傅立叶变换光谱仪的研究现状与光谱信息分析原理
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（1.东北师范大学附属中学，长春 130000 ；2.中国科学院大学，北京 100000）
[摘 要] 近年来，随着一些高新科学技术领域的出现和发展，如空间探测、资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学、生物工程、现代医学、纳米科技等领域的科学研究和工程应用，由于其特殊的应用环境和使用需求，对于傅立叶变换红外光谱仪器提出了迫切的使用需求。本文针对傅立叶变换光谱仪进行了深入的调研并详细分析了傅立叶变换红外光谱仪捕获的研究现状与光谱信息分析原理，为未来科研人员研制新型傅立叶变换红外光谱仪提供原理与技术支持。
[关键词] 红外光谱仪；光谱信息；信息处理
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 05. 043
[中图分类号] O433.1；O438.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）05- 0079- 05
红外光谱可以用于定性分析，也可以用于定量分析，还可以对未知物进行剖析。红外光谱的应用范围十分广泛，可以说，对于任何样品，都可以得到一张红外光谱。对固体、液体或气体样品，对单一组分的纯净物和多种组分的混合物都可以用红外光谱进行测定。红外光谱可以用于有机物、无机物、聚合物、配位化合物的分析，也可以用于复合材料、木材、粮食、饰品、土壤、岩石、各种矿物、包裹体等的分析。因此，红外光谱是科研和工程领域必不可少的分析技术，在化工、冶金、地矿、石油、煤炭、医药、环境、农业、海关、宝石鉴定、文物、公检法等领域得到了广泛的应用。光谱信息的采集与分析主要使用光谱仪实现。光谱仪可实现对物质结构及组分进行高精度光谱分析，是现代化科技至关重要的基本检测工具和精密分析手段。光谱仪基于光的空间色散原理或调制干涉原理，将光按一定的规律进行不同频率的分解，通过对光的各个波长进行能量测定，即辐射波长能量分布特性，将不同波长或频率的光强度分布记录为光谱图。根据工作原理不同，可将光谱仪分为三类：色散型光谱仪，滤光片型光谱仪和傅里叶变换光谱仪。滤光片型光谱仪不能获得足够宽的光谱范围，其实际应用范围也非常有限，相比于色散型光谱仪，傅里叶变换光谱仪具有高通量和多通道的固有优点。
近年来，随着一些高新科学技术领域的出现和发展，如空间探测、资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学、生物工程、现代医学、纳米科技等领域的科学研究和工程应用，由于其特殊的应用环境和使用需求，对于光谱仪提出了迫切的使用需求。本文针对傅立叶变换光谱仪进行了深入的调研并详细分析了傅立~变换红外光谱仪捕获的研究现状与光谱信息分析原理，为未来科研人员研制新型傅立叶变换红外光谱仪提供原理与技术支持。
1 傅立叶变换光谱仪
光谱仪是用于测定被研究的光辐射的频率特性、强度特性及其变化规律的光学仪器。光谱仪器应用光学空间色散原理或光学调制干涉原理，将被研究的不同频率成分的光辐射按照一定的规律分解，通过测定各个波长的光辐射所具有的能量，即辐射能量按波长的分布特性，把分解的光辐射强度按照波长或频率的分布记录和显示为光谱图。
1.1 光谱仪器的分类与组成
光谱仪器按照其光谱分解的工作原理的不同，可以将其分为空间色散光谱仪和调制干涉光谱仪。空间色散光谱仪是基于空间色散原理实现光谱分离的，而调制干涉光谱仪是建立在调制干涉原理上实现光谱分离的。空间色散光谱仪根据分光元件的不同，又可以分为棱镜色散光谱仪、光栅色散光谱仪和多光束干涉色散光谱仪；调制干涉光谱仪根据调制方式的不同，又可以分为时间调制干涉光谱仪和空间调制干涉光谱仪。以上几种类型光谱仪器的典型结构如图1所示。
1.2 傅里叶变换光谱仪
