專利名稱：一種多光程干涉儀分光方法及應(yīng)用該方法的多光程干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于立方角鏡的多光程干涉儀的分光方法以及應(yīng)用該方法的干涉儀。
背景技術(shù)：
光譜技術(shù)是獲取物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成、物質(zhì)元素含量測定以及研究原子能級等的重要手段，目前已經(jīng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、航空航天遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光譜技術(shù)按照分光方式的不同可分為濾光片型、色散型、干涉型和計(jì)算層析型四種。 其中濾光片型是指利用濾光片進(jìn)行分光，按照分光的特點(diǎn)被稱為第一代分光技術(shù)。它只能在單一或少數(shù)幾個(gè)波長下測定物質(zhì)的光譜，而且光譜分辨率低，波長穩(wěn)定性和重復(fù)性較差， 靈活性差。色散型是指利用分光棱鏡、色散棱鏡或衍射光柵進(jìn)行分光，被稱為第二代分光技術(shù)。它的原理簡單，性能穩(wěn)定，但是存在光能利用率低和光譜范圍窄的天生局限。干涉型是指利用干涉分光原理，被稱為第三代分光技術(shù)。它具有高通量、多通道和高光譜分辨率的優(yōu)點(diǎn)，而且光譜范圍寬、波長精度高且雜散光低。前三種光譜技術(shù)已有成熟的理論基礎(chǔ)和廣泛的工程應(yīng)用，而計(jì)算層析型光譜技術(shù)主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，剛剛走向初步的工程應(yīng)用， 技術(shù)還不太成熟。因此，目前國際上干涉型光譜技術(shù)漸漸成為研究和應(yīng)用的主流。已出現(xiàn)的干涉型光譜技術(shù)主要有三種一種是基于邁克爾遜干涉儀的時(shí)間調(diào)制型 (動(dòng)態(tài))；一種是基于橫向剪切干涉儀的空間調(diào)制型(靜態(tài))；另一種是同樣是基于橫向剪切干涉儀的時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型(靜態(tài))。以這些技術(shù)為基礎(chǔ)相繼出現(xiàn)了多種干涉光譜儀，但是他們往往又各自存在缺陷。時(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀通量高、信噪比高，特別是光譜分辨率可以依靠角鏡的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的光程差而做到很高，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前任何其他種光譜探測技術(shù)，但是因?yàn)榻晴R運(yùn)動(dòng)中的速度和姿態(tài)控制對干涉儀的校準(zhǔn)精度要求很高，因而光機(jī)穩(wěn)定度較差；空間調(diào)制型穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)簡單，但是光譜分辨率受探測器單元數(shù)和尺寸的限制而分辨率較低；時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，探測靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空間調(diào)制干涉光譜儀和色散型光譜儀，但對平臺(tái)的穩(wěn)定性要求很高，而且光譜分辨率同空間調(diào)制式相似而較低。因而，為了既保留干涉型光譜技術(shù)的優(yōu)勢，又可獲取高光譜分辨率，人們對時(shí)間調(diào)制干涉光譜儀的研究一直興趣未減。但是傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀存在兩個(gè)主要問題①一般需輔助光路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜； ②穩(wěn)定性差，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力低。這是因?yàn)橐环矫嬖趥鹘y(tǒng)邁克爾遜直線型角鏡干涉儀中，角鏡為平面鏡，在運(yùn)動(dòng)過程中如果發(fā)生傾斜，將嚴(yán)重影響干涉效率，甚至不能產(chǎn)生干涉；它對角鏡運(yùn)動(dòng)的方向性要求也極其嚴(yán)格，故在直線型角鏡干涉儀中需設(shè)置輔助光路，即利用激光對角鏡運(yùn)動(dòng)的方向準(zhǔn)確性、速度均勻性、位移量等進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測和修正。但是這種輔助光路同時(shí)增大了儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和實(shí)施的難度。另一方面，因?yàn)閷晴R勻速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)且對傾斜晃動(dòng)要求很高，所以干涉儀對角鏡的控制要求有一套高精度的角鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是在實(shí)際的工程研制過程中，實(shí)現(xiàn)高精度的角鏡直線驅(qū)動(dòng)和支撐系統(tǒng)仍然相當(dāng)困難。另外，角鏡直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)對運(yùn)動(dòng)軌道的加工工藝依賴性較強(qiáng)，雖然激光輔助光路在很大程度上減少了外界環(huán)境如抖動(dòng)或震動(dòng)對測量效果的影響，但是這種影響只能減弱并不能完全消除，致使系統(tǒng)穩(wěn)定性差，降低了此類光譜儀適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力和抗干擾能力。