专利名称：紧凑式干涉仪分光计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紧凑式干涉仪，例如该干涉仪可以包括在手持分光计装置中。装置能够被制造为不存在任何移动部件并且因此适合于在恶劣环境中使用。
背景技术：
已知有迈克耳逊干涉仪和萨尼亚克干涉仪。例如，如图I中所示，迈克耳逊干涉仪包括部分反射镜10和一对反射镜21、22。部分反射镜10将光分为两部分。镜21、22和部分反射镜10被布置为使得光沿着两个线性路径(即，分支31、32)行进。每个部分在沿着分支中的不同的分支的返回路径中行进。沿着分支中的一个分支32的光学路径长度是可调整的。这些部分在焦平面重组以形成条纹。这些部分通过透镜40组合，以相等的倾斜角到达透镜。通过将反射镜中的一个反射镜22布置在光束的方向上，能够改变两个分支之间的 光学路径差。条纹55通常具有同心环的形式。当路径差改变时，条纹之间的间隔变得更大或更小。如果路径长度差随着时间线性地改变，并且检测器50被布置在条纹55的环的中心处，来自检测器的信号将随着由波长和路径差确定的周期正弦地变化。迈克耳逊干涉仪的优点之一在于其能够接受相对较宽的角度范围上入射的输入射线。然而，在干涉条纹中，关于源的任何空间信息由于其均匀地分布在干涉环中而导致丢失。在图2中示出萨尼亚克干涉仪。萨尼亚克干涉仪也包括部分反射镜110和一对反射镜121、122。与迈克耳逊干涉仪一样，部分反射镜进行分光，但是不同的是，没有将光分为沿着分支行进的两个部分，而是改变反射镜的位置从而这两个部分没有直接反射回部分反射镜110而是反射到另一反射镜121或122。因此，这些部分沿着类似的环绕路径但是在相反方向上行进。因此，萨尼亚克干涉仪有时被已知为公共路径干涉仪。这两个部分经由部分反射镜110离开并且通过透镜140以产生条纹155。不同于迈克耳逊干涉仪，条纹155是线性的而不是圆形的。如果检测器50被布置在干涉图案中，并且一个镜122如图中的箭头所示地往复运动，则来自检测器的信号将正弦地变化。或者，跨过干涉图案移动检测器，信号也将正弦地变化。萨尼亚克干涉仪和迈克耳逊干涉仪之间的另一差异在于迈克耳逊干涉仪要求非常精确地定位每个臂的镜，而萨尼亚克干涉仪的镜的位置具有相对较大的容许度，这是因为由于光束的三角路径是非对称的并且提供了两个光束的剪切而导致产生了路径差。Berlinghieri J. C.等人在1989年9月6_8日在亚利桑那州的图森的天文学中的CCD (CCDs in Astronomy):会议论文集中的 “A CCD Fourier Transform Spectrometer”中报告了上述基于萨尼亚克方案的干涉仪。所报告的装置使用CCD阵列来检测干涉图案。Okamoto T.在 1984 年的 Applied Optics 第 23 卷第 2 册中的 “Fourier TransformSpectrometer with Self-Scanning Photodiode Array” 中描述了类似的但是包括额外的镜以折叠朝向检测器的输出光束的装置。Okamoto还认为该系统的光学吞吐量大于迈克耳逊类型干涉仪的光学吞吐量，这是因为，在这样的干涉仪中，分辨能力受到源的范围的限制。Lucey P. G.等人在1993年的Proc. SPIE第1937卷130页中的“SMIFTS: ACryogenically Cooled,Spatially Modulated Imaging Infrared InterferometerSpectrometer”中也描述了类似的但是额外地包括有柱形透镜以在检测器处重成像输入孔径的装置。还已经考虑了其它的干涉仪构造，例如，由Katzberg和Statham在1996年8月的NASA Technical paper (3570)中讨论的DASI (数字阵列扫描干涉仪)。该装置包括渥拉斯顿棱镜和检测器阵列。
上述装置中的很多装置都是麻烦的，要求分光的质量和位置的严格控制，并且不能够提供实时输出光谱。
发明内容
