一种紧凑结构型干涉仪的设计
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２一 ｔ ｌ ｔ ２ ｔ ３ ｔ ４ ２ ｒ ｍｒ ２ ｔ ４ ｔ ３ ｒ ２ ｔ ３ ｔ ｔ
于传统 动镜 运动干涉仪 的光程差 ，解决 了动镜在 运动过程 中
倾斜 的问题 ，提高 了干涉仪的抗震性 ，同时 降低 了机 械加工
与光学 调整的难 度 。
理想情况下的干涉信号的调制度 Ｍ 一了 Ｉ ＝ ￣ ＝ ＝ ＝ ｘ ＿ － Ｆ／ ｒ ａ ｉ ｎ —ｌ
。
在实际 的 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ系统 中， 干涉信号 的调制度会 受到光 学
直、 匀速与平稳。 实验表 明仪器的波数精度 、 分辨率 、 信噪 比等关键指标能够满足实际应用的需要 。
关键 词 光谱学 ； 傅 里叶变换红 外光谱仪 ； 干涉仪 ； 动镜 ；立体 角镜
文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓLeabharlann Baiduｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ — ２ ２ ９ ４ — ０ ５
Ｆ ｉ ｇ ． ２ ３ Ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
干涉仪经分束器 的透射与反射如 图 ４所示 ，当入射光束
经过干涉仪之后 ，光束 １ 与光束 ２可以表示为
重 １一 ｔ １ ｒ ２ ｔ １ １ ｒ ｔ ｔ ２ ｔ ３ ｔ ｔ ４ ｅ ｉ Ｏ １
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
引 言
傅里叶变换红外光谱仪（ Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｒ ｎ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｓ ｐ ｅ ｃ — ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ） 在石油化工 、医药卫 生、气 象环境 、生物 等 众多领域有着广泛 的应用 。与分光 型红外光 谱仪相 比， 傅 里 叶变换红外光谱仪具有扫描速度快 、高通量 、 高分 辨率与 高 信噪 比等一系列优势 ＿ １ ］ 。而 Ｆ － Ｆ Ｉ Ｒ最大 的问题 在于 ，动镜 在 扫描时会发生倾斜 ，导致 光束 发生偏转 ，影响 干涉 图的调 制 度 ，还会带来相位误 差 ， 从而影响复原光谱质量＿ １ 蜘。 针对这一 问题 ，本 工作 对 干涉仪 的 结构 进行 研 究与 设 计 ，采用立体角镜与 固定平面折返镜组 合的方式 ，设计 了一 种具有 紧凑结构 的干涉仪 。在空间上压 缩 了光路 ，产 生两倍
式 中，ｚ为光程差 ， Ｌ为动镜 与零光程差点 的距离 。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ － １ １ — ２ ７ ． 修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ２ — ２ ５
基金项 目：国家 科 技 支撑 计 划项 目（ ２ ０ １ １ Ｂ Ａ Ｆ ０ ２ Ｂ ０ ２ ） ，国家 “ 十 五” 科技 攻 关 项 目（ ２ ０ ０ ４ Ｂ Ａ ２ １ ０ Ａ ０ ２ ） ，中 央高 校 基 本 科 研 业 务费 专 项
第３ ３ 卷， 第８ 期
２ ０ １ ３年 ８月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ８， ｐ ｐ ２ ２ ９ ４ — ２ ２ ９ ８ Ａｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ，２ ０ １ ３
＊通 讯联 系 人
第 ８期
Ｈｅ Ｎｅ 激 光器 作为参考激光 。
光谱学 与光谱分析
２ ２ ９ ５
度 。而缩小光 阑孔径时 ，光通 量降低 ， 但可挡掉一些杂散光 ，
改善输 出光 的质量 ， 可 以提高光谱 分辨率 。适合 的光 阑角度 的计算公式 如下
ｐ一 （ ５ ）
其 中 为光 阑角 ， 峰位移［ 。