針對時(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題人們提出了多種解決途徑和方案。 為避免平面鏡運(yùn)動(dòng)過程中傾斜的問題，干涉儀中的角鏡往往被其他抗傾斜的反射鏡替代， 如二面角鏡(實(shí)心直角棱鏡、屋脊棱鏡或空心二面直角反射鏡)、立方角鏡(實(shí)心立方棱鏡或空心三面直角平面鏡)、貓眼鏡等。如果將以上三種反射器分別同時(shí)替代邁克爾遜干涉儀的角鏡和定鏡時(shí)，盡管對傾斜都不敏感，但都會(huì)遇到反射器橫移的問題。Carli等將一個(gè)屋脊棱鏡作為角鏡與另一個(gè)固定的屋脊棱鏡組合，但角鏡對橫移和某一方向的傾斜都敏感。 Murty首先認(rèn)識(shí)到如果將立方角鏡與平面反射鏡組合一起，即將立方角鏡作為角鏡而將平面反射鏡作為固定鏡，則可以保證立方角鏡運(yùn)動(dòng)過程中對傾斜和橫移都不敏感。Murty提出的這種立方角鏡干涉儀以及其他種立方角鏡干涉儀后來在時(shí)間調(diào)制干涉光譜儀中被普遍采用，因?yàn)榱⒎浇晴R的使用使得干涉儀所需的校準(zhǔn)精度比采用平面鏡時(shí)降低1個(gè)到2個(gè)數(shù)量級，同時(shí)干涉儀的光程由2程變?yōu)?程，使得干涉儀的光程差增大到原來的兩倍，相應(yīng)地角鏡移動(dòng)同樣的位移使得干涉儀的光譜分辨率增大到兩倍。因而這種方法也大大發(fā)展了該類型的光譜儀。但是到目前為止，由于多光程光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，4倍程被認(rèn)為是增加干涉儀光程數(shù)量的合理極限。利用單個(gè)立方角鏡限于僅至多實(shí)現(xiàn)雙倍程，即立方角鏡位移量X， 光程差變化4x，此時(shí)光譜分辨率提高到傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的約2倍，或者相當(dāng)于在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀同等光譜分辨率的條件下測量時(shí)間和角鏡位移量減小到約1/2 ；或者利用雙立方角鏡僅限于實(shí)現(xiàn)四倍程，即角鏡位移量X，光程差變化8x，此時(shí)光譜分辨率提高到傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的約4倍，或者相當(dāng)于在實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀同等光譜分辨率的條件下測量時(shí)間和角鏡位移量減小到約1/4。角鏡位移量的減小有利于對角鏡實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)和驅(qū)動(dòng)控制，相反位移量的增大會(huì)相應(yīng)地增加測量時(shí)間和位移，從而增大干涉儀角鏡驅(qū)動(dòng)和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，對導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和工藝要求更加嚴(yán)格。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的干涉儀存在光譜分辨率低、校準(zhǔn)精度要求高以及檢測穩(wěn)定性差的問題，本發(fā)明提供了一種高通量、多通道、高光譜分辨率、雜散光低，以及校準(zhǔn)精度相對低、測量時(shí)間短、易于工程實(shí)現(xiàn)的時(shí)間調(diào)制型干涉儀分光方法以及應(yīng)用該方法的干涉儀。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種多光程干涉儀的分光方法，其特殊之處在于 包括以下步驟1)將入射光分束后形成第一光線和第二光線；2)第一光線到達(dá)干涉儀的靜臂，經(jīng)靜臂反射后返回，經(jīng)分束器后形成第一透射光線和第一反射光線；第二光線到達(dá)干涉儀的動(dòng)臂；3)第二光線經(jīng)過動(dòng)臂處理，其具體由以下步驟實(shí)現(xiàn)3. 1)在角鏡的有效通光口徑內(nèi)將角鏡的每個(gè)反射面分為兩個(gè)區(qū)域，即入射區(qū)和出射區(qū)；3. 2)將入射于角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線從角鏡出射后經(jīng)過第一反射器反射回角鏡；3. 4)返回角鏡的光再經(jīng)角鏡反射后全部出射；
4)由步驟3)出射的光線，經(jīng)分束器后形成第二透射光線和第二反射光線，所述第二透射光線和步驟2)的第一反射光線匯聚形成第一干涉信號，所述第二反射光線和步驟 2)的第一透射光線匯聚形成第二干涉信號。上述步驟3. 2)與步驟3. 4)之間還包括步驟3. 3)返回角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線經(jīng)角鏡出射后再通過第二反射器反射回角鏡。上述步驟3)還包括步驟3. 5)經(jīng)步驟3. 4)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射使其按原路返回，經(jīng)角鏡反射，光路折疊多次出射。上述步驟3)還包括步驟3. 6)經(jīng)步驟3. 4)出射的光線再經(jīng)過第三反射器的反射使其按原方向返回，經(jīng)角鏡反射，光路折疊多次出射。上述步驟幻還包括步驟3. 7)重復(fù)步驟3. 6)，重復(fù)N次，使光路折疊多次后出射， N為自然數(shù)。