[发明专利]微型转动扫描傅里叶变换光谱仪

说明书

技术领域

本发明为一种傅里叶变换光谱仪，以转动扫描方式实现光程差改变，属于光谱分析仪器，主要涉及光谱仪器设计领域。

背景技术

傅里叶变换光谱仪是光谱分析的有力工具，目前已有一些通过转动扫描来实现光程差改变的技术，如专利CN2108288中提到的一种方法，其光路图如图1。这种方法是将转动装置至于两个光路分支的交汇处，通过转动装置的旋转使两个光路分支的光程均发生改变，其特点是结构简单，光程差范围较大，适用于各种光谱区工作。但由于其转动装置位于两光路分支交汇处，需要额外占用空间，且所用光学器件较多，可能存在某些潜在的不稳定因素。本发明将旋转装置至于一个光路分支中，在另一光路分支中用补偿装置补偿光路，可以大大缩小光谱仪体积，使本仪器的体积为上述光谱仪体积的一半。

发明内容

本发明的主要光路图如图2所示。其中元件1为光阑，主要作用是控制输入光束的大小，可以根据实际需要来设置。元件2为透镜，主要作用为将光束变为平行光。元件3为分束器，其可将入射光束一分为二。元件4转动装置，光学部分为方形光学材料，如若进行红外波段测量，则它的材料可选为硒化锌。它由伺服电机驱动，通过旋转产生光程差。元件5和7为平面反射镜，如果入射光束与分束器成45度角，平面反射镜也成45度角，那么入射到反射镜上的光束将原路返回。元件6为光程补偿装置，当转动装置的旋转角为零时，上支路的光垂直通过转动装置仍然会产生光程差，所以在下支路与光束垂直的方向放置补偿装置来抵消旋转角为零时的光程差。元件8为会聚镜，可将光束会聚到一点。元件9为光学探测器，接收光学信息。比较图1和图2可发现本仪器的体积仅为图1所示仪器体积的一半。

下面计算光程差随旋转角的改变：

当旋转角为0度时，各参数设置如图3所示。下支路的光程差可以直接求出，且在转动装置转动过程中下支路光程差不变。所以光程差计算的主要工作集中在上支路。以O为原点沿水平和竖直方向建立坐标系，用解析几何的方法计算各段光路的光程。

当旋转角为θ时，如图4所示。设旋转体两边所在直线为l₁和l₂，可以写出其方程：

其中d为转动装置的厚度。

入射光线所在直线的方程为y=x，设其与l₁相交与点S₁(x₁，y₁)

方程联立解得：

y₁=x₁

当光在转动装置内部时的光程计算如图5所示。在转动装置内部的光线所在的直线方程设为l₃，其与法线的夹角设为α，转动装置的折射率设为n，则由折射定律可以求出α的数值。

l₃的方程可写为：

l₃：y=tan(45-θ+α)x+y₁-tan(45-θ+α)x₁

设l₃与l₂相交于点S₂(x₂，y₂)，方程联立解得：

y₂=tan(45-θ+α)x₂+y₁-tan(45-θ+α)x₁

设从转动装置中出射光线所在方程为l₄，平面反射镜所在方程为l₅，设l₄与l₅相交于点S₃(x₃，y₃)

l₄：y=x+y₂-x₂

l₅：y=-x+40

方程联立得：

y₃=-x₃+40

所以上支路光程为：

L₁=|OS₁|+|S₁S₂|+|S₂S₃|