转镜式干涉光谱仪中的误差容限研究

　　0　引言

　　基于迈克尔逊干涉仪的直线型动镜扫描系统,具有准确度要求高,结构复杂、稳定性差等不足,尤其不适宜于快速变化的光谱测量.转镜式高速干涉光谱仪,用转镜代替直线移动的精密动镜,可以适应高速光谱测量的需要[1].

　　转镜式光谱干涉仪中转镜用于产生光程差,而且是系统中的唯一动件,是整个干涉光谱仪的关键部分,转镜的误差主要来自转动时的晃动,和转速的不稳定.研究它的误差对系统的影响及误差的容限,对工程设计具有指导意义.系统中的垂直反射镜和平行反射镜安装时的倾斜,将对光谱仪的性能有较大的影响.倾斜不但会降低干涉图的调制度,而且会带来相位误差,所以,必须保证反射镜安装的准确度,才能得到理想的干涉图.

　　1　基本原理

　　转镜式干涉光谱仪的原理如图1所示,LC为前置望远系统,BS为半透半反的分束镜,M为平行反射镜,ME为垂直反射镜,D为探测器,LF为后置光学系统,R为全透光的转镜.

　　工作时,来自目标的光束经前置望远光学系统变成平行光束,然后投射到分束器BS上,BS使其分为反射光束和透射光束,反射光束和透射光束分别经反射镜M、穿过转镜R、反射镜ME、反射镜M后回到分束器BS.当反射光束和透射光束经过转镜时,对转镜的入射角不同,使两束光的光程不同,从而形成了光程差.随着转镜的转动,光程差的大小逐渐变化.变化的光程差在BS处形成相干光束,其中一束经后置镜LF被探测器D接受.干涉点的光强随转镜的转动而变化,等间隔地测量一系列干涉强度值I(OPD),然后进行傅氏变换就可得到所需要的复原光谱图.

　　2　转镜晃动的容限

　　转镜是用于产生光程差的关键部分,是干涉光谱仪的核心,它带来的光程差大小为[2]

　　式中,t为转镜厚度,n为折射率,θ为转镜转过的角度.

　　实际系统中,转镜总会有一定的晃动.可建立如图2所示的坐标系,O为无晃动时转轴的位置X轴在子午面内,垂直于无晃动时的转轴方向,Y轴在弧矢面内,垂直于平行反射镜.转镜晃动时,可将其转轴的偏离分解为在子午面内(X轴方向)和弧矢面内(Y轴方向)的偏离.下面分别讨论.

　　2.1　子午面内的晃动

　　当转轴的晃动在子午面内时,光程差表达式为[2]

　　对于给定的n,可把上式写为ΔOPD=δ(θ,α),其图象如图3所示,图中n=3.

　　从图3中可看出:1)晃动量α越大,晃动带来的光程差误差越大;2)工作角越大,晃动带来的光程差误差越大.

　　转镜其实是一个平行透光板,当转镜晃动时,单色光B(ν0)的干涉图表达式如式(4).