一种紧凑结构型干涉仪的设计

?G+ ?G)
5 !# +/ ) +')+%#;CZ+#;CZ)$&.( !#5+)/+#)+%>&.$
#"$
)*+(>!&4:A.24E217:-;22L<34/2/A*+;-17.5E2
!!于是!在波数为wk.baidu.com单色光入射的情况下!可以得到立体 角< 范围内干涉信号为
7 # $ ' # $(8 <#>$! 2#%$<&3960%>)< 0$3 )+%> +#J<+
武汉大学电子信息学院!湖北 武汉!J!**,I
摘!要!设计了一种基于立体角镜与固定平面镜组合的紧凑结构型干涉仪系统!分析其光学系统!得到各 器件的影响与设计指标"对动镜驱动系统进行设计与分析!并通过 `@E 算法进行调速!确保动镜运动的准 直)匀速与平稳"实验表明仪器的波数精度)分辨率)信噪比等关键指标能够满足实际应用的需要"
所示!扩展光源的直径为)"!准直镜的焦距为G!光源产生 的旁轴光束所张半角为$!且产生的立体角为 < !)+#+# 0$3$$"当光束通过干涉仪后!若动镜的位移为0!则旁轴光 束两相干光线之间的光程差
4 !0)$03$#)0156$396$!>0$3$ 其中!>e)0 为在轴光束所产生的光程差"
#)$
!!理想情况下的干涉信号的调制度
:
!<<PP55jj
#<P96 &<P96
!+"
在实际的 >?@A系统中!干涉信号的调制度会受到光学
系统的非理想性而降低"与采用平面镜作为动镜的干涉系统
相比!影响本工 作 所 涉 及 的 干 涉 仪 调 制 效 率 的 参 量 有 所 增
加!但要求较为宽松!在加工与实际调试中易于实现'J("
E#5$! O775K&5K ! O775)>) &5775> !2A+#5$Z #+L$ 式中!O 为动镜系统动子的总质量%K为动镜扫描的速度%> 为动镜的位移%5为动子与导轨的摩擦系数"
)*+(G!>%67/2A7:-;267D*4+6*5575101-26
!!动镜在运动过程中!由于线圈切割磁力线会产生感应反 电动势 ?5!根据楞 次 定 律 可 得 反 电 动 势 的 方 向 总 是 反 对 电 枢电流+#5$的方向!其可表示为
由于光学器件的反射及透射面都不是理想的!存在一定 的面形误差!造成 光 束 波 前 畸 变!使 其 不 再 为 一 个 平 面 波! 内部每一个小元的相位都不一样'!("
假设综合的面形为G#6!>$!且其均值为零!则干涉信号 为
H <!L+/j(/j(7+&0$3')+%#>&G#6!>$$(8767> #++$
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 中图分类号?D,JJ&+!!文献标识码8!!!%"&+*&!I=JK&9336&+***-*LI!)*+!*"-))IJ-*L
引!言
!!傅里叶变换红外光谱仪#>$:29/212563R$2P96R252/73(/012$P/1/2!>?@A$在石油化工)医药卫生)气象环境)生物等 众多领域有着广泛的应用"与分光型红外光谱仪相比!傅里 叶变换红外光谱仪具有扫描速度快)高通量)高分辨率与高 信噪比等一系列优势'+("而 >?@A 最大的问题在于!动镜在 扫描时会发生倾斜!导致光束发生偏转!影响干涉图的调制 度!还会带来相位误差!从而影响复原光谱质量'+-!("
+!基本原理
!!干涉仪的光学结构如图+中虚线框内所示!其主要由立
体角镜)固定平面镜)分束器及补偿板等部分构成"立体角
镜)在直线电机的驱动下沿光轴方向做往复直线运动!当动
镜离开零光程差点( 时!产生光程差为
> !J(
#+$
式中!> 为光程差!( 为动镜与零光程差点的距离"
)*+('!V307.-7:*4-25:25762-25
第!!卷 !第"期! !!!!!!!!!!!光 谱 学 与 光 谱 分 析 )*+! 年 " 月!!!!!!!!!!! !.(/012$30$(4567.(/0125%865%4393
#$%&!!!'$&"!(())IJ-))I" 8:;:31!)*+! !
