专利名称：一种转动扫描干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明属于光谱分析仪器，涉及干涉仪转动扫描装置的设计技术。
付里叶变换光谱仪是光谱测量最有利的工具之一，它是利用干涉图与光谱图的数学关系，通过付里叶变换将测量的干涉图转换成光谱图实现光谱测量的，因此它可以看成由干涉仪及付里叶变换单元组成。为了测量干涉图，必须实现平稳而精确的光程差扫描，可见，光程差扫描装置是付里叶变换光谱仪的核心部分干涉仪设计的关键。
为说明干涉仪光程差扫描装置的设计方案，首先介绍干涉仪的多种程差扫描方式。干涉仪的光程差扫描方式按扫描件的运动形式可分为转动和移动两种;按扫描件的光学特性可分为反射和透射两种。目前付里叶变换光谱仪中大多使用反射光学件往复移动扫描的干涉仪。例如，经典的迈克尔逊干涉仪、聚焦型双面反射镜干涉仪及双猫眼结构干涉仪，以透射光楔为扫描件的移动扫描方式也有一定的应用。由于国内尚无高精度的直线电机，采用移动扫描形式的干涉仪均需把电机的转动转化成移动，使传动环节复杂化，并且移动扫描方式要求扫描件在运动过程中只能相对标准位置有极小的倾斜，为了满足这一要求，干涉仪常常配有空气导轨，需要极精密的调查，增加了仪器成本，而空气罐、压力表等附件也给仪器的使用带来不便。对于透射移动扫描方式，其程差改变量P与光楔移动距离x的关系为P＝sinβ(n-1)x (1)其中β为光楔楔角，n为光楔折射率，由于折射率n是波长λ及温度t的函数，因此在扫描过程中不同的波长λ将获得不同的程差P，这将使干涉图变形，因此必须对获得的光谱进行校正。这种干涉仪对光楔移动的倾斜要求有所降低，增加了仪器稳定性，但是由于光楔移动距离约为扫描光程差的10倍，因此干涉仪需要尺寸较大的光楔，这一装置难以实现。
由于移动扫描干涉仪的缺点，转动扫描干涉仪的开发得到人们的重视。可用于转动扫描的光学件有平行平板，角锥棱镜及双面镜。
图1所示的干涉仪就是利用平行平板的转动实现光程差扫描的。由于光线以任意方向入射平行平板，其出射光线行进方向不变。当平行平板8倾斜时，入射光线与出射光线仍保持平行，可自动消除倾斜误差。设平行平板厚度为d，扫描起始点光线入射角为i，平行平板折射率为n，则光程差P与转角θ的关系为p=ndn2-sin2(i+θ)-ndn2-sin2(i-θ)----(2)]]>由式(2)可见这种干涉仪有以下缺点1·光程差P与折射率n有关，需对测量的干涉图进行校正;2·光程差P与转角θ呈非线性关系。此外，这种干涉仪的扫描件平行平板要求很高，加工困难。
德国的V.Tank等人用一对立方角锥棱镜代替原迈克尔逊干涉仪中的动镜与定镜，一块角锥棱镜固定，另一块角锥棱镜连续转动实现光程差扫描，(见图2)，其光程差P与转角θ的关系为P＝a+b·sin(θ+c) (3)式中a=2(2β+23Lx+4dz-2sinβ(xcosβ+zsinβ))3(x2+y2+z2)]]>b=2(4dsinβ-23(1+sinβ)(x2+z2)sin2(β+p)+y2)3(x2+y2+z2)]]>c=arctgx2+z2sin(β+arctgxz)y]]>
易见，a、b、c是由转轴位置(β、l)，入射光线方向矢量(x、y、z)及角锥棱镜尺寸决定的常数，光程差P是转角θ的正弦函数。如果干涉仪用实心角锥棱镜作扫描件，程差就与折射率有关，而且这块角锥棱镜的材料成本很高，如果采用空心棱镜作扫描件，空心棱镜的加工十分困难。此外，这种干涉仪光束口径相对于角锥棱镜的尺寸很小，光学元件的利用率很低。
