[发明专利]一种光谱仪用干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱仪领域，具体涉及一种傅里叶变换光谱仪用干涉仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪具有波长准确度高、扫描速度快、光谱分辨率高、信噪比高，检测限低、光通量大、多通道同时检测等优点，在物质检测与无损测量研究中被广泛应用，在生产生活以及科研领域发挥着越来越大的作用，特别是在工业、农业、地矿勘探、环境保护、交通、医疗等等诸多行业中应用前景广阔。

傅里叶变换光谱仪基于迈克尔逊干涉以及傅立叶变换技术，系统主要组成包括光源，分束器，干涉仪，光电检测器，机电控制及数据处理装置等。其工作过程可描述为：宽带光源发出光经准直后形成平行光束，入射到分束器后分成两束，两束光经固定镜和动镜反射后返回到分束器再次相遇，形成干涉光束，通过光束聚焦系统汇聚到光电检测器。动镜沿入射光方向的运动改变两条不同路径反射光束之间的光程差，产生时间序列干涉信号，检测器接收干涉信号并将之转化为电信号输出，通过电路系统的调制解调、带通滤波、放大等处理后，经AD转化器采集为数字信号存储于计算机中，由计算机软件程序对采集的数字信号进行切趾、相位校正及快速傅里叶变换后获得测量光谱。

傅立叶变换近红外光谱仪中核心部件为干涉仪，其最大移动光程差决定了光谱仪的最高分辨率，稳定性决定了光谱仪测量精度以及重复性。干涉仪由分束器，动镜，定镜以及对应的移动机构组成。高精密傅里叶光谱仪，对于干涉仪的基本要求是移动行程长，稳定性高，重复性好，动镜在移动过程中仪器的光路保持不变，并且不受动镜移动过程中产生的机械振动及工作环境温度变化的影响。

影响干涉仪精度的因素较多，其中动镜、定镜制造过程中工艺尺寸差异，动镜在扫描过程中运动误差是最主要的影响因素。驱动动镜做直线往复运动对于机械加工以及传动系统要求很高，动镜运动过程中误差主要来源于两个方面：一是由于匀速性不好带来的光程差采样误差，它将引起相位的改变，使干涉图失去对称性；二是平面动镜在移动过程中的倾斜会导致光束偏转，它在降低干涉图调制度的同时还可能带来相位误差

干涉仪中光学元件微小失准会显著影响干涉仪性能。迈克耳逊干涉仪要求动镜在移动过程中保持镜子与波阵面垂直或平行，定镜或者动镜的相对于入射光的平行波阵面的任意短期或长期变化会影响干涉信号，并造成光谱测量的误差。为了减小机械、声学和热扰动的失准影响，干涉仪被设计成具有大质量和热容量。明显地，使用大干涉仪的仪器不易于携带，甚至于不能活动。在商业化干涉仪常采用被动或者主动装置来尽量减小失准效应，其中被动装置包括使用直角反射镜、后向反射镜或其他补偿装置。主动装置包括动态镜对准装置或主动热控制装置。其改进方法包括：Thermo公司的干涉仪采用了高速动态数字准直技术、模块化光学平台和光学元件的对准定位设计；PerkinElmer公司采用了机械转动双动镜干涉仪和“绝对标准化仪器”(absolute virtual instrument，AVI)功能；Bruker公司采用立体角镜干涉仪；ABB公司采用“叉骨”干涉仪；Buchi公司采用偏振干涉仪等。这些改进措施都能在一定程度上改善光谱仪器的性能及长期稳定性，但在应用中也存在一些问题，有些需要专业维护人员对仪器尽心定期校准，才能保证仪器测量精度。

国内外一系列专利及文章也对干涉仪设计进行了改进，如Wadsworth等人于1997年提出了转镜干涉技术方案，利用转镜旋转产生光程差实现干涉，但是由于转镜材料在不同波长折射率下光程差是非线性，容易造成干涉信号变化，因此对转镜材料的选择提出了很高的要求，制造成本较高。

廖宁放等人（专利：一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，201210254898.6）设计了一种旋转式傅里叶变换干涉仪，以分束器或立方角反射镜转动扫描方式代替传统的动镜直线运动扫描方式，具有共光路的特性，即使分束器在旋转过程中有微小晃动，也不会影响干涉效果；以立方角反射镜代替传统傅里叶变换成像光谱仪中的平面镜，避免了因平面镜倾斜带来的问题，提高了仪器的稳定性、可靠性以及抗震动冲击的能力。

袁艳等人提出的转镜式高灵敏度干涉仪设计，采用基于sagnac分束结构的转镜干涉技术，但是该结构中分束镜和两个反射镜之间的角度具有严格限制，不易装调，结构不紧凑，稳定性较差，很难实现实物化以及商业化制造。