專利名稱：微型傅里葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光譜測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于調(diào)制的微型光譜儀(FTS)，特別 涉及一種新型的空間能量分割的基于Michelson干涉原理的微型傅里葉變換光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜儀器是分析物質(zhì)組成成分以及結(jié)構(gòu)的強有力的工具，在環(huán)境監(jiān)測、化學分析、生物 醫(yī)學、國防和光電子功能材料等科研領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)界都有著廣泛應(yīng)用，且這些領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的在 線實時監(jiān)測以及便攜等要求推動了光譜儀器微型化的發(fā)展，并有著廣闊的應(yīng)用前景。
近幾年來，微型化光譜儀的研究進展非常迅速，現(xiàn)有的微小型光譜儀絕大多數(shù)仍然采用 經(jīng)典光譜儀原理，由于入射狹縫孔徑或光闌的大小限制了光通量和效率嚴重下降的問題，對 一些微弱信號的分析極其不利。與傳統(tǒng)的經(jīng)典微型光譜儀相比，基于調(diào)制原理的微型化FTS 同時具備高光通量、高分辨率的性能，并且在實際工藝實現(xiàn)中彌補了同樣是基于調(diào)制原理的 哈達瑪變換光譜儀編碼模板材料受限制的缺點。
目前，常見的基于調(diào)制原理的微型化光譜儀(FTS)主要由準直系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測 接收系統(tǒng)構(gòu)成；所述的分光系統(tǒng)包括分束器及分束器兩臂上的兩個反射鏡，其中第一反射鏡 為動鏡，第二反射鏡為靜止的平面鏡。這種光譜儀采用時間調(diào)制方式來實現(xiàn)光信號的調(diào)制， 在探測系統(tǒng)接收處依次形成多個定域干涉條紋；由于作為反射鏡的動鏡需要一套高精度的驅(qū) 動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)含有運動部件，因而系統(tǒng)的重復(fù)性和可靠性難以保證并且測量實時性較 差；并且這種光譜儀需要利用激光參考干涉儀來確定采樣點，因而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好、工作可靠，并且測量實 時性好的微型傅里葉變換光譜儀。
本實用新型的微型傅里葉變換光譜儀包括準直系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測接收系統(tǒng)構(gòu)成；所 述的分光系統(tǒng)包括分束器及分束器兩臂上的第二反射鏡和第一反射鏡，其特征在于第一反射 鏡采用第一階梯鏡；第二反射鏡反射的光線透過分束器到達探測接收系統(tǒng)，第一階梯鏡反射 的光線經(jīng)分束器反射到達探測接收系統(tǒng)，由第二反射鏡和第一階梯鏡不同位置反射的光在探 測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置發(fā)生干涉形成干涉條紋。
所述的第二反射鏡的反射面與第一階梯鏡的反射面垂直。
待測光源發(fā)射的光束經(jīng)準直系統(tǒng)準直后入射到分束器上，分束器將入射光分為強度相等 的兩束相干光 一束經(jīng)分束器反射后入射到第二反射鏡上，經(jīng)過反射后返回分束器，另一束 透過分束器入射到第一階梯鏡上，經(jīng)反射后回到分束器。第二反射鏡反射的光線透過分束器 到達探測接收系統(tǒng)，第一階梯鏡反射的光線經(jīng)分束器反射到達探測接收系統(tǒng)；由第二反射鏡 和第一階梯鏡不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置發(fā)生干涉形成 多個定域干涉條紋。
