傅立叶变换光谱仪及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱探测技术，具体地说是一种傅立叶变换光谱仪及其测试方 法。
【背景技术】
[0002] 傅立叶变换光谱仪具有高通量、高信噪比、高光谱分辨率等特点，广泛应用于材料 检测、化学分析和环境监测等领域。传统的傅立叶变换光谱仪的光学结构主要基于迈克尔 寻干涉仪，其将光分成两束，其中一束固定光程，另一束通过机械方式改变反射镜的位置以 改变其光程，再将两束光合束产生干涉，最后进行傅立叶变换以得到探测光的光谱。然而， 其反射镜高精度的机械移动使传统傅立叶变换光谱仪不仅复杂、价格昂贵，而且体积大，不 便于集成。
[0003] 如何使傅立叶光谱仪小型化、简单化成为了人们的研究目标，经十多年的努力，目 前已有一些较好的解决思路。其中基于双折射材料〇光和e光的偏振干涉是一种较好的静 态傅立叶变换光谱方式，但一般的双折射材料的双折射率差的可调节范围非常有限，难以 获得高分辨、高集成的光谱仪。
【发明内容】
[0004] 针对傅立叶变换光谱仪难以小型化、集成化的问题，本发明提供了 一种傅立叶变 换光谱仪及其测试方法，其基于双折射液晶材料的紧凑型傅立叶变换光谱仪，该光谱仪无 需机械移动、所有光学兀件共光轴，便于集成。
[0005] 作为本发明的第一方面，提供了一种傅立叶变换光谱仪，包括：依次共光轴设置的 起偏器、作用液晶盒、补偿液晶盒、检偏器、光电探测器和计算装置；作用液晶盒中的双折射 液晶分子的方向与起偏器的起偏方向的夹角为45度；作用液晶盒具有可调节的加载电压 以使光电探测器获得不同的光强；补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒；检 偏器的偏振方向垂直于起偏器；计算装置根据光电探测器获取的光强进行傅立叶变换，从 而得到探测光的光谱。
[0006] 进一步地，作用液晶盒和补偿液晶盒的厚度相等。
[0007] 进一步地，补偿液晶盒加载固定的电压。
[0008] 作为本发明的第二方面，提供了一种傅立叶变换光谱仪的测试方法，包括：利用起 偏器将通过其的探测光变换为线偏振光；使线偏振光通过作用液晶盒、补偿液晶盒、检偏器 和光电探测器；调节作用液晶盒的加载电压，从而使光电探测器得到不同的光强；根据光 强进行傅立叶变换，从而得到探测光的光谱。
[0009] 进一步地，使作用液晶盒中的双折射液晶分子的方向与起偏器的起偏方向的夹角 为45度。
[0010] 进一步地，使补偿液晶盒中的液晶分子的方向垂直于作用液晶盒。
[0011] 进一步地，使检偏器的偏振方向垂直于起偏器。
[0012] 进一步地，作用液晶盒的加载电压为变化区间为[0, 20]伏特、频率为1kHz的交流 方波电压。
[0013] 进一步地，作用液晶盒采用双折射的向列相液晶，通过改变作用液晶盒的加载电 压使通过作用液晶盒的〇光和e光的折射率差等间隔渐变，从而获取光强。
[0014] 进一步地，利用补偿液晶盒对来自作用液晶盒的〇光和e光进行零光程差补偿。
[0015] 本发明中的作用液晶盒加载可变电压以调控液晶〇光和e光的折射率差以产生干 涉图，补偿液晶盒加载固定电压以进行零光程差补偿，然后将光电探测器所探测到的干涉 图进行傅立叶变换以得到光谱。此外，本发明所采用光学元件均共光轴、体积小，因此实现 的傅立叶变换光谱仪结构紧凑，便于系统集成。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明提供的光谱仪结构的结构示意图。
[0017] 图2为起偏器的正视图。
[0018] 图3为作用液晶盒的正视图。
[0019] 图4为补偿液晶盒的正视图。
[0020] 图5为检偏器的正视图。
[0021] 图6为一光谱测试结果。
[0022] 图中，1、起偏器；2、作用液晶盒；3、补偿液晶盒；4、检偏器；5、光电探测器；6、圆形 边框；7、偏振方向；8、边框；9、液晶分子；10、边框；11、液晶分子；12、圆形边框；13、偏振方 向；14、外壳。
【具体实施方式】
[0023] 请参考图1，其示出了本发明的结构示意图。其中，1为起偏器、2为作用液晶盒、3 为补偿液晶盒、4为检偏器、5为光电探测器、14为外壳。请参考图2,其示出了起偏器的正 视图，其中，6表示起偏器的圆形边框，7表示起偏器的偏振方向。图3示出了作用液晶盒的 正视图，其中8表示液晶盒的边框，9表示液晶分子，其排列方向与起偏器的偏振方向呈45 度；图4示出了补偿液晶盒的正视图，其中10表示液晶盒的边框，11表示液晶分子，其排列 方向与作用液晶盒中液晶分子垂直；图5示出了检偏器的正视图，其中12表示检偏器的圆 形边框，13表不检偏器的偏振方向，其与起偏器相互垂直。
[0024] 作为本发明的第一方面，请参考图1至图5,提供了一种傅立叶变换光谱仪，特别 是一种基于双折射液晶的紧凑型傅立叶变换光谱仪，包括：依次共光轴设置的起偏器1、作 用液晶盒2、补偿液晶盒3、检偏器4、光电探测器5和计算装置；作用液晶盒2中的双折射 液晶分子的方向与起偏器1的起偏方向的夹角为45度；作用液晶盒2具有可调节的加载电 压以使光电探测器5获得不同的光强；补偿液晶盒3中的液晶分子的方向垂直于作用液晶 盒2 ;检偏器4的偏振方向垂直于起偏器1 ;计算装置根据光电探测器5获取的光强进行傅 立叶变换，从而得到探测光的光谱。优选地，作用液晶盒2和补偿液晶盒3的厚度相等。优 选地，补偿液晶盒3加载固定的电压。
[0025] 本发明的两偏振片中的一个为起偏器，另一个为检偏器；两个液晶盒中的一个 (作用液晶盒2)加载可变电压以调控液晶〇光和e光的折射率差以产生干涉图，另一个 (补偿液晶盒3)加载固定电压以进行零光程差补偿，然后将光电探测器所探测到的干涉图 进行傅立叶变换以得到光谱。此外，本发明所采用光学元件均共光轴、体积小，因此实现的 傅立叶变换光谱仪结构紧凑，便于系统集成。
[0026] 优选地，探测光通过起偏器后为线偏振光I。（ λ )。优选地，线偏振光进入作用液晶 盒后，将分成强度相等的〇光与e光，在加载可变电压Vt下，其e光的折射率nJ逭之变化， 〇光折射率不变，因此经该液晶盒后，其〇、e光将产生光程差：
[0027] Ad(Vt) = An(Vt)D (1)
[0028] 其中，An(Vt)为随加载电压变化的〇、e光折射率差，D为液晶盒厚度。
[0029] 优选地，从作用液晶盒出射的光进入补偿液晶盒，其〇光、e光发生互换，对补偿液 晶盒加载一固定的电压V。，当V t = V。时，作用液晶盒所产生的〇、e光光