傅里叶变换光谱仪是光谱仪重要的分支，其工作过程主要分为两步：第一步是将目标物体的辐射光经干涉系统进行频率域的调制，产生干涉图；第二步是通过对干涉图进行傅里叶变换得到目标物体的光谱。干涉图和复原光谱之间的傅里叶变换关系也是傅里叶变换光谱仪这一名称的由来。干涉图通过扫描动静和定镜反射的具有一定光程差的两束光发生干涉获得，入射光信号被一个与扫描动静位置有关的函数所调制。
2 傅立叶变换光谱仪的发展现状
傅立叶变换光谱技术在其出现的一百多年间得到了迅猛的发展，特别是20世纪60年代以后，随着计算机技术的不断进步和快速傅里叶变换算法的发现和传播，让傅里叶变换光谱仪完成了从实验室到实际工程应用的完美转身。传统拉曼光谱仪中使用的光电倍增管或硅光电二极管在1 000nm波长处效率为零。而傅里叶变换光谱仪能够有效的对中波红外的拉曼光谱进行测量，有效的弥了补这一空缺，充分的体现了傅里叶变换光谱仪在弱辐射探测领域的巨大优势和应用潜质。
傅立叶变换光谱仪按调制原理可以分为时间调制型和空间调制型两种。其具有多通道、高通量、波数示数精度高和杂散光低等优点，既可以检测固体、液体或气体样品，也可以对无机物、有机物、聚合物、配位化合物等进行定性或定量分析，可以对未知物进行检测，并能对弱辐射光谱目标物体实施有效探测，使得其在监视全球污染与灾害、探测中层大气微量成分以及未知物的探测与识别等方面有着广阔的应用前景。因此，自20世纪80年代开始，国内外一些著名的科研机构开始了傅里叶变换光谱仪的研究。
2.1 时间调制型傅里叶变换光谱仪
时间调制型傅里叶变换光谱仪主要基于Michelson干涉仪原理，通过驱动系统推动反射镜扫描产生光程差，实现光在频率域的调制，经过双光束干涉得到干涉图。扫描动镜的驱动方式有静电驱动、电磁驱动以及热电驱动等。
2009年，法国国家科学研究院和以色列特拉维夫大学的R. Grille和T. Lewi等人合作研究了基于角反射镜的时间调制型傅里叶变换光谱仪。如图2所示，干涉系统基于Michelson干涉仪原理，所不同的是使用了两个离轴的角反射镜代替了原来的定镜和扫描动镜，这样可以降低两个反射镜的旋转精度要求。系统采用黑体作为光源，辐射光首先经过一个斩波器进行调制，之后通过一个抛物面镜进入干涉系统，干涉系统中使用了两个KBr分束器，便于使用激光器对干涉系统进行参考定位和进行单色测量，动镜的扫描距离为2mm，扫描精度为70nm，系统的工作波段为5μm-7μm，光谱分辨率为10cm-1。
同一年，美国佛罗里达大学Lei Wu和Andrea Pais等人研制了基于静电驱动MEMS反射镜的时间调制傅里叶变换光谱仪。如图3所示，动静驱动装置由两个刚性框架和三个Al/SiO2双压电晶片串联组成，可对扫描动镜进行倾斜和横向偏移补偿，动静扫描范围为261μm，分辨率为19.2cm-1。
2010年，美国克罗拉多大学和波兰托伦哥白尼大学Florian Adler， Piotr Mas1owski等人合作提出了基于宽谱段频率梳的中波红外傅里叶变换光谱仪。其结构如图4所示，频率梳的中心频率从2 100cm-1到3 600cm-1（约为2.8μm-4.8μm）范围内可调，其模间隔为136MHz，实时光谱覆盖范围在2 300cm-1时为50cm-1，在3 500cm-1时为400cm-1。一个波长780nm的铷半导体激光器被耦合到光路中用来对光谱信号的频率进行校正。系统光谱分辨率优于0.056cm-1。
2011年，德国布莱梅大学和德国光电研究中心的Vladislav Jovanov和Eerke Bunte等人合作提出了基于Fabry-Perot干涉仪和超薄部分透射光电探测器的透明傅里叶变换光谱仪。其结构如图5所示，系统将一个由两个低反射率平行反射镜组成的Fabry-Perot干涉仪和一个部分透射光电探测器进行集成，这种超薄部分透射光电探测器为系统的核心部件，是由两层透射传导氧化层和p-i-n光电二极管组成。通过改变两个平行反射镜之间的距离实现光的调制，产生的干涉图被位于Fabry-Perot干涉仪之后的光电二极管所记录。系统的光谱范围为380nm -680nm，光谱分辨率为2.8cm-1。