上述方法還包括步驟3. 8):將步驟3. 6)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射后使得其光路按原路返回，使光路折疊多次后出射。上述方法還包括步驟3. 9)將步驟3. 7)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射后使其按原路返回，使光路折疊多次后出射。上述步驟3. 1)是依靠角鏡的有效通光口徑內(nèi)的光線的入射方向和入射點(diǎn)的位置，以及按照光線在角鏡中被反射的路徑將角鏡的每個(gè)反射面進(jìn)行分區(qū)域；所述角鏡的每個(gè)反射面上的分區(qū)線是由平行光線入射到該反射面上并在角鏡內(nèi)其他反射面上的不同反射次序確定，而且與入射光線在相應(yīng)反射面上投影的方向相同，且通過各個(gè)反射面的交點(diǎn)； 所述角鏡的反射面兩兩相互垂直。上述步驟1)之前包括步驟a)將入射的輻射光進(jìn)行收集、準(zhǔn)直處理。上述步驟4)之后還包括步驟幻對步驟4)的第一或第二干涉信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析并輸出結(jié)果。一種應(yīng)用上述的多光程干涉儀分光方法的多光程干涉儀，包括依次設(shè)置于光的傳播路線上的分束器、動(dòng)臂組件和靜臂組件，所述動(dòng)臂組件和靜臂組件設(shè)置于分束器的出射光路上；其特征在于所述動(dòng)臂組件包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上。上述角鏡為一個(gè)或多個(gè)立方角鏡；上述折返鏡組包括多個(gè)反射器；所述反射器是第一反射器、第二反射器、第三反射器和/或平面反射鏡。上述第一反射器、第二反射器和第三反射器分別是二面角鏡或立方角鏡，也可以是貓眼鏡。上述干涉儀還可以包括接收輻射源光信號的前置光學(xué)系統(tǒng)、匯聚第一或第二干涉信號的會(huì)聚鏡、設(shè)置于會(huì)聚鏡透射光路上的用于接收第一或第二干涉信號的探測器以及用于處理探測器輸出信號的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。上述前置光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置于光路上的會(huì)聚透鏡、光闌和準(zhǔn)直透鏡。本發(fā)明的多光程干涉儀分光方法及干涉儀，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的干涉儀分光方法及干涉儀突破了以往實(shí)際使用干涉光譜儀光程數(shù)量的極限。以往的多光程干涉儀中光路的形成受到光線視場角、光束口徑、光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝要求以及探測器靈敏度等的限制，而使得四倍程(即8程，角鏡位移量X，光程差變化8x;指是傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的四倍)成為實(shí)際干涉儀光程數(shù)的合理極限。而且該四倍程是依靠兩個(gè)反射器運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明利用立方角鏡干涉儀中的立方角鏡和折返鏡組的組合構(gòu)型形成了光路3次或以上折疊，至少形成6程或12程，也因而至少是傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀角鏡的3倍或6倍程，即當(dāng)因立方角鏡位移量χ時(shí)干涉儀的光程差變化6x或1 以上。 若用兩個(gè)立方角鏡配以相應(yīng)的固定反射鏡組合，則光程數(shù)在6倍或12倍以上。而且此時(shí)立方角鏡干涉儀中的其他光機(jī)器件和結(jié)構(gòu)都幾乎不需要做改變和調(diào)整，而光線視場角和口徑也在實(shí)用的干涉儀設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。2、本發(fā)明的干涉儀多光程設(shè)計(jì)是一種最優(yōu)的多光程設(shè)計(jì)方法。本方法基于充分利用了立方角鏡的各個(gè)反射面，按照光束口徑對應(yīng)在立方角鏡有效通光孔徑內(nèi)的最大可能形成的光程數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，將立方角鏡進(jìn)行分區(qū)形成多光程的設(shè)計(jì)符合理論上的最大數(shù)，因而屬于一種最優(yōu)的多光程設(shè)計(jì)方法。3、本發(fā)明可大大提高干涉儀的光譜分辨率。由于充分利用了立方角鏡在反射面分區(qū)方面的光學(xué)特性，使得單個(gè)立方角鏡的光路可折疊3次以上，產(chǎn)生的光程差也在傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的3倍以上，即當(dāng)因立方角鏡位移量χ時(shí)干涉儀的光程差變化6x或1 以上。 從而使得干涉儀的光譜分辨率比傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀提高3倍或者6倍及以上，比過去的以相同個(gè)數(shù)立方角鏡為動(dòng)鏡的立方角鏡干涉儀的光譜分辨率提高1. 5倍或者3倍及以上。4、本發(fā)明降低了對時(shí)間調(diào)制型干涉儀中動(dòng)鏡的控制驅(qū)動(dòng)難度。由于以往為了獲取高光譜分辨率，必須將角鏡的有效行程加到很長，即便在目前最高的四倍程情況下角鏡的有效行程仍然超過0. 5m，這對角鏡的驅(qū)動(dòng)控制精度提出了很高的要求，因而這也阻礙了角鏡式干涉光譜儀的發(fā)展。而采用本方法的方案時(shí)，在獲取相同光譜分辨率的條件下，角鏡移動(dòng)的有效行程則縮短為原來的1/3或者2/3，甚至以下。