李承澤+陳成

（1.東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，長春 130000 ；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000）

[摘 要] 近年來，隨著一些高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，如空間探測(cè)、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、氣象監(jiān)測(cè)、生命科學(xué)、生物工程、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、納米科技等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，對(duì)于傅立葉變換紅外光譜儀器提出了迫切的使用需求。本文針對(duì)傅立葉變換光譜儀進(jìn)行了深入的調(diào)研并詳細(xì)分析了傅立葉變換紅外光譜儀捕獲的研究現(xiàn)狀與光譜信息分析原理，為未來科研人員研制新型傅立葉變換紅外光譜儀提供原理與技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞] 紅外光譜儀；光譜信息；信息處理

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 05. 043

[中圖分類號(hào)] O433.1；O438.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）05- 0079- 05

紅外光譜可以用于定性分析，也可以用于定量分析，還可以對(duì)未知物進(jìn)行剖析。紅外光譜的應(yīng)用范圍十分廣泛，可以說，對(duì)于任何樣品，都可以得到一張紅外光譜。對(duì)固體、液體或氣體樣品，對(duì)單一組分的純凈物和多種組分的混合物都可以用紅外光譜進(jìn)行測(cè)定。紅外光譜可以用于有機(jī)物、無機(jī)物、聚合物、配位化合物的分析，也可以用于復(fù)合材料、木材、糧食、飾品、土壤、巖石、各種礦物、包裹體等的分析。因此，紅外光譜是科研和工程領(lǐng)域必不可少的分析技術(shù)，在化工、冶金、地礦、石油、煤炭、醫(yī)藥、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、海關(guān)、寶石鑒定、文物、公檢法等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光譜信息的采集與分析主要使用光譜儀實(shí)現(xiàn)。光譜儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及組分進(jìn)行高精度光譜分析，是現(xiàn)代化科技至關(guān)重要的基本檢測(cè)工具和精密分析手段。光譜儀基于光的空間色散原理或調(diào)制干涉原理，將光按一定的規(guī)律進(jìn)行不同頻率的分解，通過對(duì)光的各個(gè)波長進(jìn)行能量測(cè)定，即輻射波長能量分布特性，將不同波長或頻率的光強(qiáng)度分布記錄為光譜圖。根據(jù)工作原理不同，可將光譜儀分為三類：色散型光譜儀，濾光片型光譜儀和傅里葉變換光譜儀。濾光片型光譜儀不能獲得足夠?qū)挼墓庾V范圍，其實(shí)際應(yīng)用范圍也非常有限，相比于色散型光譜儀，傅里葉變換光譜儀具有高通量和多通道的固有優(yōu)點(diǎn)。

近年來，隨著一些高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，如空間探測(cè)、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、氣象監(jiān)測(cè)、生命科學(xué)、生物工程、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、納米科技等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，對(duì)于光譜儀提出了迫切的使用需求。本文針對(duì)傅立葉變換光譜儀進(jìn)行了深入的調(diào)研并詳細(xì)分析了傅立葉變換紅外光譜儀捕獲的研究現(xiàn)狀與光譜信息分析原理，為未來科研人員研制新型傅立葉變換紅外光譜儀提供原理與技術(shù)支持。

1 傅立葉變換光譜儀

光譜儀是用于測(cè)定被研究的光輻射的頻率特性、強(qiáng)度特性及其變化規(guī)律的光學(xué)儀器。光譜儀器應(yīng)用光學(xué)空間色散原理或光學(xué)調(diào)制干涉原理，將被研究的不同頻率成分的光輻射按照一定的規(guī)律分解，通過測(cè)定各個(gè)波長的光輻射所具有的能量，即輻射能量按波長的分布特性，把分解的光輻射強(qiáng)度按照波長或頻率的分布記錄和顯示為光譜圖。