本发明提供了一种干涉仪，其包括分束或路径差异化光学器件以及检测器，其中分束或路径差异化光学器件包括分束器和至少两个反射元件，分束器被布置为将输入光束分为第一和第二光束，第一反射兀件被布置为将第一光束沿着第一路径导向检测器并且第二反射元件被布置为将第二光束沿着第二路径导向检测器，第一和第二路径具有光学路径差；分束或路径差异化光学器件被布置为将第一和第二光束聚焦到检测器；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。分束或路径差异化光学器件将输入光束分为两个光束并且将这两个光束沿着路径引导以在检测器处重组。这两个光束的路径具有光学路径差或者检测器长度方向上的光学路径差的变化。分束或路径差异化光学器件的第一个功能在于将光束分为第一和第二光束，并且可以替代地为已知的偏置光学器件。本发明的干涉仪的优点在于这两个光束在检测器上的聚焦是由诸如反射元件的分束或路径差异化光学器件提供的。这提供了紧凑的干涉仪。反射元件的数目优选地为两个并且反射元件被布置为将光束聚焦在检测器上从而在检测器平面上产生干涉图。分束或路径差异化光学器件可以被布置为第一光束和第二光束被围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导。第一反射元件和第二反射元件可以是凹面镜。本发明还提供了一种干涉仪，其包括环绕路径光学器件和检测器，其中该环绕路径光学器件包括分束器以及至少两个反射元件，该分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，该环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器输出第一和第二光束；环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束聚焦在检测器上；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。环绕路径是环绕光束被在导向检测器之前循环一次的区域的路径。这两个光束反向传播并且可以因此被视为反向循环。环绕路径导致干涉仪有时被已知为共路径干涉仪。然而，由于当光束在检测器的方向上离开分束器时光束离开的位置和角度都略有不同，因此，这两个光束所采取的确切路径也并不是完全相反的。即，这两个光束在通过分束器时彼此间隔剪切距离。上述干涉仪的优点在于聚焦功能被包括在诸如镜的环绕路径光学器件中，从而减少了组件的数目。特别地，不要求输出傅立叶光学器件从而能够使得装置更小并且更紧凑。另一优点在于干涉仪能够被布置为不要求移动部件来产生干涉图案。反射元件优选地为镜，但是可以包括衍射光栅。在一个实施方式中，这两个反射元件可以一起形成为一个单元。检测器对由第一光束和第二光束的干涉产生的干涉图进行采样。环绕路径光学器件的光束聚焦可以通过反射元件中的至少一个反射元件的弯曲来实现。环绕路径光学器件的光束聚焦可以通过反射元件中的两个反射元件的弯曲来实现。反射元件中的至少一个反射元件的弯曲可以被设置为将第一光束和第二光束聚焦在检测器上从而像平面处的光场的形状基本上匹配检测器的检测面的形状。反射元件中的至少一个反射元件的弯曲可以设置为聚焦第一光束和第二光束从而像平面具有平面光场。干涉仪可以包括两个反射元件，其中，分束器和两个反射元件可以被布置为第一光束由分束器导向两个反射兀件中的第一反射兀件并且第二光束由分束器导向两个反射元件中的第二反射元件。反射元件中的第一反射元件可以被布置为将第一光束导向反射元件中的第二反射元件，并且反射元件中的第二反射元件可以被布置为将第二光束导向反射元件中的第一反射兀件，并且第二反射兀件和第一反射兀件可以被布置为将第一光束和第二光束分别导向分束器。分束器可以分别通过透射和反射产生第一光束和第二光束。 分束器可以将来自环绕路径的第一光束和第二光束导向检测器。分束器可以分别通过透射和反射将第一光束和第二光束导向检测器。干涉仪可以进一步包括输入光学器件以准直输入光束。例如，单筒望远镜或双筒望远镜布置方案。这两个反射元件的弯曲可以相同，并且反射元件中的至少一个反射元件可以是凹的。检测器可以被布置为沿着线检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。检测器优选地为线性阵列传感器。检测器可以包括被布置为沿着线往复移动的至少一个传感器。环绕路径可以是三角形的、方形的或任何其它环形状。反射元件和分束器可以相对于彼此是固定的。检测器可以相对于环绕路径光学元件是固定的。优选地,分束器可以将输入光束分为强度基本上相等的第一光束和第二光束。环绕路径光学器件或反射元件和分束器可以形成为一体。检测器被布置为输出指示干涉图案中的空间变化的信号。本发明还提供了一种分光计，其包括上述干涉仪，并且进一步包括分析器，该分析器被布置为基于干涉图案的傅里叶变换提供在输入光束中存在的波长的指示。本发明进一步提供了一种成像分光计，其包括上述干涉仪，其中检测器被布置为二维地检测通过组合第一光束和第二光束产生的图案。在这样的实施方式中，检测器可以被布置为在一个方向上检测由第一光束和第二光束的干涉产生的空间变化图案，并且在第二方向上检测关于输入光束的图像信息。干涉仪可以被构造为光瞳面干涉仪或像平面干涉仪。前者要求往复运动以产生完整图像，而后者相反地要求往复运动以产生完整干涉图。