這就大大減小了對角鏡直線運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)和速度均勻性控制的時(shí)間和工作量，也相應(yīng)減小了外界環(huán)境干擾對干涉圖可能造成的影響。5、本發(fā)明降低了對時(shí)間調(diào)制型干涉儀中角鏡的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，增加了設(shè)計(jì)方法的多樣性。在獲取相同光譜分辨率的條件下，角鏡直線運(yùn)動(dòng)的行程相比過去都大有減少， 從而降低了對支撐軌道的工藝要求和難度，而且使得有些只適應(yīng)較短行程的支撐方法(如記憶合金、片簧、壓電陶瓷等)可能開始應(yīng)用于原先不適宜的場合，從而提高了角鏡支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多樣性，降低了設(shè)計(jì)難度。6、本發(fā)明干涉儀獲取干涉圖的測量時(shí)間大大縮短，提高了測量的實(shí)時(shí)性，也提高了對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測的適應(yīng)性。在獲取相同光譜分辨率的條件下，由于角鏡的行程變短，使得獲取干涉圖的時(shí)間縮短，從而使得干涉儀對慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不敏感，提高了實(shí)時(shí)測量的效率。7、本發(fā)明的干涉儀便于小型化和輕量化。由于在獲取同等光譜分辨率條件下，角鏡的行程變短，從而減小了角鏡的支撐系統(tǒng)尺寸，而且干涉儀的新結(jié)構(gòu)部分并不會(huì)較大程度上對干涉儀的結(jié)構(gòu)、體積和重量造成影響，從而使得干涉儀的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊和穩(wěn)定， 十分便于小型化和輕量化。8、本發(fā)明的干涉儀易于工程實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐环矫嬖诟缮鎯x中保留了作為動(dòng)鏡的立方角鏡，也即保留了立方角鏡在降低干涉儀校準(zhǔn)精度方面和增強(qiáng)干涉儀的抗干擾能力方面的優(yōu)勢；另一方面，干涉儀新結(jié)構(gòu)部分是固定的，幾乎不會(huì)降低干涉儀在這兩個(gè)方面的性能， 同時(shí)又幾乎不會(huì)對干涉儀其他光機(jī)結(jié)構(gòu)部件造成影響。這樣，只需要對過去的立方角鏡干涉儀做較小改動(dòng)，就可以完成按本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的干涉儀。而且因?yàn)橥确直媛蕳l件下行程短，降低了對干涉儀中角鏡的控制驅(qū)動(dòng)和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、增加了設(shè)計(jì)方法的多樣性，使得按照本發(fā)明方法設(shè)計(jì)比過去時(shí)間調(diào)制型干涉儀更能適應(yīng)惡劣環(huán)境，更適合航空、航天等環(huán)境。


圖1為本發(fā)明干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的多光程形成原理示意圖。圖中1-角鏡，2-折返鏡組，3-靜臂組件，4-分束器，5-前置光學(xué)系統(tǒng)，6_會(huì)聚鏡， 7-探測器，8-計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，9-動(dòng)臂組件，a_平面反射鏡，b-第一反射器，C-第二反射器，d-準(zhǔn)直透鏡，e_光闌，f-會(huì)聚透鏡。
具體實(shí)施例方式參見圖1、圖2，本發(fā)明所涉及的多光程干涉儀的分光方法，其主要由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟a 將目標(biāo)輻射光進(jìn)行收集、準(zhǔn)直處理，是目標(biāo)輻射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?；步驟1 將步驟a)的平行光分束后形成第一光線和第二光線；步驟2 第一光線到達(dá)干涉儀靜臂，經(jīng)靜臂反射后返回，經(jīng)分束器后形成第一透射光線和第一反射光線；第二光線到達(dá)干涉儀動(dòng)臂；步驟3 第二光線經(jīng)過動(dòng)臂處理，其具體由以下步驟實(shí)現(xiàn)3. 1)在角鏡的有效通光口徑內(nèi)將角鏡的每個(gè)反射面分為兩個(gè)區(qū)域，即入射區(qū)和出射區(qū)；3. 2)將入射于角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線從角鏡出射后經(jīng)過第一反射器反射回角鏡；3. 3)返回角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線經(jīng)角鏡出射后再通過第二反射器反射回角鏡；3. 4)返回角鏡的光再經(jīng)角鏡反射后全部出射；步驟4 步驟3)出射的光線經(jīng)分束處理后形成第二透射光線和第二反射光線，其中第二透射光線與步驟2)的第一反射光線匯聚形成第一干涉信號，而第一透射光線與第二反射光線匯聚形成第二干涉信號。另外，經(jīng)步驟3. 出射的光線可以不經(jīng)過第二反射器直接返回角鏡，進(jìn)行步驟 3. 4)。本發(fā)明的干涉儀分光方法還包括步驟5 對步驟4)的第一或第二干涉信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析并輸出結(jié)果。主要包括干涉圖裸數(shù)據(jù)的預(yù)處理、誤差修正、光譜響應(yīng)度定標(biāo)修正、輻射度定標(biāo)修正，以及傅里葉變換等，完成光譜的復(fù)原過程，獲取目標(biāo)的光譜，或高分辨率光譜圖像。本發(fā)明的步驟a、步驟1、步驟2、步驟4以及步驟5均可采用現(xiàn)有的方法處理。本發(fā)明的步驟3的具體實(shí)現(xiàn)方法是步驟3. 1 在角鏡的有效通光口徑內(nèi)將角鏡的每個(gè)反射面分為兩個(gè)區(qū)域，即入射面和出射面，以六光程的實(shí)施為例，角鏡的兩兩面相互垂直，即角鏡的三個(gè)面被虛線分為六