1.1 光譜儀器的分類與組成

光譜儀器按照其光譜分解的工作原理的不同，可以將其分為空間色散光譜儀和調(diào)制干涉光譜儀?？臻g色散光譜儀是基于空間色散原理實(shí)現(xiàn)光譜分離的，而調(diào)制干涉光譜儀是建立在調(diào)制干涉原理上實(shí)現(xiàn)光譜分離的。空間色散光譜儀根據(jù)分光元件的不同，又可以分為棱鏡色散光譜儀、光柵色散光譜儀和多光束干涉色散光譜儀；調(diào)制干涉光譜儀根據(jù)調(diào)制方式的不同，又可以分為時(shí)間調(diào)制干涉光譜儀和空間調(diào)制干涉光譜儀。以上幾種類型光譜儀器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 傅里葉變換光譜儀

傅里葉變換光譜儀是光譜儀重要的分支，其工作過程主要分為兩步：第一步是將目標(biāo)物體的輻射光經(jīng)干涉系統(tǒng)進(jìn)行頻率域的調(diào)制，產(chǎn)生干涉圖；第二步是通過對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到目標(biāo)物體的光譜。干涉圖和復(fù)原光譜之間的傅里葉變換關(guān)系也是傅里葉變換光譜儀這一名稱的由來。干涉圖通過掃描動(dòng)靜和定鏡反射的具有一定光程差的兩束光發(fā)生干涉獲得，入射光信號(hào)被一個(gè)與掃描動(dòng)靜位置有關(guān)的函數(shù)所調(diào)制。

2 傅立葉變換光譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀

傅立葉變換光譜技術(shù)在其出現(xiàn)的一百多年間得到了迅猛的發(fā)展，特別是20世紀(jì)60年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速傅里葉變換算法的發(fā)現(xiàn)和傳播，讓傅里葉變換光譜儀完成了從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際工程應(yīng)用的完美轉(zhuǎn)身。傳統(tǒng)拉曼光譜儀中使用的光電倍增管或硅光電二極管在1 000nm波長處效率為零。而傅里葉變換光譜儀能夠有效的對(duì)中波紅外的拉曼光譜進(jìn)行測(cè)量，有效的彌了補(bǔ)這一空缺，充分的體現(xiàn)了傅里葉變換光譜儀在弱輻射探測(cè)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛質(zhì)。

傅立葉變換光譜儀按調(diào)制原理可以分為時(shí)間調(diào)制型和空間調(diào)制型兩種。其具有多通道、高通量、波數(shù)示數(shù)精度高和雜散光低等優(yōu)點(diǎn)，既可以檢測(cè)固體、液體或氣體樣品，也可以對(duì)無機(jī)物、有機(jī)物、聚合物、配位化合物等進(jìn)行定性或定量分析，可以對(duì)未知物進(jìn)行檢測(cè)，并能對(duì)弱輻射光譜目標(biāo)物體實(shí)施有效探測(cè)，使得其在監(jiān)視全球污染與災(zāi)害、探測(cè)中層大氣微量成分以及未知物的探測(cè)與識(shí)別等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外一些著名的科研機(jī)構(gòu)開始了傅里葉變換光譜儀的研究。

2.1 時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀

時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀主要基于Michelson干涉儀原理，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)反射鏡掃描產(chǎn)生光程差，實(shí)現(xiàn)光在頻率域的調(diào)制，經(jīng)過雙光束干涉得到干涉圖。掃描動(dòng)鏡的驅(qū)動(dòng)方式有靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)以及熱電驅(qū)動(dòng)等。

2009年，法國國家科學(xué)研究院和以色列特拉維夫大學(xué)的R. Grille和T. Lewi等人合作研究了基于角反射鏡的時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀。如圖2所示，干涉系統(tǒng)基于Michelson干涉儀原理，所不同的是使用了兩個(gè)離軸的角反射鏡代替了原來的定鏡和掃描動(dòng)鏡，這樣可以降低兩個(gè)反射鏡的旋轉(zhuǎn)精度要求。系統(tǒng)采用黑體作為光源，輻射光首先經(jīng)過一個(gè)斬波器進(jìn)行調(diào)制，之后通過一個(gè)拋物面鏡進(jìn)入干涉系統(tǒng)，干涉系統(tǒng)中使用了兩個(gè)KBr分束器，便于使用激光器對(duì)干涉系統(tǒng)進(jìn)行參考定位和進(jìn)行單色測(cè)量，動(dòng)鏡的掃描距離為2mm，掃描精度為70nm，系統(tǒng)的工作波段為5μm-7μm，光譜分辨率為10cm-1。

