專利名稱：干涉儀和付里葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個干涉儀，它包括一個分光鏡，適于從入射光產(chǎn)生一個第一光束和一個第二光束；干涉儀還包括一個第一反射器及一個第二反射器，它們適于分別接收第一和第二光束并把它們反射回分光鏡。
本發(fā)明還關(guān)系到一個付里葉變換光譜儀。
基本上由一個分光鏡、一個第一和一個第二反光鏡構(gòu)成的傳統(tǒng)的Michelson干涉儀，是上述類型干涉儀的一個例子。在Michelson干涉儀中，分光鏡將部分入射光向第一反光鏡反射，部分入射光向第二反光鏡透射。這兩個反光鏡將光束反射回分光鏡，分光鏡把它們組合成單一光束，投射到檢測器上。依靠分光鏡與各個反光鏡之間距離不同，光束之間發(fā)生相長或相消干涉。這種干涉可借助于檢測器記錄下來。
例如，一個Michelson型干涉儀可被付里葉變換光譜儀用于從寬帶光源確定光的光譜。在一般的付里葉變換光譜儀中，一個反光鏡用做掃描反光鏡，并被線性移動，使它到分光鏡的距離及檢測器上的干涉圖案連續(xù)地變化。用這種方式一幅干涉像可由檢測器記錄下來。借助于付里葉變換，入射光的光譜可被確定。
傳統(tǒng)干涉儀的一個不便之處是要想獲得適于使用的干涉圖案就必須精確設(shè)定光學(xué)元件之間的關(guān)系。
在Michelson干涉儀中，分光鏡被置為使入射光的入射角是45°。并且第一和第二反光鏡正交，第一和第二光束沿法線方向照射到反光鏡上。如果說，一個反光鏡被移動至使光線不能沿法線方向到達，干涉圖案的條紋密度就會加大。當(dāng)有相當(dāng)大的移動時，過高的密度至使無法觀察到條紋。
在付里葉變換光譜儀中，掃描反光鏡的整個線性移動過程中不得不保持精確定位，這使安裝變得極為苛刻。
為了降低移動過程中對精確定位的高要求，以眾所周知的方式，反光鏡由反向反射器來代替。然而，反向反射器很貴，而且它不可能修正任何因制造或由于溫度的改變、老化以及類似情況引起的角度偏差。
為了保持光學(xué)元件的精確定位，所知的還有利用固定的反光鏡，用于將兩束光反射回分光鏡，并且借助于可旋轉(zhuǎn)部件，例如一個可旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)器，改變一束光的路徑長度。EP0491435闡明了一種具有兩個平行相對的反光鏡的干涉儀，反光鏡被旋轉(zhuǎn)以改變到達一個固定反光鏡的路徑長度。然而，這種技術(shù)有缺點，光束要穿過固定反光鏡的表面，使得對它的質(zhì)量有極高的要求。而且，路徑長度只能在較小的范圍內(nèi)被改變。
在文獻中，有一些上述原理的進一步改進的例子，使兩束光之間的路徑長度差增加。例如，在EP0314103和US5,066,990中，旋轉(zhuǎn)部件由在每一臂上帶有反向反射器的雙擺(double pendulum)構(gòu)成。通過擺動雙擺，一個光束的路徑長度減少而另一個光束的路徑長度增加。然而，與反向反射器有關(guān)的不便之處仍然存在。
在US5,159,405和US5,150,172中，旋轉(zhuǎn)部件由兩個平行反光鏡構(gòu)成，在兩個反光鏡之間兩道光束被反射了數(shù)次。當(dāng)兩個反光鏡被翻轉(zhuǎn)，一個光束的路徑長度加長而另一個光束的路徑長度變短。然而，光束穿過反光鏡的不便之處仍然存在。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一個干涉儀，它對于掃描光學(xué)元件的非精確移動有良好的偏差容許；該干涉儀可以是袖珍型的設(shè)計；并且當(dāng)光束之間的路徑長度差被改變時，該干涉儀內(nèi)的光束不穿過光學(xué)元件。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一個可以是袖珍型設(shè)計的付里葉變換光譜儀。
這些目標(biāo)由干涉儀完成，其具有的特殊性能在所附權(quán)利要求1中講述；這些目標(biāo)同樣也由付里葉變換光譜儀完成，其具有的特殊性能在所附權(quán)利要求8中講述。