本實用新型采用了階梯鏡作為第一反射鏡，實現(xiàn)光的空間調(diào)制，在探測接收系統(tǒng)的面陣 探測器上形成多個定域干涉條紋。由于階梯鏡的形狀及結(jié)構(gòu)尺寸是固定不變的，因而本實用 新型除了具備目前常見的基于調(diào)制原理的微型化光譜儀(FTS)本身的高光通量和高分辨率 等優(yōu)點外，還具有重復(fù)性好、工作可靠，并且測量實時性好等優(yōu)點，實現(xiàn)了各級次同時采樣， 并且不需要利用激光參考干涉儀來確定采樣點，結(jié)構(gòu)簡單。本實用新型通過探測接收系統(tǒng)記 錄每一個干涉級次的光強并通過傅里葉變換即可恢復(fù)待測光譜曲線，可廣泛應(yīng)用于光源等多
種光譜測量。
作為本實用新型的進一步改進是所述的第二反射鏡采用第二階梯鏡；第二階梯鏡的階 梯周期山為第一階梯鏡的階梯周期d2與第一階梯鏡的階梯數(shù)N的乘積；第二階梯鏡反射的光 線透過分束器到達探測接收系統(tǒng)，第一階梯鏡反射的光線經(jīng)分束器反射到達探測接收系統(tǒng)； 由第二階梯鏡和第一階梯鏡不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置 發(fā)生千涉形成干涉條紋。
所述的第二階梯鏡的反射面與第一階梯鏡的反射面垂直，與第一階梯鏡的階梯反射截斷 面平行。
待測光源發(fā)射的光束經(jīng)準直系統(tǒng)準直后入射到分束器上，分束器將入射光分為強度相等 的兩束相干光 一束經(jīng)分束器反射后入射到第二階梯鏡上，經(jīng)過反射后返回分束器，另一束 透過分束器入射到第一階梯鏡上，經(jīng)反射后回到分束器。第二階梯鏡反射的光線透過分束器 到達探測接收系統(tǒng)，第一階梯鏡反射的光線經(jīng)分束器反射到達探測接收系統(tǒng)；由第二階梯鏡 和第一階梯鏡不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置發(fā)生干涉形成 多個定域干涉條紋。
本實用新型第二反射鏡也采用階梯鏡，可以在不減小探測精度的前提下，把一維探測轉(zhuǎn) 換為空間二維探測，從而減小了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的集成度。
所述的第一階梯鏡的階梯數(shù)等于第二階梯鏡的階梯數(shù)。其優(yōu)點在于探測器所探測到的級 次信息與后續(xù)傅里葉快速變換所需要的信息量大致接近，從而得到精確度較為準確的光譜。
光譜儀的采樣方式可以設(shè)置為單邊采樣方式；此時，第二階梯鏡的距分束器最近的反射 面與分束器上的A點之間的距離A等于第一階梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器上的A 點之間的距離/2;其中，A為第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與第一階梯鏡的距分束器 最近的反射面在分束器上投影的公共重疊區(qū)域內(nèi)的一個點。
光譜儀的采樣方式可以設(shè)置為雙邊采樣方式；此時，第一階梯鏡的距分束器最近的反射 面與分束器之間的距離/2、第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器之間的距離A，兩 者之差為最小干涉級次與最小探測波長的二分之一的乘積；其中，A為第二階梯鏡的距分束 器最近的反射面與第一階梯鏡的距分束器最近的反射面在分束器上投影的公共重疊區(qū)域內(nèi) 的一個點。
光譜儀的采樣方式可以設(shè)置為過零單邊采樣方式；此時，第一階梯鏡的距分束器最近的
反射面與分束器之間的距離/2.第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器之間的距離/i,
