干涉仪的那些事

设为首页加入收藏

欢迎光临朗伯光学官方网站

网站首页 ∷ 新闻资讯 ∷ 公司新闻 ∷ 干涉仪的那些事

当前位置：

干涉仪的那些事

来源: | 作者:朗伯光学 | 发布时间 :396天前 | 113 次浏览: | 分享到:

①干涉仪技术路线

干涉仪(Interferometer)是一种测量相干光相对相位差的仪器，由一束入射光与另一束出射光的相干干涉产生的干涉图案加以观测和分析。干涉仪被广泛应用于光学科学和工程领域，具有多种用途。

干涉光谱仪在原理上具有多通道、高通量以及高波数精度等基本优点。干涉仪是产生傅立叶变换光谱仪核心模块，近年红外傅立叶光谱仪应用愈加广泛，中长波红外干涉光谱已发展多年，近红外波段的应用近年也得到充分研究与应用，较低成本，加速了其应用范围。

干涉光谱成像技术按照光程获取方式的类型可以分为时间调制、空间调制以及时空联合调制三种类型。时间调制型干涉光谱成像技术是通过连续改变相干光的光程差，进而对出射光束进行调制，使不同波长的光分解成不同谱元；空间调制型干涉光谱成像技术是将不同波长的光分布在空间的不同方向或位置上；时空联合调制型干涉光谱成像技术前置光学系统中不存在狭缝，探测器上获得受到干涉调制的目标图像，然后通过机载或星载方式推扫系统，得到被测目标的完整干涉信息。三种调制方式的干涉光谱成像技术尽管来自同源，但由于目标经过干涉仪后获取干涉信息的光学原理过程不同，因此在光能量传递和信噪比上存在一定程度的区别。

一、时间调制型干涉光谱仪

时间调制型干涉光谱成像仪通过干涉仪中动镜移动引起双光束之间产生连续变化的光程差，探测器记录所有连续变化光程差的时间序列，除了具有多通道、杂散光低等优点外，时间调制型干涉光谱成像技术还具有高探测灵敏度、高光谱分辨率、高波数准确度等色散型光谱仪无可比拟的突出优点。

基于Michelson 干涉仪的时间调制型干涉光谱成像技术于20 世纪80 年代逐渐开始发展，法国太空空间与战略系统分部和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室先后于1991 年、1995 年分别研制出了时间调制型干涉光谱成像仪原理机。由于这种类型的干涉仪需要高稳定可靠的动镜扫描机构，在应用上受到很大限制，为此很多学者进行了大量研究，并提出了一系列改进型扫描机构。按照干涉仪动镜运动方式和光程差产生的方式，时间调制型干涉光谱成像技术的扫描机构又分为直线运动形式、摆动运动形式以及旋转运动形式三种具有代表性的扫描机构。

直线运动形式：

通过往复移动动镜产生等厚干涉或等倾干涉的迈克尔逊干涉仪是典型的直线运动式干涉光谱仪，其光学原理示意如图所示。这种经典的干涉光谱仪光路中无狭缝，与传统的色散型光谱成像仪相比较，其光能利用效率至少高两个数量级。

干涉仪的驱动电机一般采用音圈直线电机，具有结构简单、驱动速度快以及定位精度高等优点。采集信号时需要直线电机匀速运动，所以通常在干涉仪光路中引入速度反馈，例如利用相干光源（激光）的干涉信号作为标定动镜速度的参考，通过检测激光干涉信号的正弦波，滤波后经过过零检测得到与之同相位逻辑方波信号，该逻辑方波信号可作为直线电机的速度反馈。

随着科技进步，经典的Michelson 干涉仪已出现很多变体，但是在技术原理上都需要一套直线精度很高的动镜控制单元，使得干涉仪的稳定性降低，而且工艺变得更加复杂，进而给系统研制带来了诸多技术难题，最重要的是不能从根本上有效解决平面动镜在移动过程中引起的倾斜和剪切问题，最终导致干涉图产生相位误差以及干涉调制严重度退化。如下图是经过改进光学系统的直线式干涉系统。

