一种旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置

1.本发明涉及红外光谱仪技术领域，尤其涉及一种旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置。


背景技术：

2.目前，红外光谱仪是对物质的化学组成进行探测的有效科学仪器，具有精度高、分析速度快、结果稳定、分析过程无破坏性等优点。红外光谱仪可以用于定性分析，也可以用于定量分析，还可以对未知物进行剖析，是科研和工程领域必不可少的分析技术，在化工、医药、环境、鉴定、公检法等领域得到了广泛的应用。傅里叶变换红外光谱仪(fourier transform infrared spectrometer，ftir)相比其它类型的红外光谱仪，具有测量精度高、杂散光低、分辨率高、光通量大、测定速度快和测量波段宽等优势，是光谱分析强有力的工具。
3.傅里叶变换红外光谱仪从实现的方式上，主要可以分为时间调制型和空间调制型两类。目前时间调制型ftir大多基于迈克尔逊干涉仪及其变形结构，其光学系统结构通常由分束器、动镜和定镜三部分构成，动镜和定镜采用平面镜或立方体反射镜，通过动镜扫描探测不同光程差的干涉数据，如图1所示为现有技术中典型的基于迈克尔逊干涉仪的直线往复平动式ftir结构示意图，其通过控制动镜的直线运动来改变两束干涉光的光程差，得到干涉图，该系统主要由准直镜l1，分束器bs，固定反射镜m1，动镜m2，成像镜l2和探测器d组成，光线经过准直镜l1准直后进入干涉仪系统，分束器bs将光线分为透射和反射两路光，其中反射光经过定镜m1反射后回到分束器bs，透射光经过动镜m2反射后也返回分束器bs，两路光在分束器汇合后形成干涉光，其中一部分光经成像镜l2汇聚后被探测器d接收。工作过程中，随着动镜m2的往复平动，使得干涉仪的两臂产生随时间变化的光程差，系统光程差与动镜m2移动距离d相关。
4.上述现有技术的平动式迈克尔逊型光谱仪中，对动镜的运动精度要求非常严格，动镜在运动过程中产生的倾斜将会使反射回的光线产生倾角，导致干涉图的调制度下降，因此在平动式的迈克尔逊型光谱仪中需严格控制动镜运动过程中的倾斜量，对动镜的运动控制提出很高要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置，该装置中的运动部件仅由一对带转轴的平行镜组成，结构简单且容易实现，在转动过程中始终可以得到光程差，时间效率更高，从而有效降低了对运动部件的精度要求。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置，所述装置包括准直镜l1，分束器bs，四个平面反射镜m1、m2、m3、m4，平行镜组m5，转轴r，成像镜l2和探测器d，其中：
8.分束器bs和转轴r位于同一水平面，平面反射镜m1、m4和分束器bs及转轴r平行放
置，且平面反射镜m1和m4关于分束器bs对称放置；
9.平面反射镜m2与入射光垂直放置，平面反射镜m3与入射光平行放置，且平面反射镜m2和m3关于分束器bs对称放置；
10.平行镜组m5为一对平行放置的反射镜，相对的两平行面为反射面；所述平行镜组m5与转轴r成一定的固定角度倾斜放置，随所述转轴r的旋转而转动，所述转轴r旋转360度，且轴向旋转方向不限；
11.随着所述平行镜组m5旋转位置的不同，反射光和透射光进入所述平行镜组m5的入射角度产生不同，形成不同的光程，产生光程差；其中，最大光程差只与所述平行镜组m5和转轴r的固定角度有关，与转轴r的转动角度无关；
12.入射光经过准直镜l1准直后进入分束器bs，分束器bs将光线分为透射光和反射光两路，其中：
13.透射光分别经平面反射镜m1，平行镜组m5和平面反射镜m3反射后，再次经过平行镜组m5和平面反射镜m1反射，最后返回所述分束器bs；
14.反射光分别经平面反射镜m4，平行镜组m5和平面反射镜m2反射后，再次经过平行镜组m5和平面反射镜m4反射，最后返回所述分束器bs；
15.两路光在所述分束器bs汇合后形成干涉光，其中一部分干涉光经所述成像镜l2汇聚后被所述探测器d接收。
16.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置中的运动部件仅由一对带转轴的平行镜组成，结构简单且容易实现，在转动过程中始终可以得到光程差，时间效率更高，从而有效降低了对运动部件的精度要求。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