同一年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)Lei Wu和Andrea Pais等人研制了基于靜電驅(qū)動(dòng)MEMS反射鏡的時(shí)間調(diào)制傅里葉變換光譜儀。如圖3所示，動(dòng)靜驅(qū)動(dòng)裝置由兩個(gè)剛性框架和三個(gè)Al/SiO2雙壓電晶片串聯(lián)組成，可對(duì)掃描動(dòng)鏡進(jìn)行傾斜和橫向偏移補(bǔ)償，動(dòng)靜掃描范圍為261μm，分辨率為19.2cm-1。

2010年，美國克羅拉多大學(xué)和波蘭托倫哥白尼大學(xué)Florian Adler， Piotr Mas1owski等人合作提出了基于寬譜段頻率梳的中波紅外傅里葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，頻率梳的中心頻率從2 100cm-1到3 600cm-1（約為2.8μm-4.8μm）范圍內(nèi)可調(diào)，其模間隔為136MHz，實(shí)時(shí)光譜覆蓋范圍在2 300cm-1時(shí)為50cm-1，在3 500cm-1時(shí)為400cm-1。一個(gè)波長780nm的銣半導(dǎo)體激光器被耦合到光路中用來對(duì)光譜信號(hào)的頻率進(jìn)行校正。系統(tǒng)光譜分辨率優(yōu)于0.056cm-1。

2011年，德國布萊梅大學(xué)和德國光電研究中心的Vladislav Jovanov和Eerke Bunte等人合作提出了基于Fabry-Perot干涉儀和超薄部分透射光電探測(cè)器的透明傅里葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)將一個(gè)由兩個(gè)低反射率平行反射鏡組成的Fabry-Perot干涉儀和一個(gè)部分透射光電探測(cè)器進(jìn)行集成，這種超薄部分透射光電探測(cè)器為系統(tǒng)的核心部件，是由兩層透射傳導(dǎo)氧化層和p-i-n光電二極管組成。通過改變兩個(gè)平行反射鏡之間的距離實(shí)現(xiàn)光的調(diào)制，產(chǎn)生的干涉圖被位于Fabry-Perot干涉儀之后的光電二極管所記錄。系統(tǒng)的光譜范圍為380nm -680nm，光譜分辨率為2.8cm-1。

2013年，美國空間動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室和NASA蘭勒研究中心的Harri Latvakoski和Martin G. Mlynczak等人合作研制了用于在大氣對(duì)流層測(cè)地球熱輻射光譜的長波紅外傅立葉變換光譜儀。這是迄今為止唯一能夠在地球軌道直接觀測(cè)地球長波紅外光譜的光譜儀，儀器結(jié)構(gòu)如圖6所示。儀器基于傳統(tǒng)Michelson干涉儀原理，系統(tǒng)干涉圖使用雙邊采樣的方式，動(dòng)鏡的掃描范圍約為±0.78cm，即最大光程差約為1.55cm，采樣周期約為15s，為了提高采樣精度，系統(tǒng)中使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的He-Ne激光器對(duì)采樣位置進(jìn)行了定位。

2014年，德國魯爾大學(xué)的Jie Lin， Carsten Kotting等人報(bào)道了基于傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的改進(jìn)型傅立葉變換光譜儀。采樣室通過一個(gè)XeCl激光控制反應(yīng)的開始和關(guān)閉。系統(tǒng)可以通過反射鏡組的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)多譜段的探測(cè)。系統(tǒng)工作的中心波長為1 143cm-1。

在國內(nèi)研究方面，2009年，西安交通大學(xué)和西安光機(jī)所合作提出了基于楔形棱鏡的時(shí)間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用可移動(dòng)的楔形棱鏡代替了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的掃描動(dòng)鏡，使用一個(gè)固定楔形棱鏡進(jìn)行光程差的補(bǔ)償，兩個(gè)楔形棱鏡所用材料相同，為了補(bǔ)償由于兩個(gè)楔形棱鏡所帶來的色散，在分束系統(tǒng)和另一路平面反射鏡之間插入了一塊補(bǔ)償板。由于系統(tǒng)光程差小于楔形棱鏡移動(dòng)距離的兩倍，因此系統(tǒng)對(duì)于光程差的非均勻采樣的靈敏度要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Michelson干涉儀。系統(tǒng)工作波段為可見光波段。

