专利名称：静态傅里叶光谱仪的制作方法
静态傅里叶光谱仪本发明涉及干涉光谱装置并且能被用于不同技术领域的光谱研究。由于高发光度(Zhakino增益)、高速性能和在研究[I]的范围内整个辐射光谱的同步记录能力，傅里叶光谱仪被广泛用在光谱研究中。傅里叶光谱仪包括以下基本的功能单元:形成输入光束的系统(下文中称为输入准直器)、干涉测量单元、投影系统、记录装置。在动态傅里叶光谱仪中，经典的迈克尔逊干涉仪的各种变型最常被用作干涉测量单元，这些变型包括半透反射器(分束器)和两个反射器(或回射器)，其中一个反射器是可移动的并且提供了可变的光程差。当移动可移动的反射器时，在记录平面中发生了周期性的照明交替，从而实现了入射辐射光谱的每个波长的调制，且调制频率与波长成反比。动态傅里叶光谱仪的度量参数(例如，信噪比)取决于调制深度，取决于依次移动稳定度和移动干涉测量单元反射器的平行度。当操作傅里叶光谱仪时，外部振动会影响反射器移动的稳定度，从而限制了在强振动的条件下使用动态傅里叶光谱仪的可能性。静态傅里叶光谱仪的空间特性是在记录装置的平面内沿着其中一个坐标轴实现干涉图像的空间分解。静态傅里叶光谱仪相对于动态傅里叶光谱仪的优点是没有可移动结构、线性马达和比较复杂的控制系统，从而有机会制造紧凑的抗振动光谱仪并降低生产成本。静态傅里叶光谱仪中的调制深度取决于由投影系统的频率和对比度特性所决定的图像传输质量，并且随着投影系统中的像差增大而减小。调制深度的减小会使静态傅里叶光谱仪的度量参数(信噪比·)变差。因此，静态傅里叶光谱仪的度量参数的改善主要与投影系统的损耗最小化有关。在现有的静态傅里叶光谱仪专利N0.6222627 ;专利N0.6930781 ;美国专利N0.7092101中，通过在光学系统中增加折射和反射面的数目并采用非球面，在矫正多种像差的情况下由投影系统进行图像传输的任务得到了建设性地解决。在根据专利N0.6222627的静态傅里叶光谱仪中，干涉测量单元是基于双折射晶体(在专利N0.6222627中被称为沃拉斯顿棱镜)而生成的，具有包括多个顺序放置的透镜的投影系统。多单元的二极管标尺被用作图像记录装置。该装置的主要缺点是光谱仪的光学参数依赖于用于获得干涉图像的偏振晶体的材料和几何尺寸，这导致由于路径差对波长的依赖而造成的对光谱分辨率的限制。另一缺点是由于在投影系统中顺序放置透镜而增大了球差和色差的损耗。在根据专利N0.6930781的静态傅里叶光谱仪中，采用了干涉光线的横向移动的方案作为干涉测量单元(在专利N0.6930781中被称为San’ yak干涉仪)。该装置的主要缺点是定性的投影和由具有最小光损耗的此种类型的干涉测量单元获得的图像聚焦的技术复杂性。在这种情况下，干涉图像位于无穷远，这要求实现在傅里叶光谱仪中投影系统包括非球面的光学元件，从而降低了生产中的可操作性并且增加了成本。在这一系列值得注意的特征中最接近本发明的是美国专利N0.7092101的装置，其中根据迈克尔逊干涉仪的方案，实现了包括分束器和两个反射器的干涉测量单元，干涉图像形成于其中一个反射器的平面中。与干涉测量单元光学连接的输入准直器包括光阑和物镜。所指示的干涉图像的图片借助与图像记录装置光学连接的投影系统被投影到图像记录装置上。当研究细长物体的辐射时，该装置的主要缺点是要由包含一系列透镜单元的投影系统来将干涉图像的图片传送至记录装置。在该装置中，像差的减小是由透镜数目的增加而实现的，而这又会增大光谱仪的尺寸和生产成本。对于多色辐射，在大多数所考虑的装置中，传送干涉图像图片的任务是由包括连续放置的具有轴向光线路径的透镜组件的投影系统来解决的。这导致与色差和球差相关的解决能力的损耗。当传送针对细长物体而获得的干涉图像图片时，与像散和场曲有关的损耗会出现。这显著地降低了投影到图像记录装置上的图片的质量并且因此使光谱仪的度量参数变差。在仅包括顺序放置的透镜的投影系统中，对于不同类型像差进行同时补偿的技术方案导致透镜数目和尺寸的增加，会导致生产成本的增大。本发明的任务在于改进光谱仪的光学参数，在光谱仪中，通过最小数目的以较低成本制造的光学元件实现了在传送与像差有关的图片时光损耗的降低。