[发明专利]静态傅里叶光谱仪

说明书

本发明涉及干涉光谱装置并且能被用于不同技术领域的光谱研究。

由于高发光度(Zhakino增益)、高速性能和在研究[1]的范围内整个辐射光谱的同步记录能力，傅里叶光谱仪被广泛用在光谱研究中。傅里叶光谱仪包括以下基本的功能单元：形成输入光束的系统(下文中称为输入准直器)、干涉测量单元、投影系统、记录装置。

在动态傅里叶光谱仪中，经典的迈克尔逊干涉仪的各种变型最常被用作干涉测量单元，这些变型包括半透反射器(分束器)和两个反射器(或回射器)，其中一个反射器是可移动的并且提供了可变的光程差。当移动可移动的反射器时，在记录平面中发生了周期性的照明交替，从而实现了入射辐射光谱的每个波长的调制，且调制频率与波长成反比。动态傅里叶光谱仪的度量参数(例如，信噪比)取决于调制深度，取决于依次移动稳定度和移动干涉测量单元反射器的平行度。当操作傅里叶光谱仪时，外部振动会影响反射器移动的稳定度，从而限制了在强振动的条件下使用动态傅里叶光谱仪的可能性。

静态傅里叶光谱仪的空间特性是在记录装置的平面内沿着其中一个坐标轴实现干涉图像的空间分解。静态傅里叶光谱仪相对于动态傅里叶光谱仪的优点是没有可移动结构、线性马达和比较复杂的控制系统，从而有机会制造紧凑的抗振动光谱仪并降低生产成本。静态傅里叶光谱仪中的调制深度取决于由投影系统的频率和对比度特性所决定的图像传输质量，并且随着投影系统中的像差增大而减小。调制深度的减小会使静态傅里叶光谱仪的度量参数(信噪比)变差。因此，静态傅里叶光谱仪的度量参数的改善主要与投影系统的损耗最小化有关。

在现有的静态傅里叶光谱仪【专利No.6222627；专利No.6930781；美国专利No.7092101】中，通过在光学系统中增加折射和反射面的数目并采用非球面，在矫正多种像差的情况下由投影系统进行图像传输的任务得到了建设性地解决。

在根据【专利No.6222627】的静态傅里叶光谱仪中，干涉测量单元是基于双折射晶体(在【专利No.6222627】中被称为沃拉斯顿棱镜)而生成的，具有包括多个顺序放置的透镜的投影系统。多单元的二极管标尺被用作图像记录装置。该装置的主要缺点是光谱仪的光学参数依赖于用于获得干涉图像的偏振晶体的材料和几何尺寸，这导致由于路径差对波长的依赖而造成的对光谱分辨率的限制。另一缺点是由于在投影系统中顺序放置透镜而增大了球差和色差的损耗。

在根据【专利No.6930781】的静态傅里叶光谱仪中，采用了干涉光线的横向移动的方案作为干涉测量单元(在【专利No.6930781】中被称为San’yak干涉仪)。

该装置的主要缺点是定性的投影和由具有最小光损耗的此种类型的干涉测量单元获得的图像聚焦的技术复杂性。在这种情况下，干涉图像位于无穷远，这要求实现在傅里叶光谱仪中投影系统包括非球面的光学元件，从而降低了生产中的可操作性并且增加了成本。

在这一系列值得注意的特征中最接近本发明的是【美国专利No.7092101】的装置，其中根据迈克尔逊干涉仪的方案，实现了包括分束器和两个反射器的干涉测量单元，干涉图像形成于其中一个反射器的平面中。与干涉测量单元光学连接的输入准直器包括光阑和物镜。所指示的干涉图像的图片借助与图像记录装置光学连接的投影系统被投影到图像记录装置上。

当研究细长物体的辐射时，该装置的主要缺点是要由包含一系列透镜单元的投影系统来将干涉图像的图片传送至记录装置。在该装置中，像差的减小是由透镜数目的增加而实现的，而这又会增大光谱仪的尺寸和生产成本。

对于多色辐射，在大多数所考虑的装置中，传送干涉图像图片的任务是由包括连续放置的具有轴向光线路径的透镜组件的投影系统来解决的。这导致与色差和球差相关的解决能力的损耗。当传送针对细长物体而获得的干涉图像图片时，与像散和场曲有关的损耗会出现。这显著地降低了投影到图像记录装置上的图片的质量并且因此使光谱仪的度量参数变差。在仅包括顺序放置的透镜的投影系统中，对于不同类型像差进行同时补偿的技术方案导致透镜数目和尺寸的增加，会导致生产成本的增大。

本发明的任务在于改进光谱仪的光学参数，在光谱仪中，通过最小数目的以较低成本制造的光学元件实现了在传送与像差有关的图片时光损耗的降低。