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"
)!光学设计
!!图)为傅里叶变换红外光谱仪的光学结构组成的!E 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 =!)&"6P
!收稿日期)*+)-++-),修订日期)*+!-*)-)L
!基金项目国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 #)*++]8>*)]*)$!国 家 /十 五 0科 技 攻 关 项 目 #)**J]8)+*8*)$!中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 #)*+))+)*)*)*I$资助
设计的分束器!使用圆形的 G]2主基片上镀 _/膜!一
块相同大小同样厚度!不镀任何材料的 G]2圆片作为补偿
板"
#(>!立体角镜 采用角镜与平面镜组合的光学系统能够有效的消除光束
倾斜与横移的影响!但由于角镜在加工制造中存在一个综合
偏差角$#如图L所示$!使得入射光和出射光存在一个角度
))I=
光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第!!卷
#!$
!!可见对于给定的波数%!测量谱会向低波数方向略有漂
移!漂移后的波数为%0$3$"同时!得到干涉信号会存在分辨
率的极限!% !%)<+!且干涉信号的调制度为
# $ : !3960%>)<
#J$
!!易知!在本工作所介绍的干涉仪光学系统中!对于扩展
光源的影响可以得到相同的结论"
)&+&)!光阑
光阑的孔径可以根据对光通量的需求进行调节!当增大
?5 !2A(K !2A(775>
#+=$
式中!2A 为线圈所在空间的磁感应强度!( 为线圈回路电 感"
第"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析
))I,
根据直线电机的电路等效模型若输入电压信号为) ! =C/85可得线圈回路电压平衡方程
)5! "+5&?5 &(7+755! "+5&2A(77>5&(7+755
偏差!导致干涉光束的调制度下降'J("
)*+(F!X557517:-;2E75425E.B26*5575
!!当入射光束为圆形孔径时!干涉信号的调制度为
:
!
)[+#)+%J$$ +%J$
#+*$
!!考虑调制度判据 :7*&I!可以得到综合角偏差应满足$
)),PJ96!在实际制作中!应尽量提高立体角镜的精度!减小其 综合角偏差"本 工 作 所 使 用 的 立 体 角 镜 其 综 合 角 偏 差 优 于 !}" #(?!光学器件面形误差
选取了带有 G]2窗口的 ET8?_.探测器!工作温度为 \)* X"l,* X!使用波长范围为L***"J**0P\+!探测 率 J" e+c+*"0P+Db+*)+O\+"
通过对光学系统中各部件的独立讨论!在理论上完成了 对干涉仪设计!而动镜是干涉仪中唯一不断运动的部件!其 运动的精度直接决定了仪器的性能好坏!需要对其结构与控 制进行分析与讨论"
#+)$
!!可以得到调制度
H :
!+#
+ )
#)+%$)L+/j(/j(G)#6!>$7679
!+#)+)%) $AS.)
#+!$
槡H 其中 AS.! L+/j(/j(G)#6!>$767>!为综合波前差的均方根
值!表明干涉信号调制度的下降与面形的标准差的平方成正
比!与波数平方成正比"综合波前差由每一个反射面与透射
面的误差合成!同时考虑到入射角的影响!可以求得总的均
方根值
O
O
% % AS.!) /J AS.G+)0$3)(& C#(!6*6+$)AS./+)
+!+
+!+
#+J$
其中!C#(!6*!6+$!6+39639#65(#($!(为平面波入射角!5为 折射角!6+ 为介质折射率"
考虑在波数J***0P\+处!并按照调制度的要求 :7 *&I!可以得到光谱仪 的 综 合 波 前 差 AS.$*&+,!=*P/ *&),)!*&=!)"!根据仪器的光路设计!对每一个光学元件 的表面加工精度进行分配!固定平面镜的面形误差)+*+L)% 角镜的面形误 差 )+*!*)%分 束 器 与 补 偿 板 的 面 形 误 差 )+* )*)" #(F!红外探测器
?G+ !5+3)5S+3%+3O3%+5+5S)5!5SJ?G*/+++
#=$
?G) !5+5S)5!5SJ3%)3O3%)5J5!3S)5!5SJ?G*/++)
#,$
式中!3+ 和5+ 表示反射与透射系数!用上角标一撇表示光沿
着相反方向传播时的量%++ !)+%+;CZ+!+) !)=%+;CZ)!