2013年，美国空间动力实验室和NASA兰勒研究中心的Harri Latvakoski和Martin G. Mlynczak等人合作研制了用于在大气对流层测地球热辐射光谱的长波红外傅立叶变换光谱仪。这是迄今为止唯一能够在地球轨道直接观测地球长波红外光谱的光谱仪，仪器结构如图6所示。仪器基于传统Michelson干涉仪原理，系统干涉图使用双边采样的方式，动镜的扫描范围约为±0.78cm，即最大光程差约为1.55cm，采样周期约为15s，为了提高采样精度，系统中使用了一个标准的He-Ne激光器对采样位置进行了定位。
2014年，德国鲁尔大学的Jie Lin， Carsten Kotting等人报道了基于传统迈克尔逊干涉仪的改M型傅立叶变换光谱仪。采样室通过一个XeCl激光控制反应的开始和关闭。系统可以通过反射镜组的移动实现多谱段的探测。系统工作的中心波长为1 143cm-1。
在国内研究方面，2009年，西安交通大学和西安光机所合作提出了基于楔形棱镜的时间调制型傅立叶变换光谱仪。系统使用可移动的楔形棱镜代替了传统Michelson干涉仪中的扫描动镜，使用一个固定楔形棱镜进行光程差的补偿，两个楔形棱镜所用材料相同，为了补偿由于两个楔形棱镜所带来的色散，在分束系统和另一路平面反射镜之间插入了一块补偿板。由于系统光程差小于楔形棱镜移动距离的两倍，因此系统对于光程差的非均匀采样的灵敏度要远低于传统Michelson干涉仪。系统工作波段为可见光波段。
时间调制型傅立叶变换光谱仪具有光谱分辨率高的优点，可实现高精度的光谱测量，目前对这类光谱仪的研究已经比较成熟，很多都已经投入市场应用。但是该结构需要精密的驱动机构，使得仪器的体积和重量大幅增加，同时系统的可重复性、稳定性和实时性较差，对于快速变化的目标物体不能实施有效的检测。
2.2 空间调制型傅立叶变换光谱仪
空间调制型傅立叶变换光谱仪是随着面阵探测器的飞速发展而出现的，系统不含可动部件，具有结构紧凑，稳定性强，实时性好等优点。因此，空间调制型傅立叶变换光谱仪从一出现就得到了人们的极大关注。1992年，德国科学家J. Linkemann 等人将传统Michelson干涉仪中扫描动镜用倾斜平面镜代替，从而实现了光程差的空间调制，获得了静态双光束干涉模型的干涉图。该结构成功去除了扫描动镜及其驱动结构，但存在一个显著缺点是在干涉图的采样过程中能量利用率过低。此后不久，美国科学家K. D. Moller对这一问题进行了深入的分析和讨论，并给出了一种基于多级微反射镜的改进结构，有效解决了这一问题。
2002年，日本北海道大学的Gao Zhan提出了基于三角共光路干涉仪和两个完全相同球面反射镜的静态反射式傅立叶变换光谱仪。其结构如图7所示，由于系统中的两个球面反射镜能折叠光程差，因此系统具有紧凑的结构。同时，除了分束器之外，系统全部采用反射式结构，因此可以覆盖较长的工作波段。系统工作波段为380nm-1 100nm，系统的光谱分辨率为329cm-1。
2005年，法国巴黎南大学法和法国国家航空航天研究部门合作研究了用于战场探测和地表物质辐射探测的制冷型空间调制傅立叶变换红外光谱仪。如图8所示，该仪器基于传统Michelson干涉仪原理，结合离轴四反或离轴六反系统，由于系统除分束器外全使用全反射式结构，系统具有较宽的工作波段，为2.9μm-9.6μm，系统的光谱分辨率优于8cm-1（7nm@2.9μm， 70nm@9.6μm）。
2011年，法国国家航空航天局和巴黎南大学的Frédéric Gillard和Sidonie Lefebvre等人提出了一种利用光楔产生光程差的静态傅立叶变换光谱仪。如图9所示，该结构将一个红外面阵列探测器与楔形棱镜进行集成，利用光楔产生光程差，可以用于红外探测。首先，在CdZnTe基底上对HgCdTe二极管进行沉积，再将 CdZnTe基底加工成楔形。经过两次折射的光与经过两次反射的光在HgCdTe与CdZnTe界面处相干，形成干涉条纹。二极管产生的信号经铟片传输，最后由读出电路输出。HgCdT红外探测器的像元数为320×256，像元尺寸为30μm×30μm，探测光谱范围为3-5μm，光谱分辨率为16cm-1。