時(shí)間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀具有光譜分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度的光譜測(cè)量，目前對(duì)這類光譜儀的研究已經(jīng)比較成熟，很多都已經(jīng)投入市場(chǎng)應(yīng)用。但是該結(jié)構(gòu)需要精密的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得儀器的體積和重量大幅增加，同時(shí)系統(tǒng)的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性較差，對(duì)于快速變化的目標(biāo)物體不能實(shí)施有效的檢測(cè)。

2.2 空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀

空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀是隨著面陣探測(cè)器的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的，系統(tǒng)不含可動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀從一出現(xiàn)就得到了人們的極大關(guān)注。1992年，德國科學(xué)家J. Linkemann 等人將傳統(tǒng)Michelson干涉儀中掃描動(dòng)鏡用傾斜平面鏡代替，從而實(shí)現(xiàn)了光程差的空間調(diào)制，獲得了靜態(tài)雙光束干涉模型的干涉圖。該結(jié)構(gòu)成功去除了掃描動(dòng)鏡及其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但存在一個(gè)顯著缺點(diǎn)是在干涉圖的采樣過程中能量利用率過低。此后不久，美國科學(xué)家K. D. Moller對(duì)這一問題進(jìn)行了深入的分析和討論，并給出了一種基于多級(jí)微反射鏡的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，有效解決了這一問題。

2002年，日本北海道大學(xué)的Gao Zhan提出了基于三角共光路干涉儀和兩個(gè)完全相同球面反射鏡的靜態(tài)反射式傅立葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于系統(tǒng)中的兩個(gè)球面反射鏡能折疊光程差，因此系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，除了分束器之外，系統(tǒng)全部采用反射式結(jié)構(gòu)，因此可以覆蓋較長的工作波段。系統(tǒng)工作波段為380nm-1 100nm，系統(tǒng)的光譜分辨率為329cm-1。

2005年，法國巴黎南大學(xué)法和法國國家航空航天研究部門合作研究了用于戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)和地表物質(zhì)輻射探測(cè)的制冷型空間調(diào)制傅立葉變換紅外光譜儀。如圖8所示，該儀器基于傳統(tǒng)Michelson干涉儀原理，結(jié)合離軸四反或離軸六反系統(tǒng)，由于系統(tǒng)除分束器外全使用全反射式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有較寬的工作波段，為2.9μm-9.6μm，系統(tǒng)的光譜分辨率優(yōu)于8cm-1（7nm@2.9μm， 70nm@9.6μm）。

2011年，法國國家航空航天局和巴黎南大學(xué)的Frédéric Gillard和Sidonie Lefebvre等人提出了一種利用光楔產(chǎn)生光程差的靜態(tài)傅立葉變換光譜儀。如圖9所示，該結(jié)構(gòu)將一個(gè)紅外面陣列探測(cè)器與楔形棱鏡進(jìn)行集成，利用光楔產(chǎn)生光程差，可以用于紅外探測(cè)。首先，在CdZnTe基底上對(duì)HgCdTe二極管進(jìn)行沉積，再將 CdZnTe基底加工成楔形。經(jīng)過兩次折射的光與經(jīng)過兩次反射的光在HgCdTe與CdZnTe界面處相干，形成干涉條紋。二極管產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)銦片傳輸，最后由讀出電路輸出。HgCdT紅外探測(cè)器的像元數(shù)為320×256，像元尺寸為30μm×30μm，探測(cè)光譜范圍為3-5μm，光譜分辨率為16cm-1。