8個(gè)區(qū)1、II、III、IV、V和VI。這六個(gè)區(qū)的劃分規(guī)則是(1)光線在角鏡的有效通光口徑內(nèi)傳播。即這些打在角鏡上的光線在角鏡的每個(gè)反射面上都反射了一次，能反射回入射源的方向。(2)依靠光線的入射方向和入射點(diǎn)的位置，以及按照光線在角鏡中被反射的路徑將角鏡的各個(gè)反射面進(jìn)行分區(qū)。(3)角鏡每個(gè)反射面上的分區(qū)線是由平行光線入射到該反射面上并在角鏡的其他各反射面上的不同反射次序確定的。各面上的分區(qū)線與入射光線在相應(yīng)反射面上投影的方向相同，且過角鏡的頂點(diǎn)(即三個(gè)反射面的交點(diǎn))。步驟3. 2 將入射于角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線從角鏡出射后經(jīng)過第一反射器反射回角鏡。具體是入射到角鏡的光線在其內(nèi)部經(jīng)過3次反射后出射，出射光線與入射光線互相平行，且關(guān)于角鏡的頂點(diǎn)對稱。按照角鏡的幾何光學(xué)特性，在這六個(gè)分區(qū)中，光線在反射面上的出射點(diǎn)與入射點(diǎn)的位置有如下關(guān)系(1)從I區(qū)入射的光線(入射點(diǎn)在I區(qū))，必定從IV區(qū)出射(出射點(diǎn)在IV區(qū))； 由光路的可逆性知，反之亦然。(2)從II區(qū)入射的光線(入射點(diǎn)在II區(qū))，必定從V區(qū)出射(出射點(diǎn)在V區(qū))； 由光路的可逆性知，反之亦然。(3)從III區(qū)入射的光線(入射點(diǎn)在III區(qū))，必定從VI區(qū)出射(出射點(diǎn)在VI 區(qū))；由光路的可逆性知，反之亦然。按照光線行進(jìn)的方向光線按照箭頭指示的方向入射到角鏡1的I區(qū)，經(jīng)過三次反射后由IV區(qū)出射；此出射光線被第一反射器反射返回到角鏡的III區(qū)。這里的第一反射器可以采用直角反射鏡b。步驟3. 3 返回角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線再經(jīng)角鏡出射后再經(jīng)第二反射器反射返回角鏡。具體是步驟3. 2完成后返回角鏡的光線在角鏡內(nèi)經(jīng)三次反射后從VI區(qū)出射至第二反射器，這里的第二反射器也可以是直角反射鏡C。步驟3. 4 返回角鏡的光再經(jīng)角鏡反射后全部出射。如上述步驟3. 2或步驟3. 3被直角反射鏡c反射的光線再次返回到角鏡的V區(qū)， 經(jīng)角鏡內(nèi)三次反射后從II區(qū)出射。光線打在角鏡的入射分區(qū)與出射分區(qū)，以及各個(gè)反射面的順序?yàn)?區(qū)(入射)_IV 區(qū)(出射)-b-III區(qū)(入射)_VI區(qū)(出射)-c-V區(qū)(入射)-π區(qū)(出射)。其他步驟3. 2中從第II區(qū)、III區(qū)入射的光線也按上述同理的處理過程最后分別從角鏡的V區(qū)、VI區(qū)出射，同理，從IV區(qū)、V區(qū)、VI區(qū)入射的光線按照上述同樣的處理過程最后分別從角鏡的I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)出射，這樣，進(jìn)去的一路光，經(jīng)角鏡、第一反射器和第二反射器按上述方法處理后以六程光路出射，這樣就實(shí)現(xiàn)了六程光路分光的目的。本發(fā)明的分光方法步驟3. 4之后還可以包括步驟3. 5 經(jīng)步驟3. 4出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射使其按原路返回，經(jīng)角鏡反射，光路折疊多次出射，從而形成更多程光路。具體是從步驟3. 4中II區(qū)出射的出射光線又被平面反射鏡a反射，從而使得光線按照原路返回。這樣便形成了十二程的光路設(shè)計(jì)。從角鏡的角度來看，光線打在角鏡的入射分區(qū)與出射分區(qū)，以及各個(gè)反射面的順序?yàn)?區(qū)(入射)-IV區(qū)(出射)-b-III區(qū)(入射)-νι 區(qū)(出射)-c-V區(qū)(入射)-11區(qū)(出射)-a-II區(qū)(入射)-V區(qū)(出射)-c-VI區(qū)(入射)-111區(qū)(出射)-b-iv區(qū)(入射)-1區(qū)(出射)。本發(fā)明的第一反射器的作用是改變從角鏡的IV區(qū)出射的光線的方向和路徑，使之再返回到III區(qū)，即光線的傳播路徑順序?yàn)镮V區(qū)-III區(qū)；第二反射器的作用是改變從立方角鏡的VI區(qū)出射的光線的方向和路徑，使之再返回到V區(qū)，即光線的傳播路徑順序?yàn)?VI區(qū)-V區(qū)；平面反射鏡a的作用是改變從立方角鏡的II區(qū)出射的光線的方向，使之原路返回到II區(qū)，即光線的傳播路徑順序?yàn)?1區(qū)-II區(qū)。