一
种 紧凑 结构 型 干涉仪 的设计
石 磊 ， 李 凯， 高志帆 ，曾立波 ， 吴琼水
武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９
摘
要
设计 了一种基于立体角镜与 固定平面镜组 合的紧凑结 构型 干涉 仪系统 ，分析其 光学系 统 ， 得 到各
器件 的影响与设计指标 。 对动镜驱动 系统进 行设计 与分析 ，并通过 Ｐ Ｉ Ｄ算法进 行调速 ，确保动 镜运动 的准
（ ２ Ｏ １ ２ ２ １ ２ Ｏ ２ Ｏ ２ Ｏ ９ ） 资助
作者简介 ： 石
磊， １ ９ ８ ６ 年生 ， 武汉大学电子信息学 院博士研究生
ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｑ ｓ ｗｕ ＠ ｗｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｅ ｉ ｓ Ｓ ｈ ｉ Ｌ ｅ ｉ ＠ｗ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｒ ｌ
１ 基本原理
干涉仪的光学结构如图 １中虚 线框 内所示 ，其主要 由立
系统 的非理想性而降低 。与采用平面镜作为 动镜 的干涉 系统 相比， 影响本工作 所 涉及 的干 涉仪 调制 效率 的参 量 有所 增 加 ，但要求较为宽松 ， 在加工与实际调试中易于实现 。
体角镜 、固定平 面镜 、 分束器 及补偿板 等部分 构成 。立体 角 镜 ２在直线电机的驱动下沿光轴方向做往复直线 运动 ，当动
镜离开零光程差点 Ｌ时 ，产生光程差 为
Ｘ一 ４ Ｌ （ １ ）
２ 光学设计
图 ２为傅 里叶变换红外光谱仪 的光学结构 组成 的 ３ Ｄ示 意图 。 其 中动镜 、 定镜 和分束器构 成 了迈 克尔逊 干涉仪 ，是 整个傅里 叶变 换 光 谱 仪 的光 学 核 心 。仪 器 使 用 ６ ３ ２ ． ８ Ｄ ｉ ｎ
为分辨率 ， Ｏ ＇ ｍ ａ 为所测波段最 大波数值 。
光 阑设置不 当 ， 散射光过 强 ， 测 量重复 性降低 ，差谱 会产生
本仪器选取美 国 Ｂ ｏ ｓ ｔ ｏ ｎ电子公 司生 产的 Ｉ Ｒ － １ ２ 光源 ， 并 设置光 阑直径≤２ Ｉ Ｔ ｔ ｒ ｎ 。
２ ． ２ 分 束器
于传统 动镜 运动干涉仪 的光程差 ，解决 了动镜在 运动过程 中
倾斜 的问题 ，提高 了干涉仪的抗震性 ，同时 降低 了机 械加工
与光学 调整的难 度 。
理想情况下的干涉信号的调制度 Ｍ 一了 Ｉ ＝ ￣ ＝ ＝ ＝ ｘ ＿ － Ｆ／ ｒ ａ ｉ ｎ —ｌ
。
在实际 的 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ系统 中， 干涉信号 的调制度会 受到光 学
直、 匀速与平稳。 实验表 明仪器的波数精度 、 分辨率 、 信噪 比等关键指标能够满足实际应用的需要 。
关键 词 光谱学 ； 傅 里叶变换红 外光谱仪 ； 干涉仪 ； 动镜 ；立体 角镜
文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓLeabharlann Baiduｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ — ２ ２ ９ ４ — ０ ５
Ｆ ｉ ｇ ． ２ ３ Ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
干涉仪经分束器 的透射与反射如 图 ４所示 ，当入射光束
经过干涉仪之后 ，光束 １ 与光束 ２可以表示为
重 １一 ｔ １ ｒ ２ ｔ １ １ ｒ ｔ ｔ ２ ｔ ３ ｔ ｔ ４ ｅ ｉ Ｏ １
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
引 言
