专利名称：微型傅里叶变换光谱仪的利记博彩app
技术领域：
本实用新型属于光谱测量仪器技术领域，涉及一种基于调制的微型光谱仪(FTS)，特别 涉及一种新型的空间能量分割的基于Michelson干涉原理的微型傅里叶变换光谱仪。
背景技术：
光谱仪器是分析物质组成成分以及结构的强有力的工具，在环境监测、化学分析、生物 医学、国防和光电子功能材料等科研领域和产业界都有着广泛应用，且这些领域和产业的在 线实时监测以及便携等要求推动了光谱仪器微型化的发展，并有着广阔的应用前景。
近几年来，微型化光谱仪的研究进展非常迅速，现有的微小型光谱仪绝大多数仍然采用 经典光谱仪原理，由于入射狭缝孔径或光阑的大小限制了光通量和效率严重下降的问题，对 一些微弱信号的分析极其不利。与传统的经典微型光谱仪相比，基于调制原理的微型化FTS 同时具备高光通量、高分辨率的性能，并且在实际工艺实现中弥补了同样是基于调制原理的 哈达玛变换光谱仪编码模板材料受限制的缺点。
目前，常见的基于调制原理的微型化光谱仪(FTS)主要由准直系统、分光系统和探测 接收系统构成；所述的分光系统包括分束器及分束器两臂上的两个反射镜，其中第一反射镜 为动镜，第二反射镜为静止的平面镜。这种光谱仪采用时间调制方式来实现光信号的调制， 在探测系统接收处依次形成多个定域干涉条纹；由于作为反射镜的动镜需要一套高精度的驱 动系统，该驱动系统含有运动部件，因而系统的重复性和可靠性难以保证并且测量实时性较 差；并且这种光谱仪需要利用激光参考干涉仪来确定采样点，因而其结构复杂。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、重复性好、工作可靠，并且测量实 时性好的微型傅里叶变换光谱仪。
本实用新型的微型傅里叶变换光谱仪包括准直系统、分光系统和探测接收系统构成；所 述的分光系统包括分束器及分束器两臂上的第二反射镜和第一反射镜，其特征在于第一反射 镜采用第一阶梯镜；第二反射镜反射的光线透过分束器到达探测接收系统，第一阶梯镜反射 的光线经分束器反射到达探测接收系统，由第二反射镜和第一阶梯镜不同位置反射的光在探 测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成干涉条纹。
所述的第二反射镜的反射面与第一阶梯镜的反射面垂直。
待测光源发射的光束经准直系统准直后入射到分束器上，分束器将入射光分为强度相等 的两束相干光 一束经分束器反射后入射到第二反射镜上，经过反射后返回分束器，另一束 透过分束器入射到第一阶梯镜上，经反射后回到分束器。第二反射镜反射的光线透过分束器 到达探测接收系统，第一阶梯镜反射的光线经分束器反射到达探测接收系统；由第二反射镜 和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成 多个定域干涉条纹。
本实用新型采用了阶梯镜作为第一反射镜，实现光的空间调制，在探测接收系统的面阵 探测器上形成多个定域干涉条纹。由于阶梯镜的形状及结构尺寸是固定不变的，因而本实用 新型除了具备目前常见的基于调制原理的微型化光谱仪(FTS)本身的高光通量和高分辨率 等优点外，还具有重复性好、工作可靠，并且测量实时性好等优点，实现了各级次同时采样， 并且不需要利用激光参考干涉仪来确定采样点，结构简单。本实用新型通过探测接收系统记 录每一个干涉级次的光强并通过傅里叶变换即可恢复待测光谱曲线，可广泛应用于光源等多
种光谱测量。
作为本实用新型的进一步改进是所述的第二反射镜采用第二阶梯镜；第二阶梯镜的阶 梯周期山为第一阶梯镜的阶梯周期d2与第一阶梯镜的阶梯数N的乘积；第二阶梯镜反射的光 线透过分束器到达探测接收系统，第一阶梯镜反射的光线经分束器反射到达探测接收系统； 由第二阶梯镜和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置 发生千涉形成干涉条纹。
所述的第二阶梯镜的反射面与第一阶梯镜的反射面垂直，与第一阶梯镜的阶梯反射截断 面平行。