光瞳面干涉仪由于不要求移动来获得干涉图和完整的波长谱而适合于用作分光计。优选地，检测器是二维阵列传感器，或者检测器可以是布置为沿着线移动以扫描某一区域的线性阵列传感器。成像分光计可以进一步包括被布置为提供输入光束中存在的波长的指示和关于输入光束的图像信息的分析器。本发明还提供了一种萨尼亚克干涉仪，其中环绕路径中的一个或多个镜被弯曲以用于将反向循环光束聚焦在检测器上。这是一种修改的萨尼亚克干涉仪，其中傅立叶光学器件被包括在环绕或环形光学路径中。本发明还提供了一种傅立叶变换分光计，其包括两个反射元件、分束器和检测 器，其中分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，分束器和两个反射兀件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器输出第一光束和第二光束；环绕路径内的光学元件将光束聚焦在检测器上；并且检测器被布置为检测由第一光束和第二光束的干涉产生的图案。
现在将参考附图描述本发明的实施方式和现有技术，在附图中图I是传统的迈克耳逊干涉仪的示意图；图2是传统的萨尼亚克干涉仪的示意图；图3是根据本发明的实施方式的干涉仪的示意图；图4是示出围绕图3的干涉仪行进的光束的末端(extremities)的光线轨迹图；图5是示出围绕图3的干涉仪行进的光束的末端和中心的光线轨迹图；图6是示出用于分辨图像中的两个特征的瑞利判据的图；图7是分光计系统的示意图；图8a和图8b分别不意性地不出干涉图和波长谱；图9示出如何从具有二维阵列像素的检测器获得干涉图和成像信息；以及图10是根据本发明的另一实施方式的干涉仪的示意图。
具体实施例方式图3示出了根据本发明的干涉仪。干涉仪包括检测器250和环绕路径光学器件。环绕路径光学器件使得输入光束被分为第一和第二光束，该第一和的第二光束然后围绕环绕某些区域的路径在相反方向上行进，即，这些路径是反向循环的。环绕路径光学器件包括分束器或分光器210以及诸如镜的两个反射元件221、222。分束器210可以是部分反射镜、薄膜分束器、分束立方体、板分束器等等。镜221、222可以弯曲为彼此具有相同曲率或者可以具有不同曲率。弯曲用于提供凹面镜。检测器250优选地是传感器阵列，但是也可以使用空间上往复的单个传感器。检测器250位于像平面。分束器优选地布置为与光或福射的输入光束205的入射角成45°。输入光束被分光器或分束器210分为两个光束。对于上述类型的分束器，分束器提供(由虚线示出的)反射光束231和(由实线示出的)透射光束232。在分束器处调整输入光束205的入射角可以用于调整透射光束和反射光束的振幅比率。优选地，分束器被设计为在输入光束的45°的入射角的情况下提供透射光束和反射光束之间的50:50的振幅划分。然而，其它构造也是可能的。两个镜221、222布置为相对于分束器具有大致相等但是不精确相等的距离和角度。第一镜221被布置为与输入光束205处于同一侧(即分束器的前侧)，并且布置为接收反射光束231。第二镜222位于输入光束205的反侧(即分束器210的后侧)，并且布置为接收透射光束232。在第一镜221处，从分束器反射的光束231被再次反射从而其被导向第二镜222。 光束231在第二镜222处被再次反射并且被导向分束器210。在分束器处，光束231被朝向像平面处的检测器250反射。在第二镜222处，透射通过分束器的光束232被反射从而其被导向第一镜221。光束232在第一镜221处被再次反射并且被导向分束器210。在分束器处，光束232透射通过分束器并且朝向像平面处的检测器250。两个光束231、232在相反方向上围绕环路或区域行进。如图3中所示，第一光束231行进路线为BS-M1-M2-BS-D，并且第二光束232行进路线为BS-M2-M1-BS-D。当光束231和232第二次离开分束器时，它们相对于彼此略有移位，即，围绕光学系统的路径在这两个光束之间引入了剪切。该剪切是由于两个镜221、222的位置的略微偏差导致的。当这两个光束在像平面处重组时由于这两个光束之间的相对相位的差导致干涉。检测器处的干涉图案已知为干涉图(参见图8a)，并且是形成源的图像的每个光束的结果并且是由于这两个图像是从同一源想干地产生的而导致的。干涉图的傅里叶变换提供了输入光束中存在的波长的谱(参见图Sb)。下面将会更详细地讨论图8a和图Sb。我们注意到两个路径之间的路径差提供了相位差。路径差与剪切距离Λ S和剪切角θκ成比例，如图3中所示。由下式给出路径差δ。δ = Δ SX sin θ R图4和图5示出了入射在干涉仪上的光束的两个末端。光束的末端将根据实际的路径长度差在像平面处干涉。例如，路径差将沿着像平面y变化，如图5中所示。该图具有表示是光束的两个末端以及光束的中心的三个光学路径的线。剪切角也是重组角，并且因此如下式所示。sin (9 =^r
