CN101871816B - 模块化分体式Sagnac干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化分体式Sagnac干涉仪，包括由两块三棱镜胶合而成的立方棱镜和两块反射镜，立方棱镜的上下非通光面分别粘接玻璃垫板，其中一面的玻璃垫板上装有金属镜座，构成立方棱镜组件；两块反射镜分别装入各自的金属镜框中，构成两组反射镜组件；还包括箱体，箱体上设有立方棱镜组件和两组反射镜组件的安装孔；立方棱镜组件和两组反射镜组件分别装入所述箱体上对应的安装孔中，构成模块化分体式Sagnac干涉仪。各模块组合在一起后形成高稳定性的干涉仪整体，特别适合机载和星载Fourier变换成像光谱仪中使用。结构紧凑、加工装调工艺性好、稳定性和重复精度高、空间环境适应性好。

Description

模块化分体式Sagnac干涉仪

技术领域

本发明涉及一种Sagnac干涉仪，尤其涉及一种模块化分体式Sagnac干涉仪。

背景技术

Sagnac干涉仪是一种三角共光路的横向剪切干涉仪，由一片分束板和两片反射镜组成，两片反射镜关于分束板非对称放置，能够将一束入射平行光沿垂直于光轴的方向剪切为两束互相平行的相干光，相干光的光程差与Sagnac干涉仪的剪切量以及入射光的入射角有关，所以Sagnac干涉仪广泛用于干涉测量以及成像光谱仪中作为分光元件。

如图1所示，Sagnac干涉仪的原理是：图中S为狭缝，狭缝S内各点发出的平行光束入射到分束板BS上，被分束板BS分成两束光，分别为反射光束和透射光束，反射光束经反射镜M2、反射镜M1和分束板BS反射下行，透射光束经反射镜M1、反射镜M2和分束板BS透射下行，由于M2从与M1关于BS对称位置平移一段距离l’，使得下行的两束光不再重合，而是沿着垂直于光轴的方向产生一定距离，这两束光可以产生干涉，经过透镜L1后在像面P处产生干涉条纹。

在现有技术的干涉成像光谱仪中，Sagnac干涉仪可以采用实体式和分体式两种形式：

如图2a所示，实体式Sagnac干涉仪由两块半五角棱镜胶合而成，胶合面上镀分束膜，干涉仪外侧斜面镀反射膜，入射面和出射面镀增透膜。结构紧凑、稳定性好，但适用于入射光束孔径和入射角度不太大的情况，特别的，适用于工作在可见光和近红外波段；

如图2b所示，分体式Sagnac干涉仪由一块立方棱镜1和两块反射镜2、3构成，立方棱镜1由两块完全一样的三棱镜胶合而成，胶合面镀分束膜，入射面和出射面镀增透膜，反射镜面镀反射膜。两块反射镜2、3分别位于分束膜的两侧，与分束膜的夹角均为22.5°，两块反射镜2、3关于分束膜非对称放置。分体式Sagnac干涉仪虽然结构复杂，但适用光谱范围宽，可以延伸至短波红外波段，而且对于入射孔径和入射角的要求没有限制。

作为空间调制Fourier变换成像光谱仪的核心部件，Sagnac干涉仪的几何变形及其光学面形变化将导致干涉条纹调制度下降以及干涉条纹变形，造成成像光谱仪数据质量退化，影响成像光谱仪的正常使用。对于分体式Sagnac干涉仪来说，在干涉仪组合过程中，要保证各工作面的光学面形不会发生变形，还要保证在成像光谱仪工作过程中，两块反射镜面相对于分束板的距离和角度不会发生改变。

上述现有技术至少存在以下缺点：

由于分体Sagnac干涉仪由一块立方棱镜和两块反射镜组成，在实验室原理样机状态时，往往采用分立状态，即各光学元件分别夹持后，安装在一个共同的基座上，它们相互之间的位置和角度通过调整环节和精密仪器监测来实现。这种组合方式虽然加工简单、调整和维护方便，但结构不够紧凑、稳定性和重复性较差，对于振动、冲击等力学环境和温度环境的适应性也较差，不适于应用于机载和星载Fourier变换成像光谱仪中。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、加工装调工艺性好、稳定性和重复精度高、空间环境适应性好的模块化分体式Sagnac干涉仪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的模块化分体式Sagnac干涉仪，包括由两块三棱镜胶合而成的立方棱镜和两块反射镜，所述立方棱镜的上下非通光面分别粘接玻璃垫板，其中一面的玻璃垫板上装有金属镜座，构成立方棱镜组件；