设定任务是这样来实现的，静态光谱仪含有与干涉测量单元光学连接的输入准直器(干涉测量单元包括分束器和被安装的至少两个反射器以能够在反射器平面内产生干涉图像)和通过投影系统与干涉测量单元光学连接的图像记录装置，投影系统能够将指示的干涉图像图片投影到图像记录装置上，其中投影系统包括球面反射器和相对于反射器光学平面的法线位于中心的物镜，反射器和物镜被制成具有使得光辐射能够从干涉测量单元通过物镜到达球面反射器，由球面反射器反射并通过同一个物镜到达记录装置。静态傅里叶光谱仪的这组提出的特征允许获得最小的辐射损耗，同时由于球差和色差以及像散的消除使干涉图像图片被高质量地传输到记录装置，球差和色差以及像散的消除得益于最小数目的投影系统的光学元件最佳结合，所述光学元件优选是球面形状的。在投影系统中为了校正在干涉图像平面和干涉图像图片平面的非共面处的色差，复合的物镜被采用，其包括至少两个由不同材料制成并且通过光学接触而连接的透镜，其中一个透镜被制成平凸的，而与其连接的第二个透镜为新月形。为了提供振动稳定性，干涉测量单元被做成由斜边面胶合的两个玻璃矩形棱镜，其中一个被涂覆分束涂层，反射器被制作在每个棱镜中的其中一个中直线表面上以使得光学元件的数目最小化，并且棱镜被胶合使得具有反射器的表面是胶合而成的多面体的相邻表面，干涉测量单元的其中一个棱镜与投影系统的物镜通过光学接触而连接以实现从干涉仪反射面到球面反射器的光路和从球面反射器到记录装置的光线的相同条件。投影系统包括位于透镜和记录装置之间并且通过光学接触与物镜连接以实现振动稳定性的补偿器，其中补偿器采用与干涉测量单元的棱镜相同的材料制成以使得补偿器和干涉测量单元中的光学路径长度相同。补偿器以等腰矩形棱镜的形式制成，其中反射涂层在斜边面上以提供便携性，记录装置被定位成垂直于干涉测量单元的多面体的其中一个反射面的平面。通过以下附图来说明本发明所要保护的装置:

图1示出了静态傅里叶光谱仪(辐射对象平面的剖面)的工作原理图。图2示出了傅里叶光谱仪方案的图(图像记录装置平面的剖面)。
图3示出了静态傅里叶光谱仪(轴测法)。图4示出了静态傅里叶光谱仪的干涉测量单元。图5示出了傅里叶光谱仪的干涉测量单元中的路径差的形成。图6示出了干涉观察平面上的相干光束。图7示出了具有色差校正的投影系统中的光路。图8示出了具有场像差(field aberration)校正的光路。根据图1-3的静态傅里叶光谱仪包括与干涉测量单元2光学连接的输入准直器1、投影系统3和图像记录装置4。输入准直器I将辐射从待分析对象5引导至干涉测量单元2。输入准直器可以包含光阑和由几个透镜组成的系统。在这种情况下，为了获得反射器照明的均匀度和光学协调所需的最小数目的方案元件，将其设定为光阑6和两个透镜7、8的形式。根据迈克尔逊干涉仪的经典方案，干涉测量单元2可以由两个独立的反射器组成。如图1所示的干涉测量单元2被实现为两个矩形等腰棱镜9和10，它们由相同材料制成(具有相同折射率值η)并且胶合以增加振动稳定性并使生产成本最小化。根据图2，在形成分束器时，斜边面16被涂覆了具有接近50 % (优选在40 %到60 %的范围内)的反射率的反射涂层，每个棱镜9和10的中直线表面17和18上设置了反射涂层(优选具有大于95%的反射率)。尽管在指示表面上实现反射涂层提供了抗振动性和生产成本的最小化，但是在其他方案中，也可以采用临近棱镜的中直线表面的分离的可调反射器。干涉测量单元2和投影系统3被光学关联使得被导引到干涉测量单元2的光束在面16上分开，从棱镜9和10的反射面17和18上反射然后进入物镜11。投影系统3包括球面反射器12，其能够降低色差中的光损耗，如图3所示，物镜11 (双胶合)和补偿器13位于物镜11和图像记录装置4之间。与物镜11通过光学接触相连的补偿器13是由与干涉测量单元2的棱镜9和10的材料相同的材料制成的。记录装置4以多单元接收器(例如CXD或CMOS)的形式实现从而能够改善记录的能量和度量参数，包括信号/噪声、检测阈值和测量时间。在其它方案中，图像记录装置4也可以被制造为扫描光电接收器，例如光导摄像管。