按照對角鏡的分區(qū)方法，對角鏡的六個(gè)分區(qū)來說，光線從I區(qū)入射時(shí)，按照光線傳播的方向和被反射的順序，至少還有七種可能的情況，對應(yīng)折返鏡組改變光線的傳播路徑順序?yàn)?1) IV 區(qū)-III 區(qū)，VI 區(qū)-II 區(qū)，V 區(qū)-V 區(qū);(2) IV 區(qū)-II 區(qū)，V 區(qū)-III 區(qū)，VI 區(qū)-VI 區(qū)；(3) IV 區(qū)-II 區(qū)，V 區(qū)-VI 區(qū)，III 區(qū)-III 區(qū)；(4) IV 區(qū)-V 區(qū)，II 區(qū)-III 區(qū)，VI 區(qū)-VI 區(qū)；(5) IV 區(qū)-V 區(qū)，II 區(qū)-VI 區(qū)，III 區(qū)-III 區(qū)；(6) IV 區(qū)-VI 區(qū)，III 區(qū)-II 區(qū)，V 區(qū)-V 區(qū)；(7) IV 區(qū)-VI 區(qū)，III 區(qū)-V 區(qū)，II 區(qū)-II 區(qū)。本發(fā)明的分光方法的步驟3. 4之后還可以包括步驟3. 6 經(jīng)步驟3. 4出射的光線再經(jīng)過第三反射器的反射使其按原方向返回，即重復(fù)步驟3. 2至步驟3. 4，經(jīng)角鏡反射，光路折疊多次出射，從而形成更多程光路。為了實(shí)現(xiàn)光路更多程的目的，本發(fā)明的步驟3. 6之后還可以包括步驟3. 7 重復(fù)步驟3. 6的操作，反復(fù)N次，使光路折疊多次出射，N為自然數(shù)。具體是將從步驟3. 4中角鏡II區(qū)出射的光線再經(jīng)過第三反射器的反射，返回角鏡的II 區(qū)，使得光線發(fā)生移位，仍然按原方向返回到角鏡I區(qū)后出射，也就是說，按照與原來光束在角鏡和折返鏡組之間的傳播方向相反的方向返回，但不是原路返回。該折返鏡組是由上述的第一反射器、第二反射器、第三反射器和/或平面反射鏡等組成。上述的第三反射器可以采用立方角鏡，也可以是貓眼鏡，或者其他可以使光線按原方向返回的反射鏡。此時(shí)，如果角鏡I區(qū)的出射光線直接出射時(shí)，則形成了 12程光路；如果角鏡I區(qū)的出射光線再經(jīng)過第三反射器等反射器按原方向返回角鏡(可有偏離位移的返回，也可用平面鏡反射而原路返回)，光線再次從II區(qū)出射后直接射出時(shí)，則形成了 18程光路；如果角鏡I區(qū)的出射光線也可再次被反射器按原方向返回角鏡，如此循環(huán)下去，則可形成6N程光路，其中N為自然數(shù)。但是光路數(shù)量受到角鏡和反射器的尺寸、光束的口徑和視場角、以及光的能量損失限制。本發(fā)明的步驟3. 6之后還可以包括步驟3. 8 將步驟3. 6處理后得到的出射光再經(jīng)過平面反射鏡處理后使得其光路按原路返回，使折疊多次后的光路出射。
具體是在光路被折疊多次形成6N程后，將從角鏡出射的光線再用平面反射鏡垂直反射，使得光路按原路返回，則即可形成12N程的光路。此時(shí)的光程數(shù)量也會(huì)受到立方角鏡和折返鏡組中反射器的尺寸、光束的口徑和視場角、以及光線的能量損失限制。本發(fā)明的步驟3. 7之后還可以包括步驟3.9 將步驟3. 7)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射后使其按原路返回，使光路再折疊多次后出射。具體折返原理與上述相同。參見圖1，本發(fā)明所涉及的一種利用上述多光程干涉儀分光方法的多光程干涉儀， 其較佳實(shí)施方式為本發(fā)明的干涉儀包括依次設(shè)置于光的傳播路線上的前置光學(xué)系統(tǒng)5、分束器4、靜臂組件3、動(dòng)臂組件9、會(huì)聚鏡6和探測器7，其中動(dòng)臂組件9是多光程組件，該多光程組件包括角鏡1和折返鏡組2 ；折返鏡組2設(shè)置于角鏡1的出射光路上。前置光學(xué)系統(tǒng)5包括依次設(shè)置的會(huì)聚透鏡f、光闌e和準(zhǔn)直透鏡d，目標(biāo)光主要由會(huì)聚透鏡f會(huì)聚，光闌e濾光限制會(huì)聚透鏡f像面的形狀，并防止雜散光，再由準(zhǔn)直透鏡d 準(zhǔn)直，使經(jīng)過前置光學(xué)系統(tǒng)5的光變成平行光。前置光學(xué)系統(tǒng)5可采用折射、折反射和全反射等各種形式，其目的是使目標(biāo)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄饩€。若應(yīng)用于激光光源或擴(kuò)束后的激光光源，則此前置光學(xué)系統(tǒng)5可省去。分束器4是將經(jīng)準(zhǔn)直后的平行光分成第一光線和第二光線；第一光線和第二光線的強(qiáng)度取決于分束器4的半透半反分光膜，例如金屬膜或介質(zhì)膜均可，可見、紅外、紫外波段亦可，可以根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇，只要能達(dá)到分束的目的即可。按照光線行進(jìn)的方向，第一光線和第二光線分別達(dá)到干涉儀的靜臂組件3和動(dòng)臂組件9，或者動(dòng)臂組件9和靜臂組件3，即本發(fā)明的干涉儀可以設(shè)置有兩個(gè)動(dòng)臂組件9，兩個(gè)動(dòng)臂組件9分別設(shè)置于分束器4的透射光路和反射光路上也可以設(shè)置有一個(gè)動(dòng)臂組件9和一個(gè)靜臂組件3，其靜臂組件 3設(shè)置于分束器4的透射光路上，同時(shí)其動(dòng)臂組件9設(shè)置于分束器4的反射光路上；也可以將動(dòng)臂組件9和靜臂組件3位置對調(diào)，即靜臂組件3設(shè)置于分束器4的反射光路上，同時(shí)動(dòng)臂組件9設(shè)置于分束器4的透射光路上。靜臂組件3反射經(jīng)分束器4后的第一光線，使得光線被原路返回，再經(jīng)分束器4后形成第一透射光線和第一反射光線，其中的第一反射光線經(jīng)會(huì)聚鏡6后到達(dá)探測器系統(tǒng)7 ； 靜臂組件3也可被其它反射、透射等組合形式替代，如特倫反射系統(tǒng)、或與動(dòng)臂相同的光機(jī)結(jié)構(gòu)等，其作用旨在反射入射光線，使入射的光線按原方向返回。