基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀的制作方法
【專利摘要】基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀，屬于光譜測量儀器【技術(shù)領(lǐng)域】。其包括邁克爾遜干涉光路部分和電路部分，所述的電路部分包括CCD信號(hào)采集器(12)、放大器(13)、AD轉(zhuǎn)換器(14)、嵌入式處理器(15)和嵌入式處理器相關(guān)的顯示器(16)，其中CCD)信號(hào)采集器(12)采集邁克爾遜干涉光路產(chǎn)生的干涉條紋信號(hào)，CCD信號(hào)采集器(12)、放大器(13)、AD轉(zhuǎn)換器(14)、嵌入式處理器(15)、嵌入式處理器相關(guān)的顯示器(16)依次相連。本發(fā)明采用嵌入式計(jì)算機(jī)，使得測量更智能化，精度也有很大的提高，用液晶屏同時(shí)顯示光譜譜線峰值對(duì)應(yīng)的光頻率，構(gòu)成了一個(gè)簡便智能的光波長和頻率的測量系統(tǒng)。
【專利說明】基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種基于邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀，屬于光譜測量儀器技術(shù) 領(lǐng)域，包含計(jì)算機(jī)測量、光電子技術(shù)和干涉儀系統(tǒng)等方面。本發(fā)明可用于物體發(fā)光或反光 的光譜分布，并可對(duì)典型特征譜線的波長進(jìn)行精確計(jì)算，在光譜研宄和物質(zhì)分析領(lǐng)域有著 廣泛應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 光譜儀在一般化學(xué)分析、DNA測序，在生物學(xué)和化學(xué)有害物質(zhì)和其他應(yīng)用越來越 重要。傅里葉變換光譜儀（FTS)在過去的十年中吸引了大量的注意力，因?yàn)樗麄兊奶囟ǖ?特性，如高準(zhǔn)確性、高靈敏度和高光譜分辨率。
[0003] 在傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀中，輸出光束的強(qiáng)度通過掃描干涉儀測量，干涉儀的 光程差（OPD)決定了傅里葉變換光譜儀的分辨率。最近，一些不同形式的傅里葉變換光譜 儀被研宄出來。一款通過使用皮瓦量級(jí)的超短脈沖激光源的傅里葉變換光譜儀研制出來， 它可以精確測量化合物的性能。此外，基于光纖干涉儀非掃描傅里葉變換光譜儀也被研制 出，它具有高分辨率和低成本。此外，也有利用雙折射棱鏡、一對(duì)偏振器和線陣CCD陣列 的傅里葉變換光譜儀。這種設(shè)計(jì)提高了傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀通過消除可動(dòng)部分和傳播過 程中的光程差（OPD)空間，使系統(tǒng)更小、更可靠，大大減少測量時(shí)間。然而，這些方法總 是需要復(fù)雜的組件，不適合在實(shí)際工程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉光路傅里葉變換光譜儀。11為 反射鏡V10對(duì)反射鏡IV9鏡面所成的虛像，等效相交鏡為反射鏡IV9與11的相交，如附圖 1所示。被測光和參考光都入射到邁克耳孫干涉儀中，并通過電荷耦合元件（CCD)和嵌入 式處理器采集得到干涉條紋的傅里葉變換光譜。參考光光譜的峰值點(diǎn)用于校準(zhǔn)被測光的峰 值點(diǎn)，被測光光譜可以通過參考光和被測光的傅里葉變換光譜計(jì)算出來。由于邁克耳孫干 涉儀由等效相交鏡構(gòu)成，傅里葉變換光譜儀實(shí)現(xiàn)沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過將兩束光共同照 射到在同一個(gè)邁克耳孫干涉儀的光路提高了光譜儀的精度，提高了傳播的光路。該方法具 有高性能、高可靠性和低成本。
[0005] 本發(fā)明具體方案如下：
[0006] 本發(fā)明中的傅里葉變換光譜儀包括邁克爾遜干涉光路部分和電路部分，所述的電 路部分包括C⑶信號(hào)采集器12、放大器13、AD轉(zhuǎn)換器14、嵌入式處理器15和嵌入式處理器 相關(guān)的顯示器16,其中CCD信號(hào)采集器12采集邁克爾遜干涉光路產(chǎn)生的干涉條紋信號(hào)，CCD 信號(hào)采集器12、放大器13、AD轉(zhuǎn)換器14、嵌入式處理器15、嵌入式處理器相關(guān)的顯示器16 依次相連。
[0007] 使用上述光譜儀測量被測光的頻率，其步驟如下：
[0008] 1)邁克爾遜干涉光路中，光源Il和光源II2可分別作為參考光光源和被測光光 源。光源Il產(chǎn)生光束I，光束I通過反射鏡13入射到半透半反鏡4。光源II2產(chǎn)生光束II，光束II通過反射鏡II5、111 6后入射到半透半反鏡4。半透半反鏡4將光束I反射和光 束II透射，并匯聚成光束III。光束III再通過準(zhǔn)直透鏡組7入射到偏振分束器8中。光 束經(jīng)過偏振分束器8分別入射到反射鏡IV9、V10中，經(jīng)反射后通過偏振分束器8后被CXD 信號(hào)采集器12接收，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出給電路部分進(jìn)行處理；
[0009] 2) (XD信號(hào)米集器12輸出信號(hào)通過放大器13后輸入給AD轉(zhuǎn)換器14米樣信號(hào)輸 入端；
[0010] 3)AD轉(zhuǎn)換器14將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給嵌入式處理器15， 嵌入式處理器15將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并將傅里葉變換光譜顯示到顯示器16上。