根據(jù)本發(fā)明的干涉儀是基于反射器的線性移動將第一和第二光束反射回分光鏡以使路徑長度差改變的原理。用這種方式，在整個掃描操作過程中，兩束光將照射到反射器的相同點上。由于兩個反射器的同步線性移動，一方面是路徑長度差的變化，另一方面是相應(yīng)反光鏡的移動，兩者之間的比例是4∶1，這意味著在保持干涉儀的袖珍型設(shè)計的同時可以完成相當(dāng)大的路徑長度差的改變。而且，干涉儀包括一個第三和一個第四反射器，分別放置在分光鏡與第一反射器之間的第一光路以及光束分光鏡與第二反射器之間的第二光路上。第三和第四反射器和分光鏡一起被放置為正交的。特別地，分光鏡、第三和第四反射器的法線方向是正交的。因此，干涉儀有一個三維結(jié)構(gòu)。第三和第四反射器補償?shù)谝缓偷诙瓷淦骶€性移動的不準(zhǔn)確，第三反射器補償一個方向的不準(zhǔn)確，而第四反射器補償與第一反射器垂直的另一個方向的不準(zhǔn)確。這樣的補償是可能的，因為第一和第二反射器固定相互連接，使得線性移動的機械誤差在兩個反光鏡上有相同作用。最后，應(yīng)該指出，在根據(jù)本發(fā)明的干涉儀內(nèi)，光束反射次數(shù)很少而且光路短，這是個優(yōu)點。
本發(fā)明的幾個實施例將參考所附的圖示詳細地描述。


圖1，2和3是根據(jù)本發(fā)明干涉儀的第一實施例的在三個不同正交方向上的簡略投影圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明干涉儀的第二實施例的簡略投影圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明干涉儀的第三實施例的簡略投影圖。
圖1，2，3是根據(jù)本發(fā)明干涉儀第一實施例的三個正交投影圖。這里，干涉儀包括一個分光鏡BS，以及一個第一、一個第二、一個第三和一個第四平面反光鏡，分別為M1，M2，M3和M4。第一反光鏡M1和第二反光鏡M2是平行且相對的。這些鏡子構(gòu)成干涉儀的掃描反光鏡，為此，它們被放置在一個固定在球形軸承上可以線性移動的滑動部件(未畫出)上。如下面所示，一個來自完全的線性位移的某種偏差是可以接受的。第三反光鏡M3和第四反光鏡M4構(gòu)成干涉儀的補償反光鏡。第三反光鏡M3安裝在分光鏡BS和第一反光鏡M1之間的光路上，第四反光鏡M4以類似方式安裝在分光鏡BS和第二反光鏡M2之間的光路上。第三反光鏡M3、第四反光鏡M4和分光鏡BS是正交的。
可以看到在所有的圖中反光鏡都提供了一個箭頭以便在反光鏡像之間進行比較以及指示線性移動的不規(guī)則。
干涉儀操作如下，光束Bin從一個光源(未畫)照射到分光鏡BS，分光鏡以眾所周知的方式反射部分入射光并透射其余部分。這樣，分光鏡從入射光產(chǎn)生一個第一光束B1和一個第二光束B2。第一光束照射到第三反光鏡M3并被反射到第一反光鏡M1，此后通過第三反光鏡M3返回到分光鏡BS。第二光束B2照射到第四反光鏡M4并被反射到第二反光鏡M2，此后通過第四反光鏡M4返回到分光鏡BS。第二光束B2和第一光束B1由分光鏡BS組合成輸出光束But。
在圖1和3中，由虛線表明了分光鏡BS把第一反光鏡M1的像和映在第四反光鏡M4中的第二反光鏡M2的像疊加在一起。因而，M1’BS表示映在分光鏡BS中的第一反光鏡M1的像，M2’Ms表示映在第四反光鏡M4中的第二反光鏡的像。
其上安裝有第一和第二反光鏡M1、M2的滑動部件如果有輕微的不準(zhǔn)確安裝或是它的位置在線性移動中改變，使得第一和第二光束B1和B2不會沿法線方向照射到這些反光鏡，第四反光鏡M4將補償Y-Z平面內(nèi)的任何移動而第三反光鏡M3將補償X-Y平面內(nèi)的任何移動。假定滑動部件被移動使第一反光鏡M1在Z-Y平面被沿圖1中箭頭所示方向移動，則第二反光鏡M2在Z-Y平面沿其中箭頭所示方向也被移動。反光鏡的像M1’BS和M2’M4兩者都沿反光鏡的像中箭頭所示的方向被移動，使得它們?nèi)匀晃呛?。這樣，盡管存在角度誤差，當(dāng)通過分光鏡相互合成時兩個光束B1和B2仍然吻合。
若第一和第二反光鏡M1和M2在X-Y平面內(nèi)移動，第三反光鏡以相同的形式補償位移，使得反光鏡的像M1’M3和M2’BS吻合，并且當(dāng)離開分光鏡BS時第一和第二光束B1和B2是平行的。
有極多的設(shè)置符合要求，使得分光鏡BS、第三反光鏡M3及第四反光鏡M4正交，并且使得第一反光鏡M1和第二反光鏡M2是平行而對置的。下面給出幾個例子。例1如下所示，n代表相應(yīng)元件的法線方向。nBS＝(0，1，0)nM1=13(1,1,-1)]]>nM2=13(-1,-1,1)]]>nM3＝(-1，0，0)nM4＝(0，0，-1)入射光Bin沿 (1，1，1)到達。出射光But沿 (1，-1，1)離開。
入射角與分光鏡BS、第一和第三反光鏡M1，M3近似成55°的角，入射角與第二和第四反光鏡M2，M4成90°的角。