待测光源发射的光束经准直系统准直后入射到分束器上，分束器将入射光分为强度相等 的两束相干光 一束经分束器反射后入射到第二阶梯镜上，经过反射后返回分束器，另一束 透过分束器入射到第一阶梯镜上，经反射后回到分束器。第二阶梯镜反射的光线透过分束器 到达探测接收系统，第一阶梯镜反射的光线经分束器反射到达探测接收系统；由第二阶梯镜 和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成 多个定域干涉条纹。
本实用新型第二反射镜也采用阶梯镜，可以在不减小探测精度的前提下，把一维探测转 换为空间二维探测，从而减小了系统的体积，提高了系统的集成度。
所述的第一阶梯镜的阶梯数等于第二阶梯镜的阶梯数。其优点在于探测器所探测到的级 次信息与后续傅里叶快速变换所需要的信息量大致接近，从而得到精确度较为准确的光谱。
光谱仪的采样方式可以设置为单边采样方式；此时，第二阶梯镜的距分束器最近的反射 面与分束器上的A点之间的距离A等于第一阶梯镜的距分束器最近的反射面与分束器上的A 点之间的距离/2;其中，A为第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与第一阶梯镜的距分束器 最近的反射面在分束器上投影的公共重叠区域内的一个点。
光谱仪的采样方式可以设置为双边采样方式；此时，第一阶梯镜的距分束器最近的反射 面与分束器之间的距离/2、第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与分束器之间的距离A，两 者之差为最小干涉级次与最小探测波长的二分之一的乘积；其中，A为第二阶梯镜的距分束 器最近的反射面与第一阶梯镜的距分束器最近的反射面在分束器上投影的公共重叠区域内 的一个点。
光谱仪的采样方式可以设置为过零单边采样方式；此时，第一阶梯镜的距分束器最近的
反射面与分束器之间的距离/2.第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与分束器之间的距离/i,
两者之差为最小干涉级次与最小探测波长的二分之一的乘积；其中，A为第二阶梯镜的距 分束器最近的反射面与第一阶梯镜的距分束器最近的反射面在分束器上投影的公共重叠区 域内的一个点。该采样方式在不降低系统的性能的基础上减小了后续系统的运算量。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。
图l是本实用新型的俯视结构示意图。图中l为待测光源，它不属于结构的一部分，2为 准直系统，3为镀有半反半透膜层的分束器，4为第二阶梯镜，5为第一阶梯镜，6为会聚透 镜组合，7为面阵探测器，IO基片。
图2是分束器两臂的光程示意图。A为第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与第一阶梯 镜的距分束器最近的反射面在分束器上的投影的公共重叠区域内任意选取的一个点，第二阶 梯镜的距分束器最近的反射面与分束器之间的距离为A，第一阶梯镜的距分束器最近的反射 面与分束器之间的距离为/2。
图3是阶梯镜的具体结构的放大图。图中8为阶梯镜的反射面，其宽度为/， 9是阶梯镜的 阶梯反射截断面，阶梯周期为^，即阶梯镜相邻阶梯之间的距离。
图4为空间光经分束器3分束，经过第二阶梯镜4、第一阶梯镜5反射后的光束发生干涉后 产生定域干涉条纹的分布。
具体实施方式
本实用新型的空间调制微型光谱仪结构如图l所示，l为待测光源，为一扩展光源，不 属于光谱仪结构的一部分，而是光谱仪的探测目标。光谱仪主要由三个基本的部分组成准 直系统2、分光系统和探测接收系统，这三个系统都固定在基片10上。基片10在整个结构 中起到结构支撑作用，可选取金属材料或硅片制成。
准直系统2是光学透镜的组合，光源与透镜之间的距离为透镜组合的焦距；探测接收系 统由会聚透镜组合6、面阵探测器7组成，面阵探测器7位于会聚透镜组合6的焦平面上。分光 系统由半反半透分束器3、作为第二反射镜的平面镜、第一阶梯镜5组成；或者由半反半透分 束器3、第二阶梯镜4、第一阶梯镜5组成。