图3是平行双面镜转动扫描干涉仪，设双面镜的两块平面反射镜距离为H，且光程差扫描起始点光线的入射角为45°，则光程差P与转角θ的关系为P=2H(cosθ+sinθ-1)----(4)]]>由于电路的采样延迟时间不可避免，故如果光程差扫描速度 (dP)/(dt) 不稳定，则取样间隔不再相等，这将导致干涉图的变形。因此，付里叶变换光谱仪要求在光程差扫描过程中，光程差扫描速度的波动△V与光程差扫描速度V之比满足不等式ΔVV≤8Wβτ·V·σo·R----(5)]]>式中τ、V、σ0、R分别为电路延迟时间、光程差扫描速度、仪器测量光谱范围的最大波数及仪器分辨本领，Wβ为干涉图变形引起的“伴线”与真实谱线强度之比。
在转动扫描方式中，光程差的扫描速度为V＝ (dP)/(dt) ＝ (dP)/(dθ) × (dθ)/(dt) (6)对于上述三种转动扫描方式，由于程差p与转角θ为非线性关系，即 (dP)/(dθ) 不为常数，为满足(5)式，电机转速 (dθ)/(dt) 需不断地变化，这提高了对速度控制系统的要求。
与传统的光栅光谱仪相比，付里叶变换光谱仪具有通量优越性，这是付里叶变换光谱仪一个十分重要的特点。由于光谱仪使用的都是具有一定尺寸的面光源，因此光线经准直镜后一部分平行于光轴，其余则倾斜于光轴。对于采用移动扫描的付里叶变换光谱仪，其所允许的光线最大倾角α由仪器分辨本领δσ及工作光谱区的最大波数σmax决定cosα≥1-δσσmax----(7)]]>在整个扫描过程中，倾斜光线与平行光轴光线光程差的最大差别为P-Pcosα= 1/(σmax) =λmin(8)转动扫描付里叶变换光谱仪，也必须保证在整个光程差扫描过程中，入射于干涉仪的所有光线光程差的最大差别小于λmin。在垂直转轴的平面上设P0为平行光轴光线的光程差，Pα为与光轴有α夹角光线的光程差，P-α为与光轴有-α夹角光线的光程差。对于平行平板转动扫描方式和平行双面镜转动扫描方式，扫描件由0°转到θ实现光程差扫描，P0、Pα、P-α分别为P0＝P(θ)-P(0)Pα＝P(θ+α)-P(α)P-α＝P(θ-α)-P(-α)显然，P0、Pα、P-α的差别取决于P与θ接近线性关系的程度，α应满足不等式Max(｜P0-Pα｜，｜P0-P-α｜，｜Pα-P-α｜)≤λmin(9)由于平行平板转动扫描和平行双面镜转动扫描的光程差与转角均为非线性关系，它们允许的α值都很小(约为移动扫描的百分之一)。这种程差扫描方式允许的光通量值约为平动扫描的千分之一，付里叶变换光谱仪的通量优越性丧失。
在图2所示的角锥棱镜转动扫描方式中，光线倾斜将改变入射光线的方向矢量X、Y、Z。设光线的入射面在XOZ平面，设光线与光轴夹角α，则角锥棱镜连续转动实现的最大光程差扫描值为Pmax＝8〔l-(γ- 2/3 d)sinβ〕sin(β+α)设角锥棱镜的几何对称轴与其转轴的夹角β＝10°，Pmax＝1.00cm-1，λmin＝2.5μ，则α＜0.0025°，这远小于移动扫描干涉仪的α值(1.28°)。付里叶变换光谱光的通量优越性也丧失了。
本发明创造的目的是克服移动扫描方式及现有的转动扫描方式的缺陷，为此提供一种相交双面镜转动扫描干涉仪，以反射光学件做扫描件克服透射扫描的缺陷，并且其光程差与转角有非常好的线性关系，可以保持移动扫描付里叶变换光谱仪的通量优越性。
