本發(fā)明涉及的是一種馬赫曾德干涉儀，具體地說是一種集成式多波段馬赫曾德干涉儀。本發(fā)明也涉及一種集成式多波段馬赫曾德干涉儀用于對白光透明的介質(zhì)折射、色散特性等光學(xué)特性的測量的應(yīng)用的方法。

背景技術(shù)：

公知的馬赫曾德干涉儀，由于克服了邁克爾遜干涉儀回波干擾的缺點(diǎn)，在工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是在光學(xué)傳感、探測技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其中，基于白光的馬赫曾德干涉儀，能夠利用寬光譜、相干長度很短的低相干光源，并通過采集干涉所產(chǎn)生的圖樣信息，實(shí)現(xiàn)對位移等物理量的絕對測量，具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等很多優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，公知的馬赫曾德干涉儀的工作光源一般為單一波段光源，與此相關(guān)的主要技術(shù)，如光程匹配、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)等，已經(jīng)成熟?；诠鸟R赫曾德干涉儀所設(shè)計(jì)的各類測量系統(tǒng)，在對單一目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí)，具有高精度、高靈敏度的特點(diǎn)。

但是，在工程實(shí)際中，利用一套傳感系統(tǒng)對同一目標(biāo)進(jìn)行多波段同時(shí)測量，可以獲得更豐富的信息，從而實(shí)現(xiàn)對被測量對象更全面的評價(jià)。

以對液體折射率的測量為例，傳統(tǒng)的測定方法是使用阿貝折射計(jì)。然而使用阿貝折射計(jì)測定液體折射率，所使用的光源一般為普通光源，所測得的折射率是鈉光燈D線(589.3nm)的折射率。實(shí)際上，折射率是因頻率(波長)不同而不同的，且在某些技術(shù)領(lǐng)域，如色散特性分析，需要測定同一種介質(zhì)在不同頻率(波長)下的折射率。

由于介質(zhì)的折射率與環(huán)境溫度等因素緊密相關(guān)，無論采用阿貝折射計(jì)，還是采用單一波段的馬赫曾德干涉系統(tǒng)來依次測量，都會(huì)因環(huán)境的瞬變而增加誤差。因此，對同一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)同時(shí)、多波段測量，是解決上述問題的有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能在多個(gè)波段下同時(shí)獲得待測物質(zhì)的折射率及色散特性等的集成式多波段馬赫曾德干涉儀。本發(fā)明的目的還在于提供一種集成式多波段馬赫曾德干涉儀的應(yīng)用方法。

本發(fā)明的集成式多波段馬赫曾德干涉儀包括光電探測器、光源、激光光源、第一光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、第二光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)、第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)、第一固定反射鏡、第二固定反射鏡、觀察窗和信號(hào)處理單元，所述光電探測器為8波段光電探測器，所述光源為寬譜光源，8波段光電探測器、寬普光源、激光光源、第一和第二光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、第一和第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)、第一和第二固定反射鏡和觀察窗集成在同一光路基板上構(gòu)成8個(gè)工作于不同波段的馬赫曾德干涉儀，寬譜光源輸出連續(xù)波段光波，每一個(gè)波段的光波經(jīng)過同一馬赫曾德干涉儀均形成一組白光干涉信號(hào)，8波段光電探測器對8種白光干涉信號(hào)進(jìn)行同時(shí)或單獨(dú)探測。

本發(fā)明的集成式多波段馬赫曾德干涉儀還可以包括：

1、在第一光源準(zhǔn)直系統(tǒng)與第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)之間設(shè)置起偏器，在第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)與8波段光電探測器之間設(shè)置檢偏器。

2、比色皿設(shè)置在第一固定反射鏡與第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)之間，第二固定反射鏡與第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)之間設(shè)置光程匹配系統(tǒng)。

3、所述分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)由分光棱鏡、分光棱鏡固定底座、固定底座角度調(diào)整架組成。

