和透鏡類型的物鏡被設計成使光輻射能夠從幹涉測量單元穿過透鏡類型的物鏡到達球面鏡，所述光輻射被所述球面鏡反射並且穿過同一個透鏡類型的物鏡到達記錄裝置。
文檔編號G01J3/26GK103119407SQ201180033060
公開日2013年5月22日 申請日期2011年6月7日 優先權日2010年7月2日
發明者A·A·斯託加諾夫, A·O·貝拉什, D·L·博加切夫, V·A·森尼切科夫 申請人:A·A·斯託加諾夫, A·O·貝拉什, D·L·博加切夫, V·A·森尼切科夫