本方案采用相交双面镜转动扫描，这种干涉仪与所有付里叶变换光谱仪中的干涉仪一样，是以迈克尔逊干涉仪为基础的双光束干涉仪，由光源、准直镜、分束器、反射镜、会聚镜及探测器组成。但这种干涉仪的扫描件是反射面夹角β满足0°＜β＜180°的相交双面镜，它的基本特点是用相交双面镜的转动代替通常的平面反射镜移动或其它光学件转动来实现光程差扫描。计算结果表明，相交双面镜转动扫描光程差决定于双面镜转动角度及转轴相对双面镜的位置(此转轴平行于相交双面镜两反射面交线)。因此采用这种程差扫描方式的装置不仅要保证双面镜能平稳地转动，而且要保证能精确地调整转轴相对于双面镜的位置。图4所示为相交双面镜转动扫描装置的一种结构方案图，相交双面镜16(如图4中A-A剖视所示)固定在上平台24上，可分离也可胶合成一体，其工作面OX、OY镀有外反光膜。图中电机转子28与轴26相连，轴又与平台支架21相连，电机通过轴、平台支架带动上、下平台及固定在上平台上的相交双面镜转动。由于轴、平台支架、上、下平台及相交双面镜的转轴均与电机转轴重合，并且位置固定，因此只有通过改变相交双面镜的位置来调节转轴相对双面镜的位置。方案保证上平台连同相交双面镜可相对于下平台23自由转动，下平台23连同上平台24和相交双面镜一起可相对平台支架21移动。由此保证转轴相对相交双面镜位置可调，这个调节量可利用分划板25观察。由计算结果并考虑光路设计，反射面夹角90°的垂直双面镜转动扫描方式效果最好，因此下面重点介绍垂直双面镜转动扫描，并针对垂直双面镜推导光程差与转轴位置及转动角度的关系。
设双面镜的两个反射平面均与纸面垂直，并以光线第一次反射所在的平面镜为X轴，第二次反射所在的平面镜为Y轴，两镜的棱为原点建立直角坐标系，如图4中A-A剖视所示。再设光线以45°入射角入射双面镜时转角θ为0，双面镜由Y轴转向X轴时θ为正。如图5所示入射点A坐标为(X，O)。若设双面镜AOC是绕垂直纸面的转轴R(x、y)转动，当正向转动θ角到达BO′E，则光线路径由WACD变为WABE，显然由于双面镜转动引起的光程差P为P＝｜AB｜+｜BE｜-｜AC｜-｜CD｜由于双面镜的入射光线及出射光线均为平行光线，故可用图示的一条光线的程差变化代替整个光束的光程差变化。为了推导方便，作辅助线AA′G，它是双面镜XOY以A点为轴正向转动θ角到达的位置。由几何学可知，线段绕任意轴旋转，对应线段相等，且旋转前后线段的夹角等于旋转角，故有
AA′‖O′X′，A′G‖O′Y′且R(x、y)在坐标系X′O′Y′中的坐标仍为(x、y)，所以｜FI｜＝y-y cosθ＝2y sin2(θ)/2
｜BO′｜＝｜O′F｜+｜BF｜＝x+y sinθ-2y sin2(θ)/2 tg(45°-θ)
又因为 ｜OA｜＝X所以｜CA｜=
又 ｜CD｜＝｜TE｜cos(45°-θ)＝〔｜O′E｜-〔｜O′T｜〕cos(45°-θ)而 ｜O′E｜＝｜BO′｜tg(45°+θ)＝〔x+y sinθ-2y sin2(θ)/2 tg(45°-θ)〕tg(45°+θ)｜O′T｜＝｜TH｜+｜O′H｜＝〔｜AI｜+｜IH｜〕tg(45°-θ)+2y sin2(θ)/2＝(x+y sinθ)tg(45°-θ)+2y sin2(θ)/2因此 ｜CD｜＝｛〔x+y sinθ-2y sin2(θ)/2 tg(45°-θ)〕tg(45°+θ)-(x+y sinθ)tg(45°-θ)-2y sin2(θ)/2 ｝cos(45°-θ)于是，光程差P为
P＝｜AB｜+｜BE｜-｜AC｜-｜CD｜
-｛〔x+ysinθ-2ysin2(θ)/2 tg(45°-θ)〕tg(45°+θ)-(x+ysinθ)tg(45°-θ)-2ysin2(θ)/2 ｝cos(45°-θ)-