2013年，華盛頓大學(xué)的Chu-Yu Huang和 Wei-Chih Wang提出了基于雙折射直角棱鏡的空間調(diào)制傅立葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)原理如圖10所示，直角棱鏡由單軸雙折射材料制作而成。一個(gè)位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)上的針孔光闌被用來產(chǎn)生點(diǎn)光源，準(zhǔn)直光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和雙折射棱鏡之間的偏光鏡之后變成與豎直方向成45°的偏振光，光束經(jīng)過直角棱鏡后產(chǎn)生90°反轉(zhuǎn)，之后經(jīng)過一個(gè)與豎直方向成45°的檢偏鏡對(duì)被雙折射棱鏡分開的兩束偏振光進(jìn)行重組，產(chǎn)生的干涉圖被記錄在一個(gè)線陣CCD上。系統(tǒng)的中心波長為640nm，光譜分辨率為0.2nm。

國內(nèi)研究方面，2009年，華東電子測(cè)量儀器研究所和中北大學(xué)合作研究了基于等效斜楔干涉具和線陣CCD 的小型靜態(tài)傅立葉變換光譜儀，其光學(xué)部分由一個(gè)柱面鏡和等效斜楔干涉具組成，等效斜楔干涉具由一個(gè)等腰直角棱鏡和一個(gè)非等腰直角棱鏡膠合而成，通過兩個(gè)棱鏡反射面角度的不同實(shí)現(xiàn)光程差的調(diào)制而產(chǎn)生干涉圖。系統(tǒng)工作波長范圍為400nm-1 100nm，光譜分辨率為1.17nm@400nm和8.85nm@1 100nm。

2011年，上海技物所研究了一種基于視場(chǎng)補(bǔ)償雙折射棱鏡的靜態(tài)傅立葉變換光譜儀，系統(tǒng)用一個(gè)Savart偏光鏡取代了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的分束系統(tǒng)。Savart偏光鏡由兩個(gè)外形尺寸完全一致的單軸晶體平行平板按45°光軸相互垂直膠合而成，如圖11所示，光束經(jīng)過Savart偏光鏡之后產(chǎn)生雙折后被分成具有特定相位差的相互平行的兩束光，經(jīng)匯聚透鏡之后在探測(cè)器上獲得干涉圖。儀器的工作波段為400 nm-1 100nm，光譜分辨率為55cm-1。

2013年，重慶大學(xué)的陳建軍和朱永等提出了一種基于MEMS微鏡的小型化傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用了可編程MEMS微鏡和一個(gè)改進(jìn)型的Michelson干涉儀，去除了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的動(dòng)鏡掃描系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖12所示。準(zhǔn)直光束經(jīng)干涉系統(tǒng)調(diào)制之后產(chǎn)生干涉圖，可編程MENMS微鏡將不同光程差的相干光反射到不同的單點(diǎn)探測(cè)器上被記錄下來得到干涉圖。系統(tǒng)光譜范圍600nm-1 750 nm，光譜分辨率20cm-1。

2014年，北京理工大學(xué)的廉玉生和廖寧放等提出了一種光譜分辨率可調(diào)的空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用兩個(gè)角反射鏡代替了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀中的定鏡和掃描動(dòng)鏡，從狹縫上出射的具有相同角度的光被角反射鏡橫向剪切為兩部分，之后聚焦到焦平面探測(cè)器上，兩橫向剪切光束的光程差隨狹縫光束出射角的變化而變化，從而在探測(cè)器上得到干涉圖。系統(tǒng)可以通過旋轉(zhuǎn)分束器來改變兩束相干光的最大光程差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器分辨率的調(diào)節(jié)。

空間調(diào)制傅立葉變換紅譜儀依靠空間位置的不同產(chǎn)生光程差形成空間序列的干涉圖，其內(nèi)部不含可動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)性測(cè)量。目前，國內(nèi)外對(duì)這類光譜儀的開發(fā)尚處于理論研究階段，且多集中在可見近紅外波段。為滿足科學(xué)界與工業(yè)界對(duì)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、緊湊型的紅外光譜儀的迫切需求，國內(nèi)外紛紛開展了微小型靜態(tài)紅外光譜儀方面的研究。

3 結(jié) 語

綜上所述，本文詳細(xì)調(diào)研了傅立葉變換光譜儀的研究進(jìn)展和不同類型傅立葉變換光譜儀的光譜信息獲取分析的原理，為以后的新型傅立葉變換光譜儀的研制奠定了重要的基礎(chǔ)。

主要參考文獻(xiàn)

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