兩者之差為最小干涉級次與最小探測波長的二分之一的乘積；其中，A為第二階梯鏡的距 分束器最近的反射面與第一階梯鏡的距分束器最近的反射面在分束器上投影的公共重疊區(qū) 域內(nèi)的一個點。該采樣方式在不降低系統(tǒng)的性能的基礎(chǔ)上減小了后續(xù)系統(tǒng)的運算量。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。


圖l是本實用新型的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)為待測光源，它不屬于結(jié)構(gòu)的一部分，2為 準直系統(tǒng)，3為鍍有半反半透膜層的分束器，4為第二階梯鏡，5為第一階梯鏡，6為會聚透 鏡組合，7為面陣探測器，IO基片。
圖2是分束器兩臂的光程示意圖。A為第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與第一階梯 鏡的距分束器最近的反射面在分束器上的投影的公共重疊區(qū)域內(nèi)任意選取的一個點，第二階 梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器之間的距離為A，第一階梯鏡的距分束器最近的反射 面與分束器之間的距離為/2。
圖3是階梯鏡的具體結(jié)構(gòu)的放大圖。圖中8為階梯鏡的反射面，其寬度為/， 9是階梯鏡的 階梯反射截斷面，階梯周期為^，即階梯鏡相鄰階梯之間的距離。
圖4為空間光經(jīng)分束器3分束，經(jīng)過第二階梯鏡4、第一階梯鏡5反射后的光束發(fā)生干涉后 產(chǎn)生定域干涉條紋的分布。
具體實施方式

本實用新型的空間調(diào)制微型光譜儀結(jié)構(gòu)如圖l所示，l為待測光源，為一擴展光源，不 屬于光譜儀結(jié)構(gòu)的一部分，而是光譜儀的探測目標。光譜儀主要由三個基本的部分組成準 直系統(tǒng)2、分光系統(tǒng)和探測接收系統(tǒng)，這三個系統(tǒng)都固定在基片10上?；?0在整個結(jié)構(gòu) 中起到結(jié)構(gòu)支撐作用，可選取金屬材料或硅片制成。
準直系統(tǒng)2是光學透鏡的組合，光源與透鏡之間的距離為透鏡組合的焦距；探測接收系 統(tǒng)由會聚透鏡組合6、面陣探測器7組成，面陣探測器7位于會聚透鏡組合6的焦平面上。分光 系統(tǒng)由半反半透分束器3、作為第二反射鏡的平面鏡、第一階梯鏡5組成；或者由半反半透分 束器3、第二階梯鏡4、第一階梯鏡5組成。
分光系統(tǒng)中所采用的半反半透分束器3是在玻璃基質(zhì)上鍍光學膜層來實現(xiàn)對光的半反半 透。第二階梯鏡4和第一階梯鏡5的結(jié)構(gòu)如圖3所示8為反射面；其寬度為/; 9是階梯反射截 斷面；階梯周期為A即階梯鏡相鄰階梯之間的距離。第二階梯鏡4和第一階梯鏡5分別位于 分束器3的兩臂上，第二階梯鏡4的反射面8和第一階梯鏡5的反射面8與分束器3法線的夾角均 為45° ，并且第二階梯鏡4的反射面8與第一階梯鏡5的反射面8垂直、與第一階梯鏡5的階梯 反射截斷面面9平行；設(shè)第二階梯鏡4和第一階梯鏡5的階梯數(shù)均為N，第二階梯鏡4的階梯周 期(^為第一階梯鏡5的階梯周期d2與第一階梯鏡5的階梯數(shù)N的乘積。
本實用新型的空間調(diào)制微型光譜儀工作方式與Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)基本相同，在右手 坐標系中，第二反射鏡和第一階梯鏡或者第二階梯鏡4和第一階梯鏡5代替了傳統(tǒng)邁克耳遜干 涉儀中的兩個平面反射鏡，第二階梯鏡4和第一階梯鏡5有相同的N個階梯數(shù)，階梯周期分別 為d和NA且沿x， y方向正交放置。由第二階梯鏡4和第一階梯鏡5不同位置反射的光在探測 接收系統(tǒng)面陣探測器7的空間不同位置發(fā)生干涉形成多個定域干涉條紋，則光束分為了T^個 小空間，記x， y分別代表第二階梯鏡4和第一階梯鏡5階梯的序數(shù)，則(x， y)的空間干涉光 即(Ny-x)級干涉條紋的光程差為5-2c/(Ny-x)。空間干涉光的分布如圖4所示。 以下詳細說明本實用新型的制作過程