摆动运动形式：

摆动运动式干涉光谱仪采用动镜摆动的方式代替直线运动形式，Michelson 干涉仪的一种变体结构。1997 年加拿大瓦尔卡梯尔国防研究机构报道了一款基

于角锥棱镜摆动的双光束干涉光谱仪，紧凑型大气探测干涉仪（Compact Atmospheric Sounding Interferometer，CATSI），CATSI 的角锥棱镜摆动机构将两个角反射镜固连在一起同时摆动，消除了由运动引入的误差，该系统在3~18 μm 的光谱范围内拥有不小于25px-1的光谱分辨率,该系统如图所示：

这种通过摆动方式形成连续变化光程差的干涉光谱仪虽然具有结构紧凑、重复性好、稳定性强的优点。但是，系统的机械扫描速度相对较低，而且通过摆动形成的非线性光程差需要后期复杂的理论计算修正，或者在光路中增加激光辅助光路进行非线性校正；同时，摆动结构的幅度有限，而且角锥棱镜的顶点要对齐，否则干涉信号的调制度就会快速下降，甚至干涉信号完全消失，所以该类型系统形成的光程差也十分有限，以至于这种摆动式干涉光谱仪的最高光谱分辨率也不会太高。

旋转运动形式：

时间调制型旋转运动式干涉光谱仪包括透射式和反射式两种类型。系统中没有直线运动或摆动运动中动镜启停加速与减速环节，大幅提高了动镜干涉仪的时间分辨率，可以进行高速采样。

1997 年，美国D&P 公司报道了一款用于化学分析的高分辨高速透射式转动干涉光谱仪（Rotary Turbo Fourier TransformSpectrometer，RTFTS），光学系统如所示，当经过分束的入射光和透射光分别经过旋转的转镜时，由于两束光入射到转镜上的角度不同，进而使两束光之间形成了连续变化的光程差，随着转镜的转动，系统产生的光程差也在发生连续变化。RTFTS 中唯一的运动部件就是由高速转动的驱动轴带动的转镜，转镜在每个周期中有四个零光程差点，即系统在一个转动周期可以实施四次采样。该仪器的探测速度快、实时性好、稳定性高，但是由于转镜材料会对不同波长的光引起不同的光程差，对转镜材料的选择提出了更高的要求，而且转镜的转角越大，非线性也越大，需要在后期数据处理中进行补偿。

二、空间调制型干涉光谱仪

为了回避时间调制型干涉光谱成像仪中精密动镜系统不稳定性引入的技术难题，随着大面阵探测器技术高速发展，20世纪80年代研究者提出了空间调制干涉光谱成像技术。

其原理是在一个宽谱段光学系统中插入横向剪切干涉仪，具有成像和干涉双重功能，系统主要由前置物镜、插入的横向剪切干涉仪、后置的傅里叶变换物镜、柱面镜以及面阵探测器组成。被测目标的辐射光经过前置光学系统被聚焦，焦面上置狭缝，目标辐射经过焦面狭缝后进入横向剪切干涉仪，在垂直于光轴的方向上，狭缝被横向剪切成两个虚像，从干涉仪出射带有横向剪切量的两束光被后置成像镜组准直后进入探测器。成像镜组中傅立叶成像镜不仅要满足空间分辨率，在光谱方向上还要满足正弦条件，因此，傅立叶成像镜必须要对两对物像的共轭位置进行像差控制。为了获取目标在空间方向的信息，目标辐射经过傅立叶成像镜准直后，还需要经过柱面镜聚焦。柱面镜是一个非回转对称的光学系统，在装调过程中，柱面镜绕光轴的转动误差会最终降低探测器上的干涉图调制度，所以柱面镜对系统的空间分辨率和干涉图调制度有重要的制约作用，其光学原理如图所示：

三、时空联合调制型干涉光谱仪

时空联合调制型干涉光谱成像技术始于20 世纪90 年代后期，该技术具有高光通量、高探测灵敏度和高稳定性的优点。其光谱分光原理虽然也是基于横向剪切干涉仪，通过推扫完成干涉序列采集得到目标的完整干涉信息，但是时空联合调制型干涉光谱成像仪前置光学系统中没有狭缝，所以才具有高通量优点，也因此自诞生之时就受到科研工作者的广泛关注。