分光系统中所采用的半反半透分束器3是在玻璃基质上镀光学膜层来实现对光的半反半 透。第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的结构如图3所示8为反射面；其宽度为/; 9是阶梯反射截 断面；阶梯周期为A即阶梯镜相邻阶梯之间的距离。第二阶梯镜4和第一阶梯镜5分别位于 分束器3的两臂上，第二阶梯镜4的反射面8和第一阶梯镜5的反射面8与分束器3法线的夹角均 为45° ，并且第二阶梯镜4的反射面8与第一阶梯镜5的反射面8垂直、与第一阶梯镜5的阶梯 反射截断面面9平行；设第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的阶梯数均为N，第二阶梯镜4的阶梯周 期(^为第一阶梯镜5的阶梯周期d2与第一阶梯镜5的阶梯数N的乘积。
本实用新型的空间调制微型光谱仪工作方式与Michelson干涉仪结构基本相同，在右手 坐标系中，第二反射镜和第一阶梯镜或者第二阶梯镜4和第一阶梯镜5代替了传统迈克耳逊干 涉仪中的两个平面反射镜，第二阶梯镜4和第一阶梯镜5有相同的N个阶梯数，阶梯周期分别 为d和NA且沿x， y方向正交放置。由第二阶梯镜4和第一阶梯镜5不同位置反射的光在探测 接收系统面阵探测器7的空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹，则光束分为了T^个 小空间，记x， y分别代表第二阶梯镜4和第一阶梯镜5阶梯的序数，则(x， y)的空间干涉光 即(Ny-x)级干涉条纹的光程差为5-2c/(Ny-x)。空间干涉光的分布如图4所示。 以下详细说明本实用新型的制作过程
(A) 固定准直系统2:将准直系统光学装调于基片10上。
(B) 分束器3的制作与固定分束器3是在玻璃基质(如BK7)上进行镀膜来实现50y。反和 50%透射的，膜层的设计是由光谱仪的工作频段来决定的。平板分束器3通过光学对准后固 定在基片10上。
(C) 第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的制作与固定阶梯镜可以利用现代微电子技术中的微
细加工工艺来制作，如离子刻蚀法、薄膜沉积法、电子束直写法，激光束直写方法等来实 现，然后再镀上增反膜层来实现对光的反射。
第二阶梯镜4和第一阶梯镜5相对于分束器3的位置的确定是由光谱仪的采样方式来确定 的。如图2所示，在第二阶梯镜4的距分束器3最近的反射面与第一阶梯镜5的距分束器3最近 的反射面在分束器上的投影的公共重叠区域内选取一个点A，光谱仪的采样方式为单边采样 方式时，第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与分束器上的A点之间的距离/,等于第一阶梯 镜的距分束器最近的反射面与分束器上的A点之间的距离/2;光谱仪的采样方式为双边采样 方式时，第一阶梯镜的距分束器最近的反射面与分束器上的A点之间的距离/2、第二阶梯镜 的距分束器最近的反射面与分束器上的A点之间的距离A，两者之差为最小干涉级次与最小 探测波长的二分之一的乘积；光谱仪的采样方式为过零单边采样方式时，第一阶梯镜的距分 束器最近的反射面与分束器上的A点之间的距离/2、第二阶梯镜的距分束器最近的反射面与 分束器上的A点之间的距离A，两者之差为最小干涉级次与最小探测波长的二分之一的乘积。 光谱仪采用过零单边采样方式，在不降低系统的性能的基础上减小了后续系统的运算量。
采样的第一个点的级次n的计算公式为
n= (l2-l1)/d
n设置为一个负的且绝对值远小于最大干涉级次的值，即可实现最佳的过零单边采样方式。
第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的尺寸是由光谱仪的工作范围来确定的。若光谱仪工作在可 见光范围内，第一阶梯镜5的阶梯周期d2约为100nm，反射面8的宽度/约为lcm即可满足测量 要求，阶梯数N是由仪器所要达到的分辨率来决定的。理想的阶梯镜的反射面8是相互平行 的平面，d2的尺寸可在100nm-20(^m范围内。
(D) 会聚透镜组合6的固定会聚透镜组合6位于分束器3与第二阶梯镜4中心连线的延长 线上，其与分束器3之间的距离可根据光谱仪要求确定。