(A) 固定準直系統(tǒng)2:將準直系統(tǒng)光學裝調(diào)于基片10上。
(B) 分束器3的制作與固定分束器3是在玻璃基質(zhì)(如BK7)上進行鍍膜來實現(xiàn)50y。反和 50%透射的，膜層的設(shè)計是由光譜儀的工作頻段來決定的。平板分束器3通過光學對準后固 定在基片10上。
(C) 第二階梯鏡4和第一階梯鏡5的制作與固定階梯鏡可以利用現(xiàn)代微電子技術(shù)中的微
細加工工藝來制作，如離子刻蝕法、薄膜沉積法、電子束直寫法，激光束直寫方法等來實 現(xiàn)，然后再鍍上增反膜層來實現(xiàn)對光的反射。
第二階梯鏡4和第一階梯鏡5相對于分束器3的位置的確定是由光譜儀的采樣方式來確定 的。如圖2所示，在第二階梯鏡4的距分束器3最近的反射面與第一階梯鏡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疊區(qū)域內(nèi)選取一個點A，光譜儀的采樣方式為單邊采樣 方式時，第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器上的A點之間的距離/,等于第一階梯 鏡的距分束器最近的反射面與分束器上的A點之間的距離/2;光譜儀的采樣方式為雙邊采樣 方式時，第一階梯鏡的距分束器最近的反射面與分束器上的A點之間的距離/2、第二階梯鏡 的距分束器最近的反射面與分束器上的A點之間的距離A，兩者之差為最小干涉級次與最小 探測波長的二分之一的乘積；光譜儀的采樣方式為過零單邊采樣方式時，第一階梯鏡的距分 束器最近的反射面與分束器上的A點之間的距離/2、第二階梯鏡的距分束器最近的反射面與 分束器上的A點之間的距離A，兩者之差為最小干涉級次與最小探測波長的二分之一的乘積。 光譜儀采用過零單邊采樣方式，在不降低系統(tǒng)的性能的基礎(chǔ)上減小了后續(xù)系統(tǒng)的運算量。
采樣的第一個點的級次n的計算公式為
n= (l2-l1)/d
n設(shè)置為一個負的且絕對值遠小于最大干涉級次的值，即可實現(xiàn)最佳的過零單邊采樣方式。
第二階梯鏡4和第一階梯鏡5的尺寸是由光譜儀的工作范圍來確定的。若光譜儀工作在可 見光范圍內(nèi)，第一階梯鏡5的階梯周期d2約為100nm，反射面8的寬度/約為lcm即可滿足測量 要求，階梯數(shù)N是由儀器所要達到的分辨率來決定的。理想的階梯鏡的反射面8是相互平行 的平面，d2的尺寸可在100nm-20(^m范圍內(nèi)。
(D) 會聚透鏡組合6的固定會聚透鏡組合6位于分束器3與第二階梯鏡4中心連線的延長 線上，其與分束器3之間的距離可根據(jù)光譜儀要求確定。
(E) 面陣探測器7位置固定面陣探測器7位于會聚透鏡組合6的焦平面上，且其有效象 素數(shù)由第二階梯鏡4和第一階梯鏡5的結(jié)構(gòu)決定，至少為^P個。其記錄的光強分布示意圖如圖 4所示，這里給出的是8x8的空間光分布，其中數(shù)字代表的是干涉級次，即光程差S相對于最 小測量波長的倍數(shù)，每個級次的光強分布是由l個像素來記錄的。圖4是以A、 /2相等來說明 的，可以通過調(diào)節(jié)兩個臂長l1,l2的大小來實現(xiàn)不同方式的采樣的。
權(quán)利要求1、一種微型傅里葉變換光譜儀，包括準直系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測接收系統(tǒng)構(gòu)成；所述的分光系統(tǒng)包括分束器及分束器兩臂上的第一反射鏡和第二反射鏡，其特征在于第一反射鏡采用第一階梯鏡(5)；第二反射鏡反射的光線透過分束器到達探測接收系統(tǒng)，第一階梯鏡(5)反射的光線經(jīng)分束器反射到達探測接收系統(tǒng)，由第二反射鏡和第一階梯鏡(5)不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置發(fā)生干涉形成干涉條紋。