光谱仪动镜倾斜误差分析及其动态校正技术研究

　　1　引　言

　　在傅里叶变换红外光谱仪中,迈克尔逊干涉仪是其光学系统的核心部分。光谱仪性能好坏,很大程度上取决于干涉系统中动镜的移动精度。光谱仪要求动镜在作直线扫描运动的同时,必须与定镜保持严格的垂直关系。主要是为了减小系统非准直带来的调制度误差和相位误差[1～3]。在傅里叶变换红外光谱仪的研制中发现,系统准直性失调有多种来源,文献[4]对其作了详细的阐述,根据其随光程差变化而变化的特性可分为四类:(1)由于器件加工缺陷或安装不良引起的固定误差;(2)由于运动部件缺陷造成的随电机位置变化而变化的系统误差;(3)频率较低的外界振动或外加信号干扰;(4)频率较高的随机扰动。各种因素的影响最终都表现为:运镜相对理想状态的定镜产生倾斜,动镜和定镜对分束器的镜像不再保持平行。现以同时存在两个方面倾斜为前提,详细分析了动镜倾斜给矩形信号光束带来的误差,并提出了基于定镜调整的动态校正系统技术方案。

　　2　动镜倾斜时干涉系统模型分析

　　图1为迈克尔逊干涉仪的动镜,定镜及其干涉面坐标对应示意图。图中,动镜位于xoy平面上,z为动镜中心轴线,y轴与定镜平面垂直。理想情况下,动镜随驱动系统只在z轴上作扫描运动。由于外部环境震动等多种原因,它可能具有其他运动方式:在x和y方向的平移,绕x轴、y轴和z轴三条轴线平行轴的轻微转动。这5种运动形式中,轻微平移对系统影响可忽略,绕z轴平行轴方向的轻微转动的影响也可忽略,但是绕x轴和y轴平行轴的转动分别带来的俯仰,左右方向的倾斜,将对干涉系统带来大的影响(取各坐标轴方向的右手螺旋方向为正方向)。

　　设信号光束孔径为矩形,尺寸大小为D1×D2,矩形的两边分别平行于x和y轴,中心光线与z轴共线。入射光束通过分束器后分为两部分:光束Ⅰ和光束Ⅱ,它们分别到达定镜和动镜,被反射后,在S面上形成干涉平面。设动镜以点o′(x0,y0,0)为倾斜中心,在俯仰方向倾斜θ角,在左右方向上倾斜β角。

　　当θ和β不同时为0时,动镜发生倾斜,光束Ⅱ中,各条光线之间的光程都发生变化。与理想状态相比,光束Ⅱ中过(x,y,0)的光线通过动镜反射后,产生附加光程差:

此时,在S处的干涉面上有光强不均匀的干涉光斑,设过倾斜中心点o′(x0,y0,0)的光线在此干涉图上的对应点为原点o2,建立与理想动镜平面相对应的干涉平面坐标系ξo2η,此时原点o2处的光程差为l,任意点N(ξ,η)处对应的光程差为:

其中ξ∈[-D1/2-x0,D1/2-x0],η∈[-D2/2-y0,D2/2-y0]。采用同样的单色光源,以倾斜中心处光程差l0为变量,那么探测器上获取的干涉图为: