基于光柵信號控制干涉圖數據采樣方法研究

任興

摘 要：本文介紹了紅外光譜儀的發展，給出常用He-Ne激光控制干涉圖采樣的方法，并提出了一種基于光柵信號控制采樣的方法。在傅里葉變換紅外光譜儀中，干涉儀是其核心部件。紅外光譜圖由干涉圖進行傅里葉逆變換得到，必須對等距離光程差采樣才能得到完整干涉圖。光柵柵距與位移一一對應關系，不僅保證了等光程差采樣，而且光柵副與干涉儀集成，便于紅外光譜儀系統小型化。

關鍵詞：傅里葉變換紅外光譜儀 光柵信號 干涉圖 He-Ne激光 等光程差

中圖分類號： TH744.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

紅外光譜儀是進行光譜學研究和物質光譜分析的儀器，通過對光譜的測量來完成對光源的分析、材料光學屬性測試和物質成分的鑒定。隨著計算機、激光、光電子學及先進加工工藝的不斷發展和引入，并伴隨光譜學與化學計量技術的有機結合，使得光譜學快速發展，紅外光譜儀的性能不斷提高且應用領域不斷擴大。紅外光譜儀作為紅外光譜技術的應用載體，因其操作簡便、快速、非破壞性以及多組分同時定量分析測試等優勢，廣泛應用于民用、工業和軍用領域，例如各種生物檢測、生物化學分析、天文研究、工業自動檢測等，能夠對物質的輻射進行研究、對物質的吸光屬性研究、對物質的結構研究以及物質的定性和定量光譜分析等。

1 紅外光譜儀發展

20世紀50年代，出現了第一臺紅外光譜儀是基于棱鏡對紅外輻射色散實現的分光，不過棱鏡材料容易吸水潮解，使用時需恒溫恒濕，而且分辨率低，造價高。20世紀60年代隨著光柵技術的出現和發展，利用光柵分光原理制成第二代紅外光譜儀，它比棱鏡式能量高、分辨率高、價格便宜、使用條件低，但是儀器掃描速度慢，應用受到限制。20世紀70年代，傅里葉變換紅外光譜儀問世。它是基于光的空間相干性原理而設計，不同于色散型棱鏡和光柵型光譜儀，傅里葉變換紅外光譜儀被稱作第三代紅外光譜儀。

傅里葉變換紅外光譜儀具有以下特點：（1）測量速度快。動鏡掃描一次的時間大約為1秒，這其中包含了光源的所有信息。這種快速的掃描方式可以快速跟蹤化學反應，在線監測氣體和液體的樣品。（2）靈敏度高。傅里葉變換紅外光譜儀測量數據時使用整個光源的波段測量，信號強度大，通過調節掃描次數可增加信噪比。（3）分辨率高。分辨率是指分辨兩條譜線的能力，傅里葉變換紅外光譜儀的分辨率取決于動鏡移動的最長距離，動鏡移動的距離越長，分辨率越高。（4）測定范圍寬。光源和分光鏡決定了整個光譜儀的測量范圍，現在紅外光譜儀可以研究整個紅外區的光譜（12800～10cm-1）。

傅里葉變換紅外光譜儀，簡稱FTIR。具體結構如圖1所示。

傅里葉變換紅外光譜儀包括光源系統、干涉儀、探測器、信號采集與處理系統及計算機五部分。光譜儀可分為開放式和封閉式兩種，開放式傅里葉變換紅外光譜儀前置望遠鏡，用于接收外界的光線，適用于遙測，既可測未知光線的波長，又可測被測區域的物質信息。區別于開放式光譜儀，封閉式光譜儀有獨立的內置光源，可進行定性和定量分析。

不論開放式光譜儀還是封閉式光譜儀，從外界環境接受的光還是內置光源發出的光，經過匯聚后平行入射干涉儀，轉變為干涉光后照射樣本，通過探測器接收經過樣本后的干涉光強，從光信號轉變成為電信號，由信號采集系統控制采集，得到帶有樣本信息的干涉光信號，最后送入計算機進行傅里葉變換得到光譜圖。

從紅外光譜圖可以測出已知或未知光源的波長，因此紅外光譜圖的完整與否是一個非常重要的部分。紅外光譜儀中最重要的部件是干涉儀，干涉儀性能的優劣直接決定了紅外光譜儀的參數指標。紅外光譜圖由干涉圖傅里葉逆變換得到，光譜學基本方程為：

H（σ）表示波數為σ單色光源的光強，I（δ）表示光程差為δ時，探測器檢測到的信號強度。從上面的基本方程可以看出在干涉儀動鏡移動過程中，每一個無限小的光程差都要采集數據才能得到干涉圖，因此必須在動鏡移動過程中在相等距離位置上采集數據，由這些數據點組成干涉圖，然后對這個干涉圖進行傅里葉逆變換得到紅外光譜圖。實際中，不可能在無線小的光程差采樣，只能在比較小的相等距離位置上采樣，即等光程差采樣。根據紅外光譜儀等光程差采樣的要求，本文提出了基于光柵控制采樣的方法。

2 He-Ne激光控制采集干涉信號

干涉信號的采樣一般是用He-Ne激光器控制的，如圖2所示。

所設計的干涉儀為雙角鏡差動干涉儀，干涉儀系統由光源發出光線光經過分束鏡，分成透射光和反射光，這兩路光線經過定鏡反射后，入射到背靠背兩個雙角鏡，雙角鏡由四面鏡子組成，互相成90°。光線經過雙角鏡反射，返回分束鏡發生干涉，干涉信號由探測器接收。兩個角鏡同時固定在基座上，基座與絲杠配合，由電機帶動絲杠螺母，把旋轉運動轉換成直線運動，從而兩路光線產生光程差。

因為He-Ne激光的頻率穩定，光譜帶寬非常窄，相干性很好，得到的干涉圖認為是一個標準的余弦波。在采集數據時，用He-Ne激光干涉信號的一個或者半個余弦波作為觸發信號，觸發數據采集卡采集干涉圖樣，認為是等光程差采樣。從圖1可看出，在干涉儀中加入He-Ne激光干涉系統，增加了系統的復雜性，并且He-Ne激光器的體積較大，不利于整個系統小型化。

3 光柵信號控制采集干涉信號

由于He-Ne激光器體積大，并使整個系統復雜，考慮到干涉光等光程差采樣的要求，本文提出了一種基于光柵信號控制干涉信號采樣的方法。

光柵是刻畫在玻璃尺或金屬尺上，類似于刻線標尺或度盤那樣的密集刻線，可以測量長度（或直線位移）和角度（或角位移）。利用光柵的莫爾條紋現象進行精密測量的光柵成為計量光柵。計量光柵按照用途有圓光柵和長光柵之分，用于測量角度或者角位移的光柵成為圓光柵，用來測量長度或者直線位移的光柵稱為長光柵。按光線的走向分為透射光柵和反射光柵，本設計中使用透射式長光柵傳感器。傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。當標尺光柵和指示光柵之間有相對移動時，光柵上會出現莫爾條紋，光電元件上會接收到明暗相間的條紋經過電路處理，產生數字信號輸出。

光柵傳感器具有如下特點：①精度高。光柵式傳感器測量大位移或者大長度時，具有很高精度。②大量程測量兼有高分辨力。光柵傳感器的柵距后續可進行電路細分，可達到5nm的分辨率。③可實現動態測量。光柵副之間只要發生相對移動，便會輸出數字脈沖信號，利用這個脈沖信號可進行動態測量。④具有較強的抗干擾能力。光柵傳感器主要用于實驗條件下，也可以在環境較好的車間中使用。

光柵副之間的相對移動量與位移有著嚴格的一一對應關系，設計光柵讀數頭與動鏡座固定，光柵尺貼在底座上。當動鏡座移動時，讀數頭與光柵尺之間產生相對運動，光柵讀數頭移動一個柵距，輸出一個數字脈沖信號。用光柵輸出的數字信號作為數據采集卡的外部觸發源觸發采樣，實現干涉圖等光程差的采樣要求，可得到完整光譜圖。光柵傳感器不僅分辨率高，而且尺寸小，便于集成，有利于光譜儀系統小型化。光柵傳感器設計安裝如圖3所示。

4 結語

采用傳統He-Ne激光控制采集干涉信號使系統復雜，為了使傅里葉變換紅外光譜儀結構簡單、小型化，本文提出的利用光柵信號控制采集干涉信號的方法。該種方法對光譜儀的小型實用化具有非常重要的意義。

參考文獻

[1]翁詩甫.傅里葉變換紅外光譜儀[M].北京：化學工業出版社，2005：1～22.

[2]王明智.傅立葉紅外光譜儀（FTIR）的基本原理及其應用[J].科技風，2014，（6） .

[3]邱穎，陳兵，賈東升.紅外光譜技術應用的進展[J].環境科學導刊，2008.

[4]王建波.淺談傅立葉變換紅外光譜儀的原理及使用[J].科技風，2011，（18）.