4、所述固定底座角度調(diào)整架的內(nèi)部和外部輪廓線均為正方形，在固定底座角度調(diào)整架的俯視面開有四個(gè)貫穿的小孔，每個(gè)小孔的中心位于固定底座角度調(diào)整架對應(yīng)邊面的對稱中心；在固定底座角度調(diào)整架的前視面和后視面分別開有兩個(gè)貫穿的絲孔，同一視面上的兩個(gè)絲孔對稱分布于該視面所對應(yīng)的邊面上所開小孔的兩側(cè)，前后兩個(gè)視面上的絲孔共線。

5、所述分光棱鏡固定底座為凹槽型，俯視面為兩個(gè)中心重合的正方形，兩個(gè)正方形的邊界對應(yīng)平行，在正中心開有沉頭小孔，在分光棱鏡固定底座內(nèi)安放用于固定分光棱鏡的橡膠凹槽。

6、分光棱鏡安放在橡膠凹槽中，分光棱鏡的俯視投影面中心位于固定底座俯視面的正中心，并且分光棱鏡的俯視投影面的正方形四邊與固定底座俯視面正方形四邊相平行。

本發(fā)明的集成式多波段馬赫曾德干涉儀的應(yīng)用方法為：

步驟1：激光光源發(fā)出激光束經(jīng)第二光源準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后，進(jìn)入第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)過第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)分成兩束出射光，其中一束為反射光束、另一束為透射光束，反射光束從第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)出射后抵達(dá)第一固定反射鏡，經(jīng)第一固定反射鏡反射后，進(jìn)入第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)反射后，進(jìn)入觀察窗；透射光束從第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)出射后抵達(dá)第二固定反射鏡，經(jīng)第二固定反射鏡反射后進(jìn)入第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)折射后，進(jìn)入觀察窗，通過調(diào)整第一、第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)中的頂絲，使反射光束和透射光束在觀察窗處匯聚并能夠觀察到干涉圖樣；

步驟2：將比色皿接入第一固定反射鏡與第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)之間的光路，將光程匹配系統(tǒng)接入第二固定反射鏡與第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)之間的光路，重復(fù)步驟1，通過驅(qū)動(dòng)光程匹配系統(tǒng)，使經(jīng)過比色皿、光程匹配系統(tǒng)后的反射光束和透射光束所經(jīng)光程相等；

步驟3：關(guān)閉激光光源，打開寬普光源，寬普光源發(fā)出多波段光波，經(jīng)第一光源準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后，進(jìn)入第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)過第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)后分成兩束出射光，一束為反射光束、另一束為透射光束，反射光束從第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)出射后抵達(dá)第二固定反射鏡，經(jīng)第二固定反射鏡反射后，進(jìn)入第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)反射后，進(jìn)入8波段光電探測器；透射光束從第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)出射后抵達(dá)第一固定反射鏡，經(jīng)第一固定反射鏡反射后，進(jìn)入第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)，經(jīng)第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)透射后進(jìn)入8波段光電探測器，在信號(hào)處理單元中觀察和記錄多波段干涉的初始信號(hào)；

步驟4：在比色皿中盛入待測樣品；

步驟5：通過驅(qū)動(dòng)光程匹配系統(tǒng)，寬普光源3所發(fā)出的各個(gè)波段光波進(jìn)行掃描匹配；在信號(hào)處理單元中得到待測樣品在光程匹配系統(tǒng)掃描過程中、同時(shí)獲得的8個(gè)波段干涉信號(hào)的更迭變化和特征圖譜；

步驟6：將比色皿中的待測樣品更換成參考樣品，重復(fù)步驟5，得到參考樣品在光程匹配系統(tǒng)掃描過程中同時(shí)獲得的8個(gè)波段干涉信號(hào)的更迭變化和特征圖譜；

步驟7：由于不同波段的光波在同一介質(zhì)中的折射率不同，每一波段白光干涉圖譜中峰值所對應(yīng)的幾何路程匹配不同，在所獲得的同一特征圖譜中，將出現(xiàn)峰值的彼此移位，通過分析移位以及折射率和色散的關(guān)聯(lián)性，獲得待測樣品或參考樣品的多波段折射、色散特性；