化简后得p=2x(cosθ-sinθ-1)+2y(cosθ+sinθ-1)----(10)]]>可见，程差变量P由双面镜转角θ及转轴R的位置坐标(x、y)决定，这是本发明的重要结论。适当地选择转轴位置坐标(x、y)可以使光程差P与转角θ有极好的线性关系，这是本发明寻求解决的关键问题。显然，当 (d2p)/(dθ2) 时，光程差P与转角θ的线性关系最好，对式(10)求导，得dpdθ=-2(sinθ+cosθ)x+2(cosθ-sinθ)y]]>d2pdθ2=2(sinθ-cosθ)x-2(sinθ+cosθ)y=0]]>即 (y+x)/(y-x) ＝-tgθ所以，在扫描范围θ1～θ2，应选择(x、y)使y+xy-x=∫θ1θ2-tgθdθθ2-θ1=ln|cosθ2|-ln|cosθ1|θ2-θ1----(11)]]>采用这种转动扫描方式可根据电路及机械设计的方便选择转角θ，由仪器分辨率要求决定光程差P。然后按式(10)，式(11)求出转轴R的坐标(x、y)。依据解出坐标(x、y)，利用上述调节平台的方法就可获得垂直双面镜的最佳位置，使程差P与转角θ有极好的线性关系。易见，转动这样的垂直双面镜，可以很方便地实现几个厘米的光程差扫描。
光线横移会增加后继光路光学元件的使用面积，因此一般情况下希望减小光线横移，在本扫描装置中光线横移量为D＝｜DE｜＝｜TE｜sin(45°-θ)-｜CT｜而｜CT｜＝｜AC｜-｜AT｜=｜AC｜-〔｜AI｜+｜IH｜ 〕/cos(45°-θ)=
x- (x+ysinθ)/(cos(45°-θ))所以D=｛〔x+y sinθ- 2y sin2(θ)/2 tg(45°-θ)〕tg(45°+θ)-〔x+ysinθ)tg(45°-θ)-2ysin2(θ)/2 ｝sin(45°-θ)-
+(x+ysinθ)/cos(45°-θ)化简后得D=2x(sinθ+cosθ-1)+2y(1+sinθ-cosθ)----(12)]]>由式(12)即可很方便地求出光线横移D。
利用上面推导得到的重要关系式(10)、(11)、(12)可以求出垂直双面镜在扫描过程中处于各位置的程差扫描情况，这些计算数据可以说明这种程差扫描的效果。表1列出了实施例1中垂直双面镜分别以1°至30°转角实现1cm的光程差扫描时的计算数据，表中，x、y为转轴R(x、y)的位置坐标，Dmax为在整个扫描过程中光线的最大横移，R为光程差P与转角θ的线性相关系数，(△V/V)max是当扫描件(垂直双面镜)被理想的匀速电机驱动时，光程差扫描速度的最大波动值与光程差扫描速度之比，α为仪器工作光谱区的最大波数为
σmax＝4000cm-1，分辨率为δσ＝1cm-1时所允许的倾斜光线与光轴的夹角。从表1的数据可以看出，90°夹角双面镜转动扫描过程中，光线横移很小这对图6所示的干涉仪设计实例是十分有利的。此外，光程差P与转角θ具有极好的线性关系，随扫描角度θ的增大，P与θ的线性相关系数R略有减小，但仍接近1。由于光程差P与转角θ有良好的线性关系， (dP)/(dθ) 接近常数，如用 (dθ)/(dt) 为常数的匀速电机驱动扫描件，则光程差扫描速度 (dP)/(dt) 的波动完全由 (dP)/(dθ) 的波动引起，(见式6)，由表1可见，(△V/V)max很小，故在较大的转动扫描范围内，均可用匀速电机驱动扫描件。
对于分辨率为1cm-1，工作光谱区的最大波数为4000cm-1的移动扫描付里叶变换光谱仪，它对光线倾角α的限制由式(7)可得α≤arc cos(1- 1/4000 )＝1.2812°表1中列出了同样仪器采用垂直双面镜转动扫描时，在同等条件下对光线倾角α的限制，易见，垂直双面镜在以小的转动角度实现光程差扫描时对α的限制与移动扫描方式相当。随着扫描角度θ的增大，光程差与转角的线性关系变差，因此α的值也将减小，但仍远远高于其它三种转动扫描方式的α值。由此可见，垂直双面镜转动扫描保持了移动扫描付里叶变换光谱仪的通量优越性。