所述两块反射镜分别装入各自的金属镜框中，构成两组反射镜组件；

还包括箱体，所述箱体上设有所述立方棱镜组件和两组反射镜组件的安装孔；

所述立方棱镜组件和两组反射镜组件分别装入所述箱体上对应的安装孔中，构成模块化分体式Sagnac干涉仪。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的模块化分体式Sagnac干涉仪，由于将干涉仪各光学元件形成安装模块，各模块组合在一起后形成高稳定性的干涉仪整体，特别适合机载和星载Fourier变换成像光谱仪中使用。结构紧凑、加工装调工艺性好、稳定性和重复精度高、空间环境适应性好。

附图说明

图1为现有技术中Sagnac干涉仪原理图；

图2a、图2b分别为现有技术中实体Sagnac干涉仪和分体Sagnac干涉仪的光学构成示意图；

图3a为本发明中立方棱镜组件的立面结构示意图；

图3b为图3a的A-A向剖视图；

图4a为本发明中反射镜组件的结构示意图；

图4b为本发明中反射镜组件的安装法兰的结构示意图；

图5a为本发明中箱体的结构示意图一；

图5b为本发明中箱体的结构示意图二；

图6a为本发明中模块化分体式Sagnac干涉仪的结构示意图一；

图6b为本发明中模块化分体式Sagnac干涉仪的结构示意图二。

具体实施方式

本发明的模块化分体式Sagnac干涉仪，其较佳的具体实施方式是：

包括由两块三棱镜胶合而成的立方棱镜和两块反射镜，所述立方棱镜的上下非通光面分别粘接玻璃垫板，其中一面的玻璃垫板上装有金属镜座，构成立方棱镜组件；所述两块反射镜分别装入各自的金属镜框中，构成两组反射镜组件；还包括箱体，所述箱体上设有所述立方棱镜组件和两组反射镜组件的安装孔；所述立方棱镜组件和两组反射镜组件分别装入所述箱体上对应的安装孔中，构成模块化分体式Sagnac干涉仪。

所述的立方棱镜组件中：

两块玻璃垫板的材料与立方棱镜的材料相同，之间用光学胶粘接为实体玻璃块，其中一块玻璃垫板与金属镜座之间通过胶粘剂粘接在一起；所述金属镜座上设有安装法兰，所述安装法兰的端面与立方棱镜轴线垂直，安装法兰上布置安装通孔和定位销孔。

所述反射镜组件中：

所述金属镜框底部有通光孔，所述反射镜的反射面正对所述通光孔；所述金属镜框的外形为台阶圆柱形，内部设有圆孔和垂直于圆孔轴线的定位面，反射镜装入所述圆孔中，所述反射面的边缘部位与所述定位面配合定位，所述反射镜的外侧四周与所述圆孔内侧四周间隙配合，间隙处填塞硅橡胶；所述金属镜框的外围设有安装法兰，法兰端面与内孔轴线垂直，法兰上设有安装通孔、调整孔和定位销孔，所述安装通孔为光孔，所述调整孔为螺纹孔。

所述反射镜背面可以用金属压圈将反射镜压紧在所述金属镜框中，所述金属压圈与反射镜背面之间垫有弹性橡胶垫。

所述金属镜框外围的安装法兰上可以设有三个安装通孔和三个调整孔，三个安装通孔和三个调整孔分布在同一圆周上，且等角度间隔排列。

所述箱体可以采用框架结构，外观为五棱柱形，箱体两个相邻侧面互相垂直，形成直角，该两面内侧设有立方棱镜组件安装孔，立方棱镜组件安装孔上下两侧加工有垂直于安装孔轴线的立方棱镜组件的安装端面；所述直角对面的侧面与所述两个相邻侧面的夹角均为45°；箱体另外两个侧面分别与其相邻两面夹角均为112.5°，在这两个侧面上分别设有反射镜组件的安装孔和安装面。

所述反射镜组件装到对应的反射镜组件安装孔中后，所述金属镜框外围的安装法兰上的三个安装通孔通过螺钉与箱体连接，三个调整孔装入螺钉后顶在安装面上。

所述立方棱镜组件居中装入立方棱镜组件安装孔中后，用螺钉将立方棱镜组件与箱体固定，立方棱镜组件安装孔的上侧安装金属压板，金属压板与立方棱镜间设有弹性橡胶垫，立方棱镜组件上下的玻璃垫板四周与立方棱镜组件安装孔内侧间隙处填塞硅橡胶。