采用了时空联合调制干涉光谱成像技术，由前置望远镜光学系统、半五角棱镜胶合的横向剪切干涉仪、傅里叶成像物镜及面阵探测器四大部分组成，其中前置望远镜光学系统的主要作用是压缩来自目标光束的孔径尺寸匹配横向剪切干涉仪，进而可以缩小干涉仪的体积，其光学原理如图所示：

②干涉仪商业化

在聊完干涉仪技术路线之后，下面汇总一下国内外干涉仪商业化相关信息状况：

PS：(数据来源于官方网站及可下载公开资料；知识能力有限，无法涵盖所有研究信息及商业品牌，请多多包涵；如有信息有误，欢迎留言更改)

仪器厂商技术指标：

分束器入射角大小会带来什么影响呢？

为什么各家有所不同？

这个问题就要先从整体反射率说起，光垂直入射（入射角为0度）不同折射率界面的反射率可以由简化的菲涅尔公式给出，如下：

其中：

R是垂直入射反射率（单个界面）；n是材料的折射率；分束器是具备一定厚度的基质，由两个不同界面。

KBr的折射率1.5左右，整体基质反射率约8%；ZnSe的折射率2.5左右，整体基质反射率约30%；Ge的折射率4左右，整体基质反射率约50%；

理想的分束器是50%反射和50%透射。纯KBr基片离“理想”的距离还很远，这个可以通过光学镀膜的方式去修正基质材料的不足，也是经常会见到“KBr基片镀Ge”这种描述的原因。

上图可以看出，光在偏振方向可以分解成S光和P光，两者的反射率是不一样的。在布儒斯特角，P光的反射率甚至为0。入射角越小，S光和P光的反射率趋于相同，这或许是现在仪器厂商选择小角度入射的主要原因吧。

不同仪器品牌干涉仪设计：

ABB傅里叶干涉仪(美国)：

1973年加拿大诞生BOMEM致力于开发商业干涉仪，1999年并入ABB，因此其技术与产品亦拥有悠久的历史沉淀。基于扭摆光学角镜的干涉仪设计也是经典，除了自身产品用，也支持OEM，外形如下。

Bruker傅里叶干涉仪（德国）：

ALPHA II，INVENIO S和INVENIO R型号都是采用RockSolid干涉仪，实物图如下：

基于光学角镜准直，扭摆产生光程差，初看跟ABB的干涉仪貌似没啥区别，仔细看发现在光学角镜和分束器之间多了一块反射镜，原理示意图如下。

INVENIO X是采用INTEGRAL干涉仪，依然是基于扭摆光学角镜的设计，少了光学角镜和分束器之间的反射镜，整体与ABB的类似，中间多了分束器切换转轮，示意图如下，看着入射角应该不会大于30°。

Vertex 80采用UltraScan干涉仪，基于动态调整技术，认真的读者会发现跟ABB DA8型号的干涉仪设计和调整的部位（在动镜和分束器之间的反射镜）是一致，整体光路和干涉仪示意图如下。

MKS傅里叶干涉仪（美国）：

产品侧重气体分析应用，主要布局工业市场，在科研上较少涉及。其产品干涉仪设计如下，采用单一光学角镜的准直方式，水平左右移动产生光程差的是其中的C部件，光学角镜不移动而是固定的。整体尺寸是可以比较紧凑，不过跟常见双光学角镜的扭摆设计有本质区。产品介绍资料虽然没有入射角的数据，看着应该是30°左右。

其代表作MG603傅里叶变换红外光谱分析仪是以傅里叶变换红外为基础的多气体光谱分析仪。其具有ppb到ppm灵敏度。广泛用于半导体生产工艺控制和监控，气体纯度和组成分析，环境有毒有害气体监视和工业尾气监视。MG 6030傅里叶变换红外光谱分析仪能分析含有高达40%水的气流，能同时分析和显示多达30种气体。分析仪储存了校准光谱，故省出了气体筒的成本。另外，操作者也会发现MG 6030傅里叶变换红外光谱分析仪易操作，易维护。