18.图1为现有技术中典型的基于迈克尔逊干涉仪的直线往复平动式ftir结构示意图；
19.图2为本发明实施例所述旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
21.如图2为本发明实施例所述旋转平行镜式傅里叶变换红外光谱装置的结构示意图，所述装置包括准直镜l1，分束器bs，四个平面反射镜m1、m2、m3、m4，平行镜组m5，转轴r，成像镜l2和探测器d，其中：
22.分束器bs和转轴r位于同一水平面，平面反射镜m1、m4和分束器bs及转轴r平行放
置，且平面反射镜m1和m4关于分束器bs对称放置；
23.平面反射镜m2与入射光垂直放置，平面反射镜m3与入射光平行放置，且平面反射镜m2和m3关于分束器bs对称放置；
24.平行镜组m5为一对平行放置的反射镜，相对的两平行面为反射面；所述平行镜组m5与转轴r成一定的固定角度倾斜放置，随所述转轴r的旋转而转动，所述转轴r旋转360度，且轴向旋转方向不限；
25.随着所述平行镜组m5旋转位置的不同，反射光和透射光进入所述平行镜组m5的入射角度产生不同，形成不同的光程，产生光程差；其中，最大光程差只与所述平行镜组m5和转轴r的固定角度有关，与转轴r的转动角度无关；具体实现中，在转动过程中始终可以得到光程差，时间效率高，有效降低了对运动部件的精度要求；
26.入射光经过准直镜l1准直后进入分束器bs，分束器bs将光线分为透射光和反射光两路，其中：
27.透射光分别经平面反射镜m1，平行镜组m5和平面反射镜m3反射后，再次经过平行镜组m5和平面反射镜m1反射，最后返回所述分束器bs；
28.反射光分别经平面反射镜m4，平行镜组m5和平面反射镜m2反射后，再次经过平行镜组m5和平面反射镜m4反射，最后返回所述分束器bs；
29.两路光在所述分束器bs汇合后形成干涉光，其中一部分干涉光经所述成像镜l2汇聚后被所述探测器d接收。
30.如图2所示，反射光和透射光进入平行镜组m5的光线的入射角均在45
°‑
θ到45
°
+θ之间变化，且同一时刻两路光进入m5的入射角相加为90
°
；
31.其中，θ所述平行镜组m5与垂直于转轴r的平面所成夹角，所述θ的取值根据光谱分辨率的设计需求，在能接收到干涉光的条件下进行设计。
32.具体实现中，参考图2，假设平行镜组m5的两个平行反射镜之间的距离为h，根据光路图，随着转轴r的转动，反射光和透射光进入平行镜组m5的光线的入射角均在45
°‑
θ到45
°
+θ之间变化，且同一时刻两路光进入m5的入射角相加为90
°
；
33.以初始位置为例，即平行镜组m5与垂直于转轴r的平面倾斜θ角放置，则根据图2光路的几何得到系统的光程差为：
[0034][0035]
由于反射光和透射光进入平行镜组m5的入射角在45
°‑
θ到45
°
+θ之间变化，因此系统的光程差在之间变化，则系统的最大光程差为：
[0036][0037]
通过所述平行镜组m5的旋转实现光程差的变化，在所述探测器d上得到θ在有效范围内的完整干涉图，再通过对干涉图进行光谱复原，得到对应的光谱图；
[0038]
其中，所述θ在有效范围内指的是能接收到干涉光的角度范围。
[0039]
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0040]
综上所述，本发明实施例中的运动部件是一对通过转轴旋转的平行镜组，通过平行镜组的旋转，反射光线和入射光线进入平行镜的角度产生变化，导致反射光和透射光的
光程不同，从而产生光程差，由于最大光程差只与平行镜组m5和转轴r的固定角度有关，与转轴r的转动角度无关，且在转动过程中始终可以得到光程差，时间效率更高，从而有效降低了对运动部件的精度要求。
[0041]
另外，由于经过平行镜的光线，出射光线与入射光线平行，因此在平行镜组的旋转过程中并不会引起光线的偏折，可进一步降低对运动部件的精度要求；另外光线在系统中的相同光路走过2次，因此在相同平行镜组间距和摆角时，系统光程差增加一倍，因此光谱分辨率提高一倍。
[0042]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。