2013年，华盛顿大学的Chu-Yu Huang和 Wei-Chih Wang提出了基于双折射直角棱镜的空间调制傅立叶变换光谱仪。其结构原理如图10所示，直角棱镜由单轴双折射材料制作而成。一个位于准直透镜焦点上的针孔光阑被用来产生点光源，准直光束经过准直透镜和双折射棱镜之间的偏光镜之后变成与竖直方向成45°的偏振光，光束经过直角棱镜后产生90°反转，之后经过一个与竖直方向成45°的检偏镜对被双折射棱镜分开的两束偏振光进行重组，产生的干涉图被记录在一个线阵CCD上。系统的中心波长为640nm，光谱分辨率为0.2nm。
国内研究方面，2009年，华东电子测量仪器研究所和中北大学合作研究了基于等效斜楔干涉具和线阵CCD 的小型静态傅立叶变换光谱仪，其光学部分由一个柱面镜和等效斜楔干涉具组成，等效斜楔干涉具由一个等腰直角棱镜和一个非等腰直角棱镜胶合而成，通过两个棱镜反射面角度的不同实现光程差的调制而产生干涉图。系统工作波长范围为400nm-1 100nm，光谱分辨率为1.17nm@400nm和8.85nm@1 100nm。
2011年，上海技物所研究了一种基于视场补偿双折射棱镜的静态傅立叶变换光谱仪，系统用一个Savart偏光镜取代了传统Michelson干涉仪中的分束系统。Savart偏光镜由两个外形尺寸完全一致的单轴晶体平行平板按45°光轴相互垂直胶合而成，如图11所示，光束经过Savart偏光镜之后产生双折后被分成具有特定相位差的相互平行的两束光，经汇聚透镜之后在探测器上获得干涉图。仪器的工作波段为400 nm-1 100nm，光谱分辨率为55cm-1。
2013年，重庆大学的陈建军和朱永等提出了一种基于MEMS微镜的小型化傅立叶变换光谱仪。系统使用了可编程MEMS微镜和一个改进型的Michelson干涉仪，去除了传统Michelson干涉仪中的动镜扫描系统，其Y构原理如图12所示。准直光束经干涉系统调制之后产生干涉图，可编程MENMS微镜将不同光程差的相干光反射到不同的单点探测器上被记录下来得到干涉图。系统光谱范围600nm-1 750 nm，光谱分辨率20cm-1。
2014年，北京理工大学的廉玉生和廖宁放等提出了一种光谱分辨率可调的空间调制型傅立叶变换光谱仪。系统使用两个角反射镜代替了传统迈克尔逊干涉仪中的定镜和扫描动镜，从狭缝上出射的具有相同角度的光被角反射镜横向剪切为两部分，之后聚焦到焦平面探测器上，两横向剪切光束的光程差随狭缝光束出射角的变化而变化，从而在探测器上得到干涉图。系统可以通过旋转分束器来改变两束相干光的最大光程差，从而实现对仪器分辨率的调节。
空间调制傅立叶变换红谱仪依靠空间位置的不同产生光程差形成空间序列的干涉图，其内部不含可动部件，具有结构稳定的优点，并且可以实现对对目标的实时性测量。目前，国内外对这类光谱仪的开发尚处于理论研究阶段，且多集中在可见近红外波段。为满足科学界与工业界对能实时监测、紧凑型的红外光谱仪的迫切需求，国内外纷纷开展了微小型静态红外光谱仪方面的研究。
3 结 语
综上所述，本文详细调研了傅立叶变换光谱仪的研究进展和不同类型傅立叶变换光谱仪的光谱信息获取分析的原理，为以后的新型傅立叶变换光谱仪的研制奠定了重要的基础。
主要参考文献
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[5]R Grille，T Lewi，P Kern，et al.An Mid-infrared Fourier-transform Spectrometer Applied to Modal Characterization of Silver Halide Fiber [C]//Fourier Transform Spectroscopy（FTS）Conference，2009.