Γ其中F是光学系统的焦距的大小。随着剪切角Θ R从零逐渐增加，沿着焦平面的距离y将如下式所示地变化。
Γ , yxASδ =--
F干涉条纹的中心将出现在零路径差的位置zro处。这可以视为像平面上的y(0)位置。光学路径差用于确定干涉仪的价值。瑞利判据定义了针对像平面处的特征的最小可分辨间隔或者分辨率。对于谱分辨率，如图6中所示，由两个图像或特征之间的间隔Λ V来示出，其中一个图像或特征的第一衍射最小量与另一图像或特征的衍射最大量一致。由
权利要求
1.ー种干涉仪，所述干涉仪包括环绕路径光学器件和检测器，其中 所述环绕路径光学器件包括分束器和至少两个反射元件，所述分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，所述环绕路径光学器件被布置为围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导所述第一光束和所述第二光束并且朝向所述检测器输出所述第一光束和所述第二光束； 所述环绕路径光学器件被布置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦在所述检测器上；并且 所述检测器被布置为检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的图案。
2.根据权利要求I所述的干涉仪，其中，通过所述反射元件中的至少ー个反射元件的弯曲提供所述环绕路径光学器件的光束聚焦。
3.根据权利要求2所述的干涉仪，其中，通过所述反射元件中的两个反射元件的弯曲提供所述环绕路径光学器件的光束聚焦。
4.根据权利要求2或3所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的至少ー个反射元件的弯曲被设置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦在所述检测器上，使得像平面处的光场的形状基本上匹配所述检测器的检测表面的形状。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的至少ー个反射元件的弯曲被设置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦为使得所述像平面具有平的光场。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，所述干涉仪包括两个反射元件，其中，所述分束器和所述两个反射元件被布置为，使得所述第一光束由所述分束器弓I导到所述两个反射元件中的第一反射元件，并且所述第二光束由所述分束器引导到所述两个反射元件中的第二反射元件。
7.根据权利要求6所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的所述第一反射元件被布置为将所述第一光束引导到所述反射元件中的所述第二反射元件，并且所述反射元件中的所述第二反射元件被布置为将所述第二光束引导到所述反射元件中的所述第一反射元件，并且所述第二反射元件和所述第一反射元件被布置为将所述第一光束和所述第二光束分别引导到所述分束器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束器分别通过透射和反射产生所述第一光束和所述第二光束。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束器将来自所述环绕路径的所述第一光束和所述第二光束引导到所述检测器。
10.根据权利要求9所述的干涉仪，其中，所述分束器分别通过透射和反射将所述第一光束和所述第二光束引导到所述检测器。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，所述干涉仪进一歩包括用于准直所述输入光束的输入光学器件。
12.根据权利要求11所述的干涉仪，其中，所述输入光学器件包括单筒望远镜结构或双筒望远镜结构。
13.根据权利要求3至12中的任一项所述的干涉仪，其中，所述两个反射元件的弯曲是相同的。
14.根据权利要求2至13中的任一项所述的干涉仪，其中，所述反射元件中的至少ー个反射元件是凹的。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为沿着线检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的图案。