光阑孔径时!光 通 量 就 加 大!有 利 于 提 高 仪 器 的 检 测 灵 敏
)*+(?!V307.-7:B2361<A*--25
!!干涉信号的调制强度为
' ( <!H +#+)&OO)0$3#)+%>&.$
#I$
其中
O
!
+ 5)
!则干涉信号的调制度
:
!
+)&OO)!增
透
膜系
数5的大小直接会决定干涉信号的调制度"
!!动镜系统设计
>('!动镜模型分析 设计的动镜系统如图=所示!机械部分由立体角镜)支
撑体)线圈)磁铁)滑动导轨)机壳与底座等组成"在线圈的 行程范围内永磁铁可以提供一个分布大致均匀且恒定的磁场 2A!当在线圈两端施加一定电压时!线圈中有电流<7 产生! 线圈就会受到安培力的作用沿滚珠导轨做直线运动'I(!根据 牛顿定律!可得直线电机的力学模型方程为
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 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"
槡 5!
)" "P5j
#L$
其中5为光阑角!)"为分辨率!"P5j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
峰位移'+("
本仪器选取美国 ]$31$6电子公司生产的@A-+)光源!并
设置光阑直径))PP"
#(#!分束器
干涉仪经分束器的透射与反射如图J所示!当入射光束
?G* 经过干涉仪之后!光束+与光束)可以表示为
;CZ+ 和;CZ) 表示光分别在两条支路中所走过的光程"考虑分
束器)补偿器中面+!!和J所镀增透膜相同!5!5+ !5! !
5J!5S !5S+ !5S! !5JS%面)所镀分束膜3) !#3S)%由于角
镜表面镀裸金膜!且入射角一致!故3%+ !3%)!同时!需要考
虑裸金反射截面会引入附加相位!可以得到
+,
式中)5为线圈回路的输入电压" 为线圈回路的电阻
+5为线圈回路的电流?5 为线圈回路的反电动势( 为线 圈回路电感
可以得到直线电机的传递函数为
18!=W88!8O8&5(28AZ&"&2)AZ( +" >(#!动镜控制算法
)*+(#!>%1-5.E-.527:-;2*4-25:25762-25
#('!红外光源与光阑 理想情况下!光谱仪的输入光源为理想的点光源!而在
实际中!为了能够获得一定的输入辐射强度!使用的光源是
有一定尺寸的面光源!即扩展光源"此时必须考虑扩展光源 产生的旁轴光束对干涉信号的影响'L-,("
)&+&+!扩展光源孔径的影响 为方便讨论!考虑干 涉 仪 采 用 平 面 镜 时 的 情 况!如 图 !
H 其中!L/j(为光束的有效截面积!同时 G#6!>$767>!*" 7>C 当J+%G#6!>$)+时!可把被积函数用三角函数关系展
开!再对变化部分用级数展开!只取前面的二阶小量!则有
' H ( </+&
+#
+ )
#)+%$)L+/j(/j(G)#6!>$767>
0$3#)+%>$
!+&:0$3#)+%>$
!作者简介石!磊!+I"=年生!武汉大学电子信息学院博士研究生!!/-P59%&/933.Y9T/9!QY:&/7:&06 "通讯联系人!!/-P59%&i3Q:!QY:&/7:&06
第"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析
))IL
D/'/激光器作为参考激光"
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