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型傅里葉變換光譜儀，其特征在于第二反射鏡采用第二階梯 鏡；第二階梯鏡(4)的階梯周期山為第一階梯鏡(5)的階梯周期d2與第一階梯鏡(5)的階 梯數(shù)N的乘積；第二階梯鏡(4)反射的光線透過分束器到達探測接收系統(tǒng)，由第二階梯鏡(4)和第一階梯鏡(5)不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)面陣探測器的空間不同位置發(fā)生 干涉形成干涉條紋。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型傅里葉變換光譜儀，其特征在于第一階梯鏡(5)的階梯 數(shù)等于第二階梯鏡(4)的階梯數(shù)N。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型傅里葉變換光譜儀，其特征在于第二階梯鏡(4)的距分 束器(3)最近的反射面與分束器(3)上的A點之間的距離A等于第一階梯鏡(5)的距分束器 (3)最近的反射面與分束器(3)上的八點之間的距離/2;其中，A為第二階梯鏡(4)的距分 束器(3)最近的反射面與第一階梯鏡(5)的距分束器(3)最近的反射面在分束器上投影的公共 重疊區(qū)域內(nèi)的一個點。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型傅里葉變換光譜儀，其特征在于第一階梯鏡(5)的距分 束器(3)最近的反射面與分束器(3)之間的距離/2、第二階梯鏡(4)的距分束器(3)最近的反 射面與分束器(3)之間的距離A，兩者之差為最小干涉級次與最小探測波長的二分之一的乘 積；其中，A為第二階梯鏡(4)的距分束器(3)最近的反射面與第一階梯鏡(5)的距分束器 (3)最近的反射面在分束器上投影的公共重疊區(qū)域內(nèi)的一個點。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型傅里葉變換光譜儀，其特征在于第一階梯鏡(5)的距分 束器(3)最近的反射面與分束器(3)之間的距離/2、第二階梯鏡(4)的距分束器(3)最近的反 射面與分束器(3)之間的距離^，兩者之差為最小干涉級次與最小探測波長的二分之一的乘 積；其中，A為第二階梯鏡(4)的距分束器(3)最近的反射面與第一階梯鏡(5)的距分束 器(3)最近的反射面在分束器上投影的公共重疊區(qū)域內(nèi)的一個點。
專利摘要本實用新型涉及一種微型傅里葉變換光譜儀。該光譜儀主要由準直系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和探測接收系統(tǒng)構(gòu)成；待測光源發(fā)射的光束經(jīng)準直系統(tǒng)準直后入射到分束器上，分束器將入射光分為強度相等的兩束相干光，一束經(jīng)分束器反射后入射到第二反射鏡上，經(jīng)過反射后返回分束器，另一束透過分束器入射到第一階梯鏡上，經(jīng)反射后回到分束器。由第二反射鏡和第一階梯鏡不同位置反射的光在探測接收系統(tǒng)的空間不同位置發(fā)生干涉形成多個定域干涉條紋。本實用新型除了具備高光通量和高分辨率等優(yōu)點外，還具有重復(fù)性好、工作可靠，并且測量實時性好等優(yōu)點，在省略掉激光參考干涉儀基礎(chǔ)上實現(xiàn)了各級次同時采樣，可廣泛應(yīng)用于光源等多種光譜測量。
文檔編號G01N21/41GK201203578SQ200820071669
公開日2009年3月4日 申請日期2008年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月10日
發(fā)明者孔延梅, 梁中翥, 梁靜秋 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所