步驟8：對信號(hào)處理單元中所記錄待測樣品和參考樣品各自對應(yīng)的8種特征圖譜進(jìn)行比對分析，實(shí)現(xiàn)對白光透明的待測樣品和參考樣品間折射、色散光學(xué)性質(zhì)的比對分析。

為解決單一波段馬赫曾德干涉儀不能實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)的同時(shí)、多波段測量的問題，本發(fā)明提出了一種集成式多波段馬赫曾德干涉儀。使用這種干涉儀，可以同時(shí)獲得同一種物質(zhì)對應(yīng)8個(gè)波段的折射率，可用于對白光透明的介質(zhì)折射、色散特性等光學(xué)特性的測量；可用于對白光透明的待測樣品和已知參考樣品二者間，折射、色散等光學(xué)性質(zhì)的比對分析；特別適合用于透明液體，如：酒類、糖類飲品；各種食用植物油；各種透明醫(yī)用注射藥液等的測量與鑒別。

與在先技術(shù)相比，本發(fā)明所述的干涉儀是通過采用寬譜光源、多波段光電探測器的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)至少將工作于8個(gè)波段的白光馬赫曾德干涉儀集成在同一塊光路基板上，制造出的一種集成式多波段馬赫曾德干涉儀。將此干涉儀用于觀測物質(zhì)折射、色散特性，由于此干涉儀可以同時(shí)工作于自然光中的8個(gè)波段，故而對同一種物質(zhì)觀測可獲得8種特征圖譜。綜合分析這些圖譜，可以對被探測物質(zhì)的折射、色散等光學(xué)特性，進(jìn)行多波段評價(jià)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多波段集成式馬赫曾德干涉儀立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的多波段集成式馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)平面展開示意圖。

圖3是利用鹵素?zé)艄饫w光源作為多波段寬譜光源的實(shí)施例示意圖。

圖4是第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7的結(jié)構(gòu)示意俯視圖(第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8與第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7具有完全相同的結(jié)構(gòu))。

圖5是第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7的結(jié)構(gòu)示意的前視圖。

圖6是第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7中，固定底座19的俯視圖。

圖7是光程匹配系統(tǒng)14的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明的多波段集成式馬赫曾德干涉儀由8波段光電探測器1、寬譜光源3、激光光源4、第一光源準(zhǔn)直系統(tǒng)5、第一光源準(zhǔn)直系統(tǒng)6、第一分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7、第二分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8、第一固定反射鏡9、第一固定反射鏡10、起偏器11、檢偏器12、比色皿13、光程匹配系統(tǒng)14、觀察窗15、信號(hào)處理單元16組成。將8個(gè)工作于不同波段的馬赫曾德干涉儀集成在同一光路基板2上。

這種做法的益處在于：將8波段光電探測器、光源準(zhǔn)直系統(tǒng)、分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)、固定反射鏡、起偏器、檢偏器、比色皿、光程匹配系統(tǒng)全部安裝在同一光路基板上，首先是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)8個(gè)不同波段馬赫曾德干涉儀的集成，其次是增加了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

寬譜光源輸出連續(xù)波段光波，每一個(gè)波段的光波經(jīng)過同一馬赫曾德干涉儀，均形成一組白光干涉信號(hào)；同時(shí)，8波段光電探測器對每個(gè)波段的光電探測功能均可以單獨(dú)開啟，也可以多個(gè)波段同時(shí)開啟，即能夠?qū)崿F(xiàn)8種中心波長光波干涉信號(hào)的同時(shí)或單獨(dú)探測。