經(jīng)分束器4后的第二光線達(dá)到動(dòng)臂組件9，參見圖2，其中動(dòng)臂組件9包括角鏡1 和設(shè)置與角鏡的出射光路上的折返鏡組2，折返鏡組2可以設(shè)置為合體式的，也可以設(shè)置為分體式，以方便光機(jī)設(shè)計(jì)和器件安裝。角鏡1是干涉儀中的唯一運(yùn)動(dòng)部件，根據(jù)不同干涉儀構(gòu)型特征可以采用單個(gè)、兩個(gè)立方角鏡，或者多個(gè)立方角鏡陣列形式，且可直線來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。折返鏡組2是固定的，包括多個(gè)反射器，即反射器可以是第一反射器b、第二反射器C、 第三反射器和/或平面反射鏡a ；第一反射器b和/或第二反射器c可以是二面角鏡即實(shí)心直角棱鏡、屋脊棱鏡或空心二面直角反射鏡等，也可以采用立方角鏡即實(shí)心立方棱鏡或空心三面直角平面鏡等，或者還可以是貓眼鏡等；第三反射器也可以采用立方角鏡或者貓眼鏡或者其他的可以使光線按照原方向返回的反射鏡，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境設(shè)置其分部個(gè)數(shù)；各個(gè)反射器可以設(shè)置為分體式，也可以設(shè)置為合體式。按照圖2所示的立方角鏡分區(qū)結(jié)構(gòu)和形成多光程的原理，光線在動(dòng)臂組件9中形成往復(fù)多次反射，形成了 12程光路。當(dāng)立方角鏡沿直線運(yùn)動(dòng)位移χ時(shí)，干涉儀的光程差變?yōu)?2χ。折返鏡組2中各反射器件的空間位置原則上除了要求入射到它們的光束能平行反方向出射，還要求它們不互相阻擋光束的傳播。一般情況下，沿經(jīng)分束后光束入射到動(dòng)臂的方向，各反射器件的處于對稱軸上的頂點(diǎn)與角鏡的頂點(diǎn)重合。折返鏡組2中各反射器件的空間擺放位置由經(jīng)分束后光束入射到動(dòng)臂的方向、 角鏡的中心對稱軸和角鏡的有效通光口徑確定。最佳空間擺放位置原則上要求經(jīng)分束后光束入射到動(dòng)臂的方向與角鏡的中心對稱軸平行。折返鏡組2中反射器數(shù)量、種類、空間位置的擺放和排列組合等可以有多種變化時(shí)。不過無論折返鏡組2的形式如何變化，改變光線傳播的方向和路徑，使光線在立方角鏡的各個(gè)分區(qū)范圍內(nèi)傳播并折疊是其主要目的。第二光線在動(dòng)臂組件9中多次反射后沿原路返回，然后到達(dá)分束器4。分束器4又將該返回光線分為第二透射光線和第二反射光線。第二透射光線經(jīng)會(huì)聚鏡6后到達(dá)探測器系統(tǒng)7，第二反射光線經(jīng)分束器4的反射返回原輻射光源處。探測器7設(shè)置與會(huì)聚鏡6的透射光路上，能夠接收來自會(huì)聚鏡6所匯聚的動(dòng)臂組件9的第二透射光線與來自靜臂組件3的第一反射光線匯聚產(chǎn)生的第一干涉信號或者由動(dòng)臂組件9的第二反射光線與靜臂組件3的第一透射光線匯聚產(chǎn)生的第二干涉信號。本發(fā)明也可以增加計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)8，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)8對探測器7獲取的第一或第二干涉信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，包括干涉圖裸數(shù)據(jù)的預(yù)處理、誤差修正、光譜響應(yīng)度定標(biāo)修正、輻射度定標(biāo)修正，以及傅里葉變換等，完成光譜的復(fù)原過程，獲取目標(biāo)的光譜，或高分辨率光譜圖像。本發(fā)明的6程和12程光路形成的多光程干涉儀可以適用于在傅里葉變換光譜儀中，因?yàn)樗墓饩€視場角、光束口徑、光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝要求等在比較合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；6Ν程和12Ν程光路形成的多光程干涉儀的情況更適用于激光干涉儀、激光吸收光譜儀等中，因?yàn)榇藭r(shí)激光光源使得干涉儀光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)幾乎不受光線視場角、光束口徑等的限制。本發(fā)明的目的是為了提出一種高通量、多通道、高光譜分辨率、以及校準(zhǔn)精度相對低、測量時(shí)間短、易于工程實(shí)現(xiàn)的干涉儀原理，其核心思想是基于立方角鏡的分區(qū)方法，其突出特征應(yīng)該是“校準(zhǔn)精度低”和“高光譜分辨率”條件的同時(shí)滿足，而非某種具體的形式。 適用于紅外、可見或紫外等譜段。基于此原理可派生出其他形式的干涉儀。如增減其中的某些器件，如取消前置光學(xué)系統(tǒng)可減小儀器的體積、重量；在光路中加入偏振器件，則可形成多光程的偏振光譜儀及偏振光譜成像儀；改變圖1中立方角鏡作為角鏡的功能，將其固定起來，則可形成激光吸收光譜儀。
權(quán)利要求