[0011] 4)通過顯示器16顯示出傅里葉變換光譜的二位坐標(biāo)圖。橫坐標(biāo)為頻率點(diǎn)，也代表 了頻率值。縱坐標(biāo)表示光譜強(qiáng)度。參考光和被測光對(duì)應(yīng)的峰值頻率點(diǎn)分別為Nr和Nm。從 顯示的傅里葉變換光譜分別讀出被測光和參考光的峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值Nr和Nm，Nr表 N 不被測光的橫坐標(biāo)值，Nm表不參考光的橫坐標(biāo)值，根據(jù)公式/m=_^/r可以計(jì)算出被測光 r 頻率，fm表示被測光頻率，L表示參考光頻率。
[0012] 本發(fā)明中的頻譜測量方法與邁克爾遜干涉光路有關(guān)，下面對(duì)其原理進(jìn)行說明：
[0013] 本發(fā)明使用的測量光路采用干涉式，基于邁克爾遜干涉原理：兩束光相互疊加，產(chǎn) 生干涉條紋，對(duì)比已知頻率的參考激光和未知頻率的被測光的干涉信號(hào)的波形，利用嵌入 式處理器采集干涉條紋強(qiáng)度的模擬信號(hào)，同時(shí)并做傅里葉變換獲得干涉條紋的光譜，從而 精確計(jì)算出被測光頻率。
[0014] 邁克爾遜干涉光路附圖1.反射鏡IV9和偏振分束器8之間的距離與反射鏡V10 和偏振分束器8之間的距離都是相同的，反射鏡IV9和反射鏡V10鏡面成90°夾角。11 為反射鏡V10對(duì)反射鏡IV9鏡面所成的虛像，反射鏡IV9相對(duì)于11進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)。因 此，當(dāng)邁克耳孫干涉光路的光程差通過反射鏡IV9和11的角度不同而產(chǎn)生。
[0015] 在附圖2中，假設(shè)Θ角是反射鏡IV9和11之間夾角，O點(diǎn)是兩個(gè)鏡子之間的交叉 點(diǎn)，〇'點(diǎn)是O點(diǎn)在CCD的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。光程差可以表示為
[0016] d = 2xtan Θ (1)
[0017] 其中d是光程差，X是在(XD中像素點(diǎn)和0'點(diǎn)之間的距尚的絕對(duì)值。
[0018] 因此，被測光和參考光的干涉條紋可以表示為

【權(quán)利要求】
1. 基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀，其特征在于：包含邁克爾 遜干涉光路部分和電路部分，所述的電路部分包括CCD信號(hào)采集器（12)、放大器（13)、AD 轉(zhuǎn)換器（14)、嵌入式處理器（15)和嵌入式處理器相關(guān)的顯示器（16)，其中C⑶信號(hào)采集器 (12)采集邁克爾遜干涉光路產(chǎn)生的干涉條紋信號(hào)，C⑶信號(hào)采集器（12)、放大器（13)、AD轉(zhuǎn)換器（14)、嵌入式處理器（15)、嵌入式處理器相關(guān)的顯示器（16)依次相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等效相交鏡的邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換光譜儀，其 特征在于： 使用所述光譜儀測量被測光的頻率，具體步驟如下： 1) 邁克爾遜干涉光路中，光源1(1)和光源II(2)分別作為參考光光源和被測光光源； 光源1(1)產(chǎn)生光束I，光束I通過反射鏡1(3)入射到半透半反鏡（4);光源II(2)產(chǎn)生光 束II，光束II通過反射鏡II(5)、反射鏡III(6)后入射到半透半反鏡（4);半透半反鏡（4) 將光束I反射和光束II透射，并匯聚成光束III;光束III再通過準(zhǔn)直透鏡組（7)入射到 偏振分束器（8)中；光束經(jīng)過偏振分束器（8)分別入射到反射鏡IV(9)、V(10)中，經(jīng)反射 后通過偏振分束器（8)后被C⑶信號(hào)采集器（12)接收，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出給電路 部分進(jìn)行處理； 2)CCD信號(hào)采集器（12)輸出信號(hào)通過放大器（13)后輸入給AD轉(zhuǎn)換器（14)采樣信號(hào) 輸入端； 3)AD轉(zhuǎn)換器（14)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給嵌入式處理器（15)， 嵌入式處理器（15)將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，并將傅里葉變換光譜顯示到顯示器（16)上； 4) 通過顯示器（16)顯示出傅里葉變換光譜的二位坐標(biāo)圖；橫坐標(biāo)為頻率點(diǎn)，也代表了 頻率值；縱坐標(biāo)表示光譜強(qiáng)度。參考光和被測光對(duì)應(yīng)的峰值頻率點(diǎn)分別為Nr和Nm;從顯 示的傅里葉變換光譜分別讀出被測光和參考光的峰值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值Nr和Nm，Nr表示 被測光的橫坐標(biāo)值；Nm表示參考光的橫坐標(biāo)值；根據(jù)公式
可以計(jì)算出被測光頻 率，fm表示被測光頻率，表示參考光頻率。
【文檔編號(hào)】G01J3/45GK104483022SQ201410688169
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】彭月祥, 薛毅, 徐昕晨, 袁杰 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)