为了便于比较，表2列出了平行双面镜分别以0°至30°转角实现1cm光程差扫描的计算值，表中H为双面镜中两块平面反射镜的距离，R、(△V/V)max、α的含义同表1，从计算数据可知，平行双面镜转动扫描只能在较小的转角范围内保持光程差与转角有良好的线性关系，光程差P与转角θ的线性相关系数低于垂直双面镜转动扫描，光程差扫描速度的波动要比相同转角的垂直双面镜扫描大得多，而干涉仪所允许的倾斜光线倾角α为垂直双面镜转动扫描的几十分之一，所接收的光通量约为垂直双面镜转动扫描的千分之一，总之，这种转动光程差扫描方式的性能低于垂直双面镜转动扫描。
图1为平行平板转动扫描干涉仪的光路图。其中1为光源、2为准直透镜、3为分束器，4、5、6、7为平面反射镜、8为平行平板、9为会聚透镜、10为探测器。
图2为角锥棱镜转动扫描干涉仪的光路图。其中1为光源、2为准直镜、3为分束器、11为固定角锥棱镜、12为反射直角棱镜、13为转动角锥棱镜。
图3为平行双面镜转动扫描干涉仪的光路图。其中1为光源、2为准直镜、3为分束器、4为平面反射镜、14为平行双面镜、6为平面反射镜、9为会聚镜、10为探测器。
图4为垂直双面镜转动扫描装置的方案结构图，其中18为电机定子固定架、19为轴承支架、20为轴套、21为平台支架、22为弹性调节螺钉、23为下平台、16为垂直双面镜组件、24为上平台、25为分划板、26为轴、27为电机转子固定架、28为电机转子、29为电机定子。
图5为垂直双面镜转动扫描原理图。其中OX、OY分别为双面镜的两块平面反射镜、R(x、y)为垂直双镜组件的转轴所在位置、X′O′Y′为双面镜绕其转轴转动θ角后的位置。
图6为垂直双面镜转动扫描干涉仪实施例1的光路图。其中1为光源、2为准直镜、3为分束器、15为固定双面镜、16为转动扫描双面镜、17为离轴抛面镜、9为会聚球面镜、10为探测器。
图7为垂直双面镜转动扫描干涉仪实施例2的光路图。其中1为光源、2为准直镜、3为分束器、16为垂直双面镜、5为平面反射镜、6为平面反射镜、17为离轴抛面镜、9为会聚球面镜、10为探测器。
图8为垂直双面镜转动扫描干涉仪实施例3的光路图。其中1为光源、2为准直镜、3为分束器、16为转动双面镜、15为固定双面镜、6为平面反射镜、17为离轴抛面镜、9为会聚球面镜、10为探测器。
图9为非垂直相交双面镜转动扫描干涉仪光路图。其中1为光源，2为准直镜、3为分束器、30为双面镜(0＜β＜180°，β≠90°)、11为固定角锥棱镜、6为平面反射镜、17为离轴抛面镜、9为会聚球面镜、10为探测器。
结合
实施例，对相交双面镜转动扫描干涉仪的结构方案做进一步描述。
如图6所示的垂直双面镜是胶合成一体的，这种程差扫描方式光线横移小。(见表1)，双面镜15、16的棱均处于光束的中心，由于光线横移很小，可认为光束按原路返回，激光干涉仪可与图示的主干涉仪共路。利用垂直双面镜16的转动可实现所需的光程差扫描。这种干涉仪具有结构简单、体积小、成本低的特点，适用于中等分辨率的红外付里叶变换光谱仪。
图7所示的干涉仪与图6相似，但垂直双面镜的两块反射镜是分离的，这种干涉仪中光束两次经过扫描件垂直双面镜16，与图6所示的干涉仪相比可实现较大的光程差扫描，因此可用于分辨率较高的红外付里叶变换光谱仪。
图8所示的干涉仪是把图7干涉仪中的平面反射镜5换成固定垂直双面镜15，双面镜16的棱与双面镜15的镜相互垂直，在扫描过程中双面镜16如有倾斜，双面镜15可自动补偿这一倾斜误差，与图7类似，其光程差扫描值也为同等条件下图6所示干涉仪的两倍，因此这种干涉仪可用于分辨率较高的可见或红外付里叶变换光谱仪，或中等精度的紫外付里叶变换光谱仪。