1.一種多光程干涉儀的分光方法，其特征在于包括以下步驟1)將入射光線分束后形成第一光線和第二光線；2)第一光線到達(dá)干涉儀的靜臂，經(jīng)靜臂反射后返回，經(jīng)分束器后形成第一透射光線和第一反射光線；第二光線到達(dá)干涉儀的動(dòng)臂；3)第二光線經(jīng)過動(dòng)臂處理，其具體由以下步驟實(shí)現(xiàn)3. 1)在角鏡的有效通光口徑內(nèi)將角鏡的每個(gè)反射面分為兩個(gè)區(qū)域，即入射區(qū)和出射區(qū)；3. 2)將入射于角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線從角鏡出射后經(jīng)過第一反射器反射回角鏡；3.4)返回角鏡的光再經(jīng)角鏡反射后全部出射；4)由步驟3)出射的光線，經(jīng)分束器后形成第二透射光線和第二反射光線，所述第二透射光線和步驟2)的第一反射光線匯聚形成第一干涉信號，所述第二反射光線和步驟2)的第一透射光線匯聚形成第二干涉信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述步驟3.2)與步驟3. 4)之間還包括步驟3. 3)返回角鏡的各個(gè)區(qū)域的光線經(jīng)角鏡出射后再通過第二反射器反射回角鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述步驟幻還包括步驟3. 5)經(jīng)步驟3. 4)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射使其按原路返回，經(jīng)角鏡反射， 光路折疊多次出射。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述步驟幻還包括步驟3. 6)經(jīng)步驟3. 4)出射的光線再經(jīng)過第三反射器的反射使其按原方向返回，經(jīng)角鏡反射，光路折疊多次出射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述步驟幻還包括步驟3. 7)重復(fù)步驟3. 6)，重復(fù)N次，使光路折疊多次后出射，N為自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述方法還包括步驟3. 8)將步驟3. 6)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射后使得其按原路返回，使光路折疊多次后出射。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述方法還包括步驟3. 9)將步驟3. 7)出射的光線再經(jīng)過平面反射鏡反射后使其按原路返回，使光路折疊多次后出射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7所述的多光程干涉儀分光方法，其特征在于所述步驟3. 1)是依靠角鏡的有效通光口徑內(nèi)的光線的入射方向和入射點(diǎn)的位置，以及按照光線在角鏡中被反射的路徑將角鏡的每個(gè)反射面進(jìn)行分區(qū)域；所述角鏡的每個(gè)反射面上的分區(qū)線是由平行光線入射到該反射面上并在角鏡內(nèi)其他反射面上的不同反射次序確定，而且與入射光線在相應(yīng)反射面上投影的方向相同，且通過各個(gè)反射面的交點(diǎn)；所述角鏡的反射面兩兩相互垂直。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于所述步驟1)之前包括步驟a)將入射的輻射光進(jìn)行收集、準(zhǔn)直處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多光程干涉儀的分光方法，其特征在于步驟4)之后還包括步驟幻對步驟4)的第一或第二干涉信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析并輸出結(jié)果。
11.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的多光程干涉儀分光方法的多光程干涉儀，包括依次設(shè)置于光的傳播路線上的分束器、動(dòng)臂組件和靜臂組件，所述動(dòng)臂組件和靜臂組件設(shè)置于分束器的出射光路上；其特征在于所述動(dòng)臂組件包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的多光程干涉儀，其特征在于所述角鏡為一個(gè)或多個(gè)立方角鏡；所述折返鏡組包括多個(gè)反射器；所述反射器是第一反射器、第二反射器以及第三反射器和/或平面反射鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多光程干涉儀，其特征在于所述第一反射器、第二反射器和第三反射器分別是二面角鏡或立方角鏡或貓眼鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12或13所述的多光程干涉儀，其特征在于所述干涉儀還包括接收輻射源光信號的前置光學(xué)系統(tǒng)、匯聚第一或第二干涉信號的會(huì)聚鏡、設(shè)置于會(huì)聚鏡透射光路上的用于接收第一或第二干涉信號的探測器以及用于處理探測器輸出信號的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多光程干涉儀，其特征在于所述前置光學(xué)系統(tǒng)包括依次設(shè)置于光路上的會(huì)聚透鏡、光闌和準(zhǔn)直透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多光程干涉儀的分光方法及多光程干涉儀，該多光程干涉儀，包括依次設(shè)置于光的傳播路線上的分束器、動(dòng)臂組件和靜臂組件，所述動(dòng)臂組件和靜臂組件設(shè)置于分束器的出射光路上；動(dòng)臂組件包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上；本發(fā)明的干涉儀大大提高干涉儀的光譜分辨率，降低了對時(shí)間調(diào)制型干涉儀中動(dòng)鏡的控制驅(qū)動(dòng)難度而且也降低了對時(shí)間調(diào)制型干涉儀中角鏡的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，增加了設(shè)計(jì)方法的多樣性。
文檔編號G01J3/45GK102486408SQ201010575359
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者周泗忠, 周錦松, 張學(xué)敏, 魏儒義 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所