由于8波段光電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)每一個(gè)波段探測單獨(dú)開啟或幾個(gè)波段的探測同時(shí)開啟，可以根據(jù)技術(shù)測量需要和測量目標(biāo)的屬性，通過信號(hào)處理單元，對8波段光電探測器的工作模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的8個(gè)波段的光譜可均位于可見光波段，這使得寬譜光源易于獲取，普通的鹵素?zé)艟涂梢杂脕碜鳛楣ぷ鞴庠础Ｊ褂眠@樣的寬譜光源后，通過本發(fā)明的集成式多波段馬赫曾德干涉儀，對同一種透明介質(zhì)測量折射率時(shí)，可以至少得到8種特征圖譜。這些圖譜，是對被探測物質(zhì)的折射率特性進(jìn)行多角度評價(jià)，提高對物質(zhì)屬性和品質(zhì)評估準(zhǔn)確性的前提。

結(jié)合圖4和圖5，分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)是由分光棱鏡、分光棱鏡固定底座、固定底座角度調(diào)整架3部分組成的。主要包括分光棱鏡17、橡膠凹槽18、固定底座19、固定底座角度調(diào)整架20、頂絲21、頂絲22、頂絲23、頂絲24，提4中25-28分別代表用于將分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7安裝在光路基板2上的貫穿小孔。

結(jié)合圖6，在固定底座19的正中心開有沉頭貫穿小孔29。

固定底座角度調(diào)整架的內(nèi)部和外部輪廓線均為正方形；在這一固定底座角度調(diào)整架的俯視面開有4個(gè)貫穿的小孔，每個(gè)小孔的中心位于調(diào)整架對應(yīng)邊面的對稱中心；在這一固定底座角度調(diào)整架的前視面和后視面，分別開有2個(gè)貫穿的絲孔，同一視面上的兩個(gè)絲孔對稱分布于該視面所對應(yīng)的邊面上所開小孔的兩側(cè)，前后兩個(gè)視面上的絲孔共線。

在固定底座角度調(diào)整架的俯視面開的4個(gè)貫穿的小孔的作用在于將此調(diào)整架固定在光路基板上。

結(jié)合圖7分光棱鏡固定底座為凹槽型，俯視面為2個(gè)中心重合的正方形，兩個(gè)正方形的邊界對應(yīng)平行，在固定底座的正中心開有沉頭小孔29；在固定底座內(nèi)安放用于固定分光棱鏡的橡膠凹槽。

分光棱鏡固定底座俯視面均為正方形，分光棱鏡安放在橡膠凹槽中，棱鏡的俯視投影面中心位于固定底座俯視面的正中心，并且棱鏡的俯視投影面的正方形四邊與固定底座俯視面正方形四邊相平行。

由于馬赫曾德干涉儀對光程匹配要求苛刻，角度對光程匹配具有直接影響。為此，在分光棱鏡固定底座的中心開有一個(gè)沉頭貫穿小孔時(shí)，分光棱鏡和分光棱鏡固定底座所構(gòu)成的整體，可通過沉頭小孔安裝在光路基板上，這個(gè)整體可以以沉頭小孔為中心在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以進(jìn)行角度調(diào)整。

在固定底座角度調(diào)整架上所開的4個(gè)貫穿絲孔中，分別旋進(jìn)頂絲后，每個(gè)頂絲支頂在分光棱鏡固定底座的相應(yīng)側(cè)立面。這樣，當(dāng)旋進(jìn)或旋出頂絲，可以控制并最終固定分光棱鏡與固定底座所構(gòu)成的整體，從而實(shí)現(xiàn)分光棱鏡的角度調(diào)整。

結(jié)合圖7，光程匹配系統(tǒng)14由微米級位移掃描臺(tái)30、位移掃描控制單元31、光楔32組成。

圖3給出的是利用鹵素?zé)艄饫w光源作為多波段寬譜光源的實(shí)施例示意圖。下面結(jié)合圖3來說明本發(fā)明的應(yīng)用方法。

寬譜光源選用鹵素?zé)艄饫w光源，用來校準(zhǔn)的激光光源選用氦氖激光光源。

所選用的8個(gè)波段的白光均位于可見光波段，各個(gè)波段的中心波長分別為：428nm、460nm、490nm、515nm、557nm、615nm、660nm、695nm。

在完成系統(tǒng)的粗調(diào)后，利用激光光源對光路進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，用來校準(zhǔn)空間光路的步驟是這樣的：

