傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜误差分析

　　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。光谱仪要求作扫描运动的动镜必须作高精度的匀速直线运动,同时与定镜有严格的准直关系。前者为了保证对信号光束干涉图的均匀采样,后者为了减小倾斜带来的调制度误差和相位误差[1,3,5]。

　　在傅里叶变换红外光谱仪的研制中发现,由于各种因素,动镜会同时存在多个方向上的倾斜。为了保证系统性能要求,在提高动镜运动精度的同时,通常都采用参考激光光束建立自适应调节系统。通过对参考激光光束干涉面上光强分布不均匀度的测量,获取动镜倾斜角度,反馈调节定镜姿态,保证干涉仪的准直性[3]。

　　本文以同时存在两个方向倾斜为前提,详细分析动镜倾斜给矩形信号光束和参考激光光束带来的误差,并对其校正方法展开讨论。

　　2　动镜倾斜时干涉系统模型分析

　　如图1和图2所示,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。由于外部环境的震动,温度变化导致的材料冷热收缩,导轨的平整程度,还有驱动系统等原因,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轴三条轴线的轻微转动。这几种运动形式中,轻微平移对系统影响可忽略,绕z轴方向的轻微转动的影响也可忽略,但是绕x轴的转动将带来俯仰方向的倾斜,绕y轴的转动将带来左右方向的倾斜,它们对干涉系统性能会带来大的影响。(取各坐标轴方向的右手螺旋方向为正方向)

　　动镜发生倾斜时,动镜和定镜对分束器的镜像不再保持平行。图1为动镜绕x轴平行轴转动θ角,即俯仰方向发生倾斜时的侧面视图。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。

　　θ和β都为0时,动镜处于理想状态下,动镜平面方程为z=0,镜面法线矢量为i(0,0,-1),平面上任意点的坐标可用N(x,y,0)来表示,其中光束尺寸内x,y的范围分别为[-D1/2,D1/2],[-D2/2,D2/2]。在S平面处光束Ⅰ和光束Ⅱ干涉形成亮度均匀的干涉平面,S面随着动镜移动产生明暗变换。对波长为λ的单色光来说,探测器上收到的干涉图为

　　其中,ν为波数,即1/λ,l为光束Ⅰ和光束Ⅱ之间的光程差[2]。