补偿器13如图3所示被制作成在斜边面19上具有反射涂层的矩形棱镜，并被安装在物镜11上使得被反射器12反射并通过物镜11返回的光束进入棱镜补偿器13的第一中直线面，反射，并且从该斜边面到达图像记录装置4。为了统一细节和增加装配加工能力，补偿器13被制成与干涉测量单元2的棱镜9或10之一相同的棱镜形式，补偿器13中的光程长度等于干涉测量单元2的棱镜9和10的光程。如图2所示的投影系统3的物镜11通过光学接触与干涉测量单元2连接，这增加了这种系统的振动稳定度并且排除了在该装置中采用可调元件的必要性，为其提供了便携性。物镜11由两个透镜组成，其中一个透镜是平凸的14，而另一个15被制作成新月形的并与第一个透镜连接，透镜15凹面的曲率半径与平凸透镜14的凸面的曲率半径相符合，这能够校正球差。透镜14和15是由不同的等级的玻璃制成，对于位置的色差校正具有不同的折射率n，透镜14是由较高折射率η的玻璃制成的。透镜14和15的连接由于胶合而降低了在光学接触面上的光损耗并且简化了紧固物镜11的构造任务。为了获得干涉图像，干涉测量单元2的棱镜9、10如图4所示绕垂直于的胶合面的轴相对于彼此转动α角并被胶合在一起，使得对于穿过干涉测量单元2的光线，沿着中直面的平面内的其中一个坐标轴产生可变光程差，因此，在棱镜9和10的反射面17和18内的以暗带和亮带序列的形式观察到了干涉图像。具有反射涂层17和18的面如图4所示是由于胶合而形成的多面体的相邻面。该装置按以下方式工作。来自待分析对象5的光辐射通过输入准直器I进入静态傅里叶光谱仪，输入准直器I通过孔与投影系统3配合。输入准直器将来自对象5的每个点的辐射转换成近似平行光束的光束，并且将所获得的光束引导至干涉测量单元2，提供了干涉测量单元2的棱镜9和10的反射面的工作区域的照明均匀性。该光束在分束器16上被分开(图5)。被分开的光束的各部分沿着其路径传送并从反射面17和18反射。由于可变路程差Λ I (X)，出现了光线的相干和在棱镜9和10的反射面17和18的平面内的二维干涉图像的形成。依靠与输入准直器I和干涉测量单元2光学连接的投影系统3，以及依靠补偿器13，所获得的干涉图像的图片被投影到图像记录装置4上。静态傅里叶光谱仪的光谱分辨率由干涉图像的传输质量和记录装置4上(图6)的图片的分解干涉条的空间频率N来决定。路程差Al沿着在棱镜9和10的反射表面的平面内的干涉图像与X轴线性相关，并且也与相互转动α角相关。在小角度范围内，相关性被表述为公式Λ I (X) = 2 α X，即，光线的路径差Λ I随着棱镜9和10的转动角α增大而增大。正如图6所示，在干涉图像平面(例如棱镜9的反射面17)的每个P点对于两个相互呈α角度的干涉光线LI和L2，路程差的增量dA I沿着波面Vl和V2的交叉线(波面的交叉线垂直于该平面，图6)从一个带到另一个带变化。基于公式N = 2 α / λ的对于小角度的固定线性场干涉的干涉带的空间频率N随着来自对象5的辐射波长λ的增加而减小，并且在固定波长λ下取决于角度α。因此在辐射波长λ = I μ m，当采用具有40mm斜面的矩形棱镜9和10时，棱镜相对于彼此的转动角度α的数值是近似20角分；在尺寸为20X20mm的记录装置的近场中干涉带的条数为200。通过采用反射元件(S卩，投影系统3的组成中的球面反射器12)消除了色差的增大。在偏离系统对称性的情况下出现的位置的色差，例如图7中所示的记录平面M’A’在图片中相对于从干涉图像MA形成的平面的偏移距离h，通过胶合由不同等级的玻璃制成的透镜14和15得到了校正。同时，透镜14由折射率η比透镜15高的玻璃制成。来自位于棱镜9的反射面17的平面内的干涉图像的点A的光线，由于折射以角度Θ分离，角度Θ依赖于波长λ。光线从球面反射器12反射后穿过同一个物镜11，因此产生对Θ角的初始偏离的补偿。光线λ I和λ 2在图像记录平面的Α’点汇合。位置色差的消除提供了投影系统的更好的频率和对比度特性，因此静态傅里叶光谱仪具有更好的度量参数(分辨率、信噪比)。通过干涉测量单元2和投影系统3的光学协作实现了单色差校正。传输的对象是生成在棱镜9和10的反射面上的干涉图像。在投影系统3中采用球面反射器12使得有可能在任何光束孔径角都没有球差的情况下表示位于其曲率中心的对象。如图8所示，采用物镜11作为投影系统3的光学方案中的校正单元为干涉图像的位于光轴OO1外的点消除了子午部分中的图像场曲畸变。采用包含两个具有不同折射率的透镜14和15的复合物镜