傅里叶变换红外光谱仪（ Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｒ ｎ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｓ ｐ ｅ ｃ — ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ） 在石油化工 、医药卫 生、气 象环境 、生物 等 众多领域有着广泛 的应用 。与分光 型红外光 谱仪相 比， 傅 里 叶变换红外光谱仪具有扫描速度快 、高通量 、 高分 辨率与 高 信噪 比等一系列优势 ＿ １ ］ 。而 Ｆ － Ｆ Ｉ Ｒ最大 的问题 在于 ，动镜 在 扫描时会发生倾斜 ，导致 光束 发生偏转 ，影响 干涉 图的调 制 度 ，还会带来相位误 差 ， 从而影响复原光谱质量＿ １ 蜘。 针对这一 问题 ，本 工作 对 干涉仪 的 结构 进行 研 究与 设 计 ，采用立体角镜与 固定平面折返镜组 合的方式 ，设计 了一 种具有 紧凑结构 的干涉仪 。在空间上压 缩 了光路 ，产 生两倍
式 中，ｚ为光程差 ， Ｌ为动镜 与零光程差点 的距离 。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ － １ １ — ２ ７ ． 修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ２ — ２ ５
基金项 目：国家 科 技 支撑 计 划项 目（ ２ ０ １ １ Ｂ Ａ Ｆ ０ ２ Ｂ ０ ２ ） ，国家 “ 十 五” 科技 攻 关 项 目（ ２ ０ ０ ４ Ｂ Ａ ２ １ ０ Ａ ０ ２ ） ，中 央高 校 基 本 科 研 业 务费 专 项
第３ ３ 卷， 第８ 期
２ ０ １ ３年 ８月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ８， ｐ ｐ ２ ２ ９ ４ — ２ ２ ９ ８ Ａｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ，２ ０ １ ３
＊通 讯联 系 人
第 ８期
Ｈｅ Ｎｅ 激 光器 作为参考激光 。
光谱学 与光谱分析
２ ２ ９ ５
度 。而缩小光 阑孔径时 ，光通 量降低 ， 但可挡掉一些杂散光 ，
改善输 出光 的质量 ， 可 以提高光谱 分辨率 。适合 的光 阑角度 的计算公式 如下
ｐ一 （ ５ ）
其 中 为光 阑角 ， 峰位移［ 。
一
种 紧凑 结构 型 干涉仪 的设计
石 磊 ， 李 凯， 高志帆 ，曾立波 ， 吴琼水
武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９
摘
要
设计 了一种基于立体角镜与 固定平面镜组 合的紧凑结 构型 干涉 仪系统 ，分析其 光学系 统 ， 得 到各
器件 的影响与设计指标 。 对动镜驱动 系统进 行设计 与分析 ，并通过 Ｐ Ｉ Ｄ算法进 行调速 ，确保动 镜运动 的准
（ ２ Ｏ １ ２ ２ １ ２ Ｏ ２ Ｏ ２ Ｏ ９ ） 资助
作者简介 ： 石
磊， １ ９ ８ ６ 年生 ， 武汉大学电子信息学 院博士研究生
ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｑ ｓ ｗｕ ＠ ｗｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｅ ｉ ｓ Ｓ ｈ ｉ Ｌ ｅ ｉ ＠ｗ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｒ ｌ
１ 基本原理
干涉仪的光学结构如图 １中虚 线框 内所示 ，其主要 由立
系统 的非理想性而降低 。与采用平面镜作为 动镜 的干涉 系统 相比， 影响本工作 所 涉及 的干 涉仪 调制 效率 的参 量 有所 增 加 ，但要求较为宽松 ， 在加工与实际调试中易于实现 。
体角镜 、固定平 面镜 、 分束器 及补偿板 等部分 构成 。立体 角 镜 ２在直线电机的驱动下沿光轴方向做往复直线 运动 ，当动
镜离开零光程差点 Ｌ时 ，产生光程差 为
Ｘ一 ４ Ｌ （ １ ）
２ 光学设计
图 ２为傅 里叶变换红外光谱仪 的光学结构 组成 的 ３ Ｄ示 意图 。 其 中动镜 、 定镜 和分束器构 成 了迈 克尔逊 干涉仪 ，是 整个傅里 叶变 换 光 谱 仪 的光 学 核 心 。仪 器 使 用 ６ ３ ２ ． ８ Ｄ ｉ ｎ
为分辨率 ， Ｏ ＇ ｍ ａ 为所测波段最 大波数值 。
光 阑设置不 当 ， 散射光过 强 ， 测 量重复 性降低 ，差谱 会产生
本仪器选取美 国 Ｂ ｏ ｓ ｔ ｏ ｎ电子公 司生 产的 Ｉ Ｒ － １ ２ 光源 ， 并 设置光 阑直径≤２ Ｉ Ｔ ｔ ｒ ｎ 。
２ ． ２ 分 束器