光束與一個立方體的空間對角線平行。
例2nBS＝(0，1，0)nM1=16(1,2,-1)]]>nM2=16(-1,-2,1)]]>nM3＝(-1，0，0)nM4＝(0，0，-1)入射光Bin沿 (1，-2，1)到達。出射光But沿 (-1，-2，-1)離開。
入射角與分光鏡BS近似成35°角；入射角與第一和第三反光鏡M1，M3近似成66°的角；入射角與第二和第四反角光鏡M2，M4成90°的角。
圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的干涉儀的第二實施例。此實施例保留了第一實施例的分光鏡BS和四個反光鏡M1-M4。第二實施例還進一步包括一個第五和一個第六反光鏡M5和M6，第五、第六反光鏡與分光鏡BS平行且第五反光鏡置于分光鏡BS和第三反光鏡M3之間的第一光束B1的光路上，第六反光鏡置于分光鏡BS和第四反光鏡M4之間的第二光束B2的光路上。
與第一實施例比較，在此實施例中掃描反光鏡M1和M2稍稍靠近一些，實現(xiàn)了干涉儀更緊湊的設(shè)計。然而，此實施例要求比第一實施例多兩塊反光鏡。
圖5說明了第三實施例，它包含了與第二實施例相同的元件，但第五反光鏡置于第一和第三反光鏡M1、M3之間，第六反光鏡置于第二和第四反光鏡M2、M4之間。
第二和第三實施例的操作與第一實施例相同。
根據(jù)本發(fā)明的干涉儀在付里葉變換光譜儀中有很好的應(yīng)用，光譜儀可以是袖珍型的廉價的設(shè)計。
本發(fā)明的上述實施例只是例子，在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)該發(fā)明可以被修改。例如，平面掃描反光鏡M1，M2可由其它反射器代替，比如反向反射器。
權(quán)利要求
1.一個干涉儀，包括一個適于從一個入射光束(Bin)產(chǎn)生一個第一和一個第二光束(B1，B2)的分光鏡，還包括適于分別接收第一和第二光束并將它們反射回分光鏡的第一和第二反射器(M1，M2)，其特征是第一和第二反射器(M1，M2)相互固定地連接在一起并適于被線性移動，以使第一和第二光束的路徑長度差改變。干涉儀還包括置于分光鏡(BS)和第一反射器(M1.)之間的第一光束(B1)路徑上的第三反射器(M3)，以及置于分光鏡(BS)和第二反射器(M2)之間的第二光束(B2)路徑上的第四反射器(M4)。分光鏡(BS)、第三反射器(M3)和第四反射器(M4)是正交的。
2.一個如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于第五和第六反射器(M5，M6)分別被置于第一光束(B1)的光束路徑上及第二光束(B2)的光束路徑上。
3.一個如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于第五和第六反射器(M5，M6)分別被置于分光鏡(BS)與第三反射器(M3)之間及分光鏡(BS)和第四反射器(M4)之間。
4.一個如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于第五和第六反射器(M5，M6)分別被置于第一與第三反射器(M1，M3)之間以及第二和第四反射器(M2，M4)之間。
5.一個如上述任一權(quán)利要求所述的干涉儀，其特征在于第三和第四反射器(M3，M4)是平面反光鏡。
6.一個如上述任一權(quán)利要求所述的干涉儀，其特征在于第一和第二反射器(M1，M2)是平面反光鏡。
7.一個如上述權(quán)利要求2-6中任一項所述的干涉儀，其特征在于第五和第六反射器(M5，M6)是平面反光鏡。
8.一個付里葉變換光譜儀，包含一個如前述權(quán)利要求1-7中任一項所述的一個干涉儀。
全文摘要
一個干涉儀包含一個分光鏡(BS)和平行安裝在可被線性移動的公共滑動部件上的兩個掃描反光鏡(M1，M2)。干涉儀還包含兩個補償反光鏡(M3，M4)，補償反光鏡被置于分光鏡(BS)和掃描反光鏡(M1，M2)之間。分光鏡(BS)以及每個補償反光鏡(M3，M4)之間是正交的。對于掃描反光鏡(M1，M2)位移的不準(zhǔn)確干涉儀有很好的容許偏差。干涉儀可用于生產(chǎn)袖珍型的而且廉價的付里葉變換光譜儀。
文檔編號G01B9/02GK1145114SQ9519247
公開日1997年3月12日 申請日期1995年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月10日
發(fā)明者卡杰·拉森 申請人:奧普斯公司