(E) 面阵探测器7位置固定面阵探测器7位于会聚透镜组合6的焦平面上，且其有效象 素数由第二阶梯镜4和第一阶梯镜5的结构决定，至少为^P个。其记录的光强分布示意图如图 4所示，这里给出的是8x8的空间光分布，其中数字代表的是干涉级次，即光程差S相对于最 小测量波长的倍数，每个级次的光强分布是由l个像素来记录的。图4是以A、 /2相等来说明 的，可以通过调节两个臂长l1,l2的大小来实现不同方式的采样的。
权利要求1、一种微型傅里叶变换光谱仪，包括准直系统、分光系统和探测接收系统构成；所述的分光系统包括分束器及分束器两臂上的第一反射镜和第二反射镜，其特征在于第一反射镜采用第一阶梯镜(5)；第二反射镜反射的光线透过分束器到达探测接收系统，第一阶梯镜(5)反射的光线经分束器反射到达探测接收系统，由第二反射镜和第一阶梯镜(5)不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生干涉形成干涉条纹。
2、 根据权利要求l所述的微型傅里叶变换光谱仪，其特征在于第二反射镜采用第二阶梯 镜；第二阶梯镜(4)的阶梯周期山为第一阶梯镜(5)的阶梯周期d2与第一阶梯镜(5)的阶 梯数N的乘积；第二阶梯镜(4)反射的光线透过分束器到达探测接收系统，由第二阶梯镜(4)和第一阶梯镜(5)不同位置反射的光在探测接收系统面阵探测器的空间不同位置发生 干涉形成干涉条纹。
3、 根据权利要求2所述的微型傅里叶变换光谱仪，其特征在于第一阶梯镜(5)的阶梯 数等于第二阶梯镜(4)的阶梯数N。
4、 根据权利要求2所述的微型傅里叶变换光谱仪，其特征在于第二阶梯镜(4)的距分 束器(3)最近的反射面与分束器(3)上的A点之间的距离A等于第一阶梯镜(5)的距分束器 (3)最近的反射面与分束器(3)上的八点之间的距离/2;其中，A为第二阶梯镜(4)的距分 束器(3)最近的反射面与第一阶梯镜(5)的距分束器(3)最近的反射面在分束器上投影的公共 重叠区域内的一个点。
5、 根据权利要求2所述的微型傅里叶变换光谱仪，其特征在于第一阶梯镜(5)的距分 束器(3)最近的反射面与分束器(3)之间的距离/2、第二阶梯镜(4)的距分束器(3)最近的反 射面与分束器(3)之间的距离A，两者之差为最小干涉级次与最小探测波长的二分之一的乘 积；其中，A为第二阶梯镜(4)的距分束器(3)最近的反射面与第一阶梯镜(5)的距分束器 (3)最近的反射面在分束器上投影的公共重叠区域内的一个点。
6、 根据权利要求2所述的微型傅里叶变换光谱仪，其特征在于第一阶梯镜(5)的距分 束器(3)最近的反射面与分束器(3)之间的距离/2、第二阶梯镜(4)的距分束器(3)最近的反 射面与分束器(3)之间的距离^，两者之差为最小干涉级次与最小探测波长的二分之一的乘 积；其中，A为第二阶梯镜(4)的距分束器(3)最近的反射面与第一阶梯镜(5)的距分束 器(3)最近的反射面在分束器上投影的公共重叠区域内的一个点。
专利摘要本实用新型涉及一种微型傅里叶变换光谱仪。该光谱仪主要由准直系统、分光系统和探测接收系统构成；待测光源发射的光束经准直系统准直后入射到分束器上，分束器将入射光分为强度相等的两束相干光，一束经分束器反射后入射到第二反射镜上，经过反射后返回分束器，另一束透过分束器入射到第一阶梯镜上，经反射后回到分束器。由第二反射镜和第一阶梯镜不同位置反射的光在探测接收系统的空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹。本实用新型除了具备高光通量和高分辨率等优点外，还具有重复性好、工作可靠，并且测量实时性好等优点，在省略掉激光参考干涉仪基础上实现了各级次同时采样，可广泛应用于光源等多种光谱测量。
文档编号G01N21/41GK201203578SQ200820071669
公开日2009年3月4日 申请日期2008年4月10日 优先权日2008年4月10日
发明者孔延梅, 梁中翥, 梁静秋 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所