步驟1：激光光源4發(fā)出激光束經(jīng)光源準(zhǔn)直系統(tǒng)6準(zhǔn)直后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7，經(jīng)過7后分成兩束出射光，其中一束為反射光束，另一束為透射光束。其中的反射光束從7出射后抵達(dá)固定反射鏡9，經(jīng)9反射后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8，經(jīng)8反射后，進(jìn)入觀察窗15；其中的透射光束從7出射后抵達(dá)固定反射鏡10，經(jīng)10反射后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8，經(jīng)8折射后，進(jìn)入觀察窗15。通過調(diào)整分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7和8中的頂絲，使反射光束和透射光束在觀察窗15處匯聚，并能夠觀察到干涉圖樣。

步驟2：將比色皿13、光程匹配系統(tǒng)14接入圖1所示的光路，重復(fù)步驟1，通過驅(qū)動(dòng)光程匹配系統(tǒng)14，使經(jīng)過比色皿13、光程匹配系統(tǒng)14后的反射光束和透射光束所經(jīng)光程接近相等。

步驟3：關(guān)閉激光光源4，打開鹵素?zé)艄饫w光源3，3發(fā)出的多波段光波，經(jīng)光源準(zhǔn)直系統(tǒng)5準(zhǔn)直后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)7，經(jīng)過7后分成兩束出射光，其中一束為反射光束，另一束為透射光束。其中的反射光束從7出射后抵達(dá)固定反射鏡10，經(jīng)10反射后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8，經(jīng)8反射后，進(jìn)入8波段光電探測器；其中的透射光束從7出射后抵達(dá)固定反射鏡9，經(jīng)9反射后，進(jìn)入分光棱鏡及其調(diào)整系統(tǒng)8，經(jīng)8透射后，進(jìn)入8波段光電探測器。在信號(hào)處理單元16中，觀察和記錄多波段干涉的初始信號(hào)。

根據(jù)圖3所示的實(shí)施例，在完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)后，利用本發(fā)明所述的多波段集成式馬赫曾德干涉儀系統(tǒng)，獲得白光透明的待測樣品和已知參考樣品二者間，折射、色散方面光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比對與分析過程是這樣的：

步驟4：在比色皿13中盛入待測樣品，如酒精。

步驟5：通過驅(qū)動(dòng)光程匹配系統(tǒng)14，對鹵素?zé)艄饫w光源3所發(fā)出的各個(gè)波段光波進(jìn)行掃描匹配；在信號(hào)處理單元16中，得到待測樣品在光程匹配系統(tǒng)14掃描過程中，同時(shí)獲得8個(gè)波段干涉信號(hào)的更迭變化和特征圖譜。

步驟6：根據(jù)需要，將起偏器11、檢偏器12接入圖1所示的光路，以控制光波的偏振化方向、提高相干對比度。

步驟7：將比色皿13中的待測樣品酒精，更換成參考樣品，如分析純酒精。重復(fù)步驟5和6，即得到參考樣品在光程匹配系統(tǒng)14掃描過程中，同時(shí)獲得8個(gè)波段干涉信號(hào)的更迭變化和特征圖譜。

步驟8：由于不同波段的光波，在同一介質(zhì)中的折射率不同，則在圖3所示的實(shí)施例中，每一波段白光干涉圖譜中峰值所對應(yīng)的幾何路程匹配不同，在所獲得的同一特征圖譜中，將出現(xiàn)峰值的彼此移位。通過分析移位，以及折射率和色散的關(guān)聯(lián)性，可以獲得待測樣品(或參考樣品)的多波段折射、色散特性。

步驟9：對信號(hào)處理單元16中所記錄待測樣品和參考樣品各自對應(yīng)的8種特征圖譜進(jìn)行比對分析，即實(shí)現(xiàn)了對白光透明的待測樣品和參考樣品間，折射、色散等光學(xué)性質(zhì)的比對分析。這一實(shí)施例特別適合透明液體，如醫(yī)用注射藥液的測量與鑒別。