16.根据权利要求15所述的干涉仪，其中，所述检测器是线性阵列传感器。
17.根据权利要求15所述的干涉仪，其中，所述检测器包括布置为沿着线往复移动的至少ー个传感器。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述环绕路径是三角形的。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述反射元件和所述分束器相对于彼此是固定的。
20.根据权利要求I至16和18至19中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器相对于所述环绕路径光学器件是固定的。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束器将所述输入光束分为强度基本上相同的第一光束和第二光束。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述环绕路径光学器件或者反射兀件和分束器形成为一体。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为输出指示所述干涉图案中的空间变化的信号。
24.ー种分光计，所述分光计包括根据权利要求23所述的干涉仪，并且所述分光计进一歩包括分析器，所述分析器被布置为基于所述干涉图案的傅立叶变换提供所述输入光束中存在的波长的指示。
25.一种成像分光计，所述成像分光计包括根据权利要求I至24中的任一项所述的干涉仪，其中，所述检测器被布置为ニ维地检测通过组合所述第一光束和所述第二光束产生的图案。
26.根据权利要求25所述的成像分光计，其中，所述检测器被布置为在ー个方向上检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的空间变化图案，并且在第二方向上检测关于所述输入光束的图像信息。
27.根据权利要求25或26所述的成像分光计，其中，所述检测器是ニ维阵列传感器。
28.根据权利要求25或26所述的成像分光计，其中，所述检测器是布置为沿着线移动以扫描某一区域的线性阵列传感器。
29.根据权利要求25至28中的任一项所述的成像分光计，所述成像分光计进一歩包括分析器，所述分析器被布置为提供所述输入光束中存在的波长的指示和关于所述输入光束的图像信息。
30.ー种萨尼亚克干涉仪，其中，环绕路径中的ー个或多个镜被弯曲以用于将反向循环光束聚焦在检测器上。
31.ー种干涉仪，所述干涉仪包括分束光学器件和检测器，其中 所述分束光学器件包括分束器和至少两个反射元件，所述分束器被布置为将输入光束分为第一光束和第二光束，第一反射兀件被布置为将所述第一光束沿着第一路径导向检测器，并且第二反射元件被布置为将所述第二光束沿着第二路径导向所述检测器，所述第一路径和所述第一路径具有光学路径差； 所述分束光学器件被布置为将所述第一光束和所述第二光束聚焦在所述检测器上；并且 所述检测器被布置为检测由所述第一光束和所述第二光束的干涉产生的图案。
32.根据权利要求31所述的干涉仪，其中，所述分束光学器件被布置为使得所述第一光束和所述第二光束被围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导。
33.根据权利要求31或32所述的干涉仪，其中，所述第一反射元件和所述第二反射元件是凹的。
34.根据权利要求31至33中的任一项所述的干涉仪，其中，所述分束光学器件被布置为提供所述第一光束和所述第二光束的干涉图案，使得所述干涉图案在所述检测器平面上展开。
全文摘要
公开了一种干涉仪，例如该干涉仪可以并入到手持分光计中。干涉仪包括环绕路径光学器件和检测器，环绕路径光学器件包括分束器(210)和至少两个反射元件(221，222)，分束器被布置为将输入光束(205)分为第一光束和第二光束(231、232)。环绕路径光学器件被布置为将第一光束和第二光束围绕环绕某一区域的路径在相反方向上引导并且朝向检测器(250)输出第一光束和第二光束。环绕路径光学器件还将第一光束和第二光束聚焦在检测器上。检测器被布置为检测由第一光束和第二光束产生的图案。在优选实施方式中，两个反射元件是一对凹面镜并且环绕路径光学器件环绕三角形区域。使用凹面镜用于反射和聚焦提供了紧凑的干涉仪。
文档编号G01J3/02GK102782465SQ201180011869
公开日2012年11月14日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年1月18日
发明者H·莫特梅尔 申请人:科学技术设备委员会