图9所示的干涉仪采用反射面夹角0°＜β＜90°或90°＜β＜180°的双面镜作扫描件，上文曾指出这些双面镜也可实现光程差扫描。但它与垂直双面镜相比有其不足，首先计算结果表明随着β相对90°偏离值的增大，双面镜理想的转轴位置将越来越偏离双面镜的几何中心，给扫描装置的计械设计带来困难。其次随着β相对于90°偏离值的增大，干涉仪光路系统的设计也越加困难。而且非90°夹角的双面镜对转轴的倾斜毫无补偿，为了补偿转台扫描过程中的倾斜误差，在其后要放置价格昂贵的角锥棱镜。但是这种双面镜也存在使光程差与转角保持线性关系的转轴位置，同样也克服了现有移动或转动扫描方式的缺陷，因此也可作转动扫描干涉仪的扫描件。
根据相交双面镜转动扫描干涉仪的技术特征，这种干涉仪有下列优点1.可用匀速转动电机直将驱动扫描件省去了平动扫描精密的传动机构。
2.可用成本低、体积小的转动轴承代替移动扫描干涉仪中的结构复杂、价格昂贵的空气轴承或空气导轨，减小了仪器体积，降低了仪器成本。
3.可兼顾电路及机械设计在较大的范围内选择扫描角度，降低了机械及电路设计的要求。
4.与现有的转动扫描干涉仪相比，这种干涉仪保持了移动扫描干涉仪的通量优越性，并且，它对速度控制系统的要求也有所降低。
5.可自动消除扫描件倾斜误差，适用于可见以至紫外付里叶变换光谱仪。
综上所述，相交双面镜转动扫描干涉仪克服了移动扫描干涉仪及现有的转动扫描干涉仪的缺陷，适用于各种光谱工作区及各种分辨率的付里叶变换光谱仪。
权利要求
1.一种转动扫描干涉仪，主要由光源、准直镜、分束器、反射镜、会聚镜及探测器组成，其特征是利用相交双面镜[16]的转动改变两支相支相干光路的光程差，该双面镜的工作面是夹角为β(0°＜β＜180°)的两块反射镜的反射面，它绕平行与二反射面交线的轴转动，实现光程差扫描。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征是相交双面镜固定在转动平台上，电机通过传动机械带动平台平稳转动，转轴相对双面镜〔16〕的位置可以调节，以选择转轴相对双面镜的最佳位置。
3.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征是相交双面镜〔16〕可以相互分离，也可胶合成一体，其工作面镀有外反光膜。
4.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征是相交双面镜夹角β为90°，并根据给定的程差P和扫描转角θ的变化范围，按以下二公式(1)p=2x(cosθ-sinθ-1)+2y(cosθ+sinθ-1);]]>(2)y+xy-x=ln|cosθ2|-ln|cosθ1|θ2-θ1.]]>确定转轴R(x、y)相对垂直双面镜的位置坐标x、y。
全文摘要
一种干涉仪的光程差扫描装置，采用相交双面镜的转动代替通常的平面反射镜的移动来实现光程差扫描，简化了仪器的传动机构，省去了移动扫描所需的精密导轨装置，增加了仪器的稳定性；与现有的转动扫描方式相比，其光程差与转角具有良好的线性关系，保持了移动扫描迈克尔逊干涉仪的通量优越性。此外，这种干涉仪具有结构简单、体积小的特点，可以很方便地实现几个厘米的光程差扫描，适用于各种光谱工作区的付里叶变换光谱仪。
文档编号G02B26/10GK1060722SQ91111050
公开日1992年4月29日 申请日期1991年11月20日 优先权日1991年11月20日
发明者陈卫文, 林中, 张知廉 申请人:浙江大学