[发明专利]一种便携式宽光谱傅立叶变换光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，更具体地说，涉及一种便携式宽光谱傅立叶变换光谱仪。

背景技术

傅里叶变换光谱仪与光栅色散型光谱仪相比，有高光通量、高波长精度、宽光谱测量范围的优势，是近红外、中红外、远红外以及亚毫米波段最有力、最通用的光谱仪器。其中，全反射结构傅里叶变换光谱仪与透射结构傅里叶变换光谱仪相比，有光谱测量范围更宽、无需红外透镜、无色差等突出优点。

目前全反射结构傅里叶变换光谱仪多为成像光谱仪（imaging spectrometer），典型代表如：“菲涅尔双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪（专利号CN200510055609.X，申请日：2005-03-21）”，其反射镜为圆形口径、其探测器需置于远场（需置于反射式柱面镜的焦平面，以使探测面上各点两光束的光程差与该点离探测面中心的距离有线性关系），因此体积很大，难以便携；再如“一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪（专利号CN201210045815.2，申请日：2012-02-27）”，其反射镜为圆形口径、其探测器需置于远场（线阵CCD与改进型菲涅尔双面镜为远距离放置，以使探测面上各点两光束的光程差与该点离探测面中心的距离有线性关系），因此体积大难以便携；另外，上述全反射结构傅里叶变换光谱仪光能在零光程差平面上方和下方对称分布（如图3），存在入射光能利用率低的问题。

很多场合需要一种便携式的可对弱光进行光谱检测的宽光谱检测仪器，上述成像光谱仪可以进行宽光谱检测，但难以实现便携式。

发明内容

1.本发明要解决的问题

针对现有技术中全反射结构傅里叶变换光谱仪体积大、不便携以及对弱辐射光谱的检测能力受到限制的问题，本发明提供了一种便携式宽光谱傅立叶变换光谱仪，该仪器空间体积大为缩小，可实现便携化，且光能利用率提高近一倍，这在弱光宽光谱检测场合具有重要应用。

2.技术方案

发明原理：反射镜将远距离目标聚焦于针孔滤波器，从针孔滤波器出射的光经改进型菲涅尔双面镜反射后，形成针孔滤波器的两个虚像S1、S2，两路反射光在相遇处的相干区域内发生干涉，线阵CCD与改进型菲涅尔双面镜进行近距离放置，进入针孔滤波器的光全部参与干涉并分布在零光程差平面的上方，由线阵CCD检测的干涉图数据，经数据采集系统采用“等光程差双曲线族”模型和“多像素抽取法”进行数据处理，获得光谱。

本发明的目的是通过如下途径实现的：

一种便携式宽光谱傅立叶变换光谱仪，它包括光学结构、线阵CCD和数据采集系统，所述的光学结构包括反射镜、针孔滤波器和改进型菲涅尔双面镜，在反射镜至线阵CCD的光路上，依次为反射镜、针孔滤波器、改进型菲涅尔双面镜和线阵CCD；所述针孔滤波器位于所述的反射镜的焦点上，针孔滤波器出射的光束全部落在所述的改进型菲涅尔双面镜上；

所述的改进型菲涅尔双面镜包括平面反射镜M1和平面反射镜M2，其中，平面反射镜M1与平面反射镜M2从交接处分离，平面反射镜M1沿平面反射镜M1的镜面方向上移距离L1，平面反射镜M2沿平面反射镜M2的镜面方向上移距离L2，使平面反射镜M1与平面反射镜M2上的两路反射光在相干区域内零光程差所在平面的上方相遇和干涉；

设S1点和S2点为针孔滤波器处S点经改进型菲涅尔双面镜的平面反射镜M1和平面反射镜M2所成的虚像，所述线阵CCD所在位置与S1点和S2点的连线平行，线阵CCD对平面反射镜M1与平面反射镜M2上的两路反射光的相干区域内零光程差所在平面及其上方的干涉图进行检测；

所述线阵CCD与数据采集系统连接；所述的数据采集系统采用“等光程差双曲线族”模型和“多像素抽取法”，对线阵CCD获得的干涉图数据进行处理，获得光谱。

优选地，所述的反射镜为带状。

优选地，所述平面反射镜M1和平面反射镜M2之间的夹角θ的范围为0.1°<θ≤5°。

上述“等光程差双曲线族”模型和“多像素抽取法”是本专利申请人的创造性实验成果，上述数据采集系统正是采用了这两种数学模型的数据处理方法，才实现了近场情况下探测面上各点两光束的光程差与该点离探测面中心的距离为非线性关系时的光谱检测。“等光程差双曲线族”模型和“多像素抽取法”的具体定义如下：