11能够补偿反射面17和记录面20Μ’ B’之间的非共面度，以位移h来表示。对于生成在反射面17的平面中的干涉图像的点，这种方案能够校正在点B位于光轴OO1外时所产生的像散。而这又增强了记录区域20M’B’中B’的图像质量。为了将所采用的光学元件统一并且确保紧凑定位，图像记录装置4被放置成垂直于棱镜9的反射面17的平面，并且利用补偿器13将干涉图像的图片传输到记录装置4。由于干涉测量单元的结构实现和投影系统与补偿器的配合，其通过光学接触连接到单一模块，本发明在获得二维干涉图像时实现了高亮度值和调制率，以最小数目的所用到的光学元件的最佳结合，其图片的传输具有最小的损耗。
权利要求
1.一种静态傅里叶光谱仪，所述静态傅里叶光谱仪包含输入准直器和记录装置，所述输入准直器与包括分束器和至少两个反射器的干涉测量单元光学地连接，所述分束器和至少两个反射器被安装为能够产生位于反射器平面内的干涉图像，所述记录装置借助投影系统与所述干涉测量单元光学地连接，所述投影系统能够将所指示的干涉图像图片投影到所述记录装置上，其中，所述投影系统包括球面反射器和相对于所述反射器的光学表面的法线位于中心的物镜，并且所述反射器和所述物镜被设置为能够使光辐射从所述干涉测量单元穿过所述物镜到达所述球面反射器，被所述球面反射器反射并穿过同一个物镜而到达所述记录装置。
2.根据权利要求1所述的傅里叶光谱仪，其中，所述物镜包括至少两个透镜，所述至少两个透镜由不同材料制成并通过光学接触相连接，其中一个透镜被制成平凸的，而与其相连的另一个透镜被制成新月形的。
3.根据权利要求1所述的傅里叶光谱仪，其中，所述干涉测量单元被设置为以斜边面胶合的两个玻璃矩形棱镜，其中一个斜边面涂覆有分束涂层，所述反射器被设置在每个棱镜的中直线表面中的一个上，并且所述棱镜被胶合使得具有所述反射器的面是胶合而成的多面体的相邻面，并且所述干涉测量单元的其中一个棱镜与所述投影系统的所述物镜通过光学接触相连接。
4.根据权利要求3所述的傅里叶光谱仪，其中，所述投影系统包括位于所述物镜与所述记录装置之间并且通过光学接触与所述物镜相连接的补偿器，所述补偿器由与所述干涉测量单元的棱镜相同的材料制成，使得所述补偿器中的光程长度与所述干涉测量单元中的光程相等。
5.根据权利要求4所述的傅里叶光谱仪，其中，所述补偿器被设置为斜边面上具有反射涂层的矩形棱镜的形式。
全文摘要
所要保护的发明涉及一种干涉光谱分析设备并且能被用于不同技术领域中的光谱分析。本发明解决了增强光谱仪的光学特性的问题，其中通过采用最小数目的以低成本制造的光学元件减少了由于像差导致的来自物体的辐射光的损耗。这一问题得以解决是由于静态傅里叶光谱仪包括输入准直器，其光学连接到干涉测量单元，干涉测量元件包括光学分束器和至少两个反射镜，它们被布置为使得能够产生位于反射镜以及图像记录装置的平面中的干涉图案，图像记录装置借助于投影系统光学连接到干涉测量单元，使得所述干涉图案的图像能够被投影到图像记录装置上，其中投影系统包括球面镜和相对于反射镜的光学表面的法线位于中心的透镜类型的物镜，并且反射镜和透镜类型的物镜被设计成使光辐射能够从干涉测量单元穿过透镜类型的物镜到达球面镜，所述光辐射被所述球面镜反射并且穿过同一个透镜类型的物镜到达记录装置。
文档编号G01J3/26GK103119407SQ201180033060
公开日2013年5月22日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年7月2日
发明者A·A·斯托加诺夫, A·O·贝拉什, D·L·博加切夫, V·A·森尼切科夫 申请人:A·A·斯托加诺夫, A·O·贝拉什, D·L·博加切夫, V·A·森尼切科夫