所述箱体的材料为殷钢，箱体底部设有安装耳片。

本发明针对分体Sagnac干涉仪提出一种模块化结构形式的实现方法，将干涉仪各光学元件形成安装模块，各模块组合在一起形成高稳定性的干涉仪整体，具有结构紧凑、加工装调工艺性好、稳定性和重复精度高、空间环境适应性好等特点。特别适合机载和星载Fourier变换成像光谱仪中使用。

下面通过具体实施例并结合附图对本申请进行详细的描述：

1、立方棱镜组件，如图3a、图3b所示：

在立方棱镜1的两个非通光面分别胶粘两块玻璃垫板4、5，玻璃垫板4、5材料与立方棱镜1材料相同，之间用光学胶粘接为实体玻璃块。通过其中一块玻璃垫板5与金属镜座6之间充填胶粘剂，粘接在一起，形成立方棱镜组件，金属镜座6选用与立方棱镜1材料的热膨胀系数接近的材料，金属镜座6上有安装法兰7，法兰7端面与立方棱镜1轴线垂直，法兰7上布置安装通孔8和定位销孔9。

2、反射镜组件，如图4a、图4b所示：

反射镜2、3装入金属镜框11，金属镜框11底部有通光孔，反射镜2、3的反射面正对通光孔，金属镜框11选用与反射镜基底材料热膨胀系数接近的材料，形成反射镜组件。具体金属镜框11的外形为台阶圆柱形，内有圆孔和垂直于圆孔轴线的定位面，镜框11内孔和外圆同轴，镜框11外围有安装法兰15，法兰端面与内孔轴线垂直，法兰15上有安装孔16、调整孔17和定位销孔18，三个安装孔16(均是通孔)和三个调整孔17(均是螺孔)分布在同一圆周上，且等角度间隔排列。反射镜2、3居中装入镜框11中，以反射镜面定位，反射镜外侧四周与镜框内侧四周间隙配合，间隙处填塞硅橡胶14，反射镜2、3背面用金属压圈12将反射镜2、3压紧在镜框11中，金属压圈12和反射镜背面之间垫有弹性橡胶垫13。

3、箱体，如图5a、图5b所示：

箱体采用框架结构，具体箱体外观为五棱柱形，箱体两个相邻侧面互相垂直，形成直角，该两面内侧加工正方形通孔，方形通孔尺寸比立方棱镜略大，作为立方棱镜组件安装孔21，立方棱镜组件安装孔21上下两侧加工有垂直于通孔轴线的安装端面，端面上加工有安装螺钉孔22。直角对面的侧面与上述侧面夹角为45°，箱体另外两个侧面分别与其相邻两面夹角均为112.5°，在这两个侧面上分别加工与该侧面平行的安装端面，以及垂直于端面的圆孔，作为反射镜组件的安装孔23，端面上加工有安装螺钉孔。箱体内部多处镂空，确保干涉仪中光路传播无机械阻拦。箱体选用热膨胀系数小的金属材料，比如殷钢。箱体底部设计了安装耳片24，方便干涉仪在光学仪器中的固定。

以立方棱镜组件金属镜座的安装法兰为基准，将立方棱镜组件居中装入正方形通孔中，棱镜入射面与轴上平行入射光束垂直，用螺钉将立方棱镜与箱体固定，通孔上侧安装金属压板，金属压板与立方棱镜间隔有弹性橡胶垫，在安装立方棱镜组件时，在组件上下玻璃垫板四周与正方形通孔内侧间隙处填塞硅橡胶。

以反射镜组件安装法兰为基准，将反射镜组件依次装到箱体上，反射镜组件与箱体之间设计了金属修切垫，通过改变修切垫的厚度，达到Sagnac干涉仪所要求的两反射面的位移量。法兰的安装孔中穿入螺钉与金属箱体连接，调整孔中旋入调整螺钉，与金属箱体反射镜组件安装面接触，利用三顶三拉方法调整反射镜面与立方棱镜通光面的角度，按照实测法兰与金属箱体安装面的间隙厚度，更换合适的金属修切垫。

4、模块化的Sagnac干涉仪，如图6a、图6b所示：

立方棱镜组件、两反射镜组件、箱体安装调整好后，立方棱镜组件和反射镜组件分别打定位销定位，形成模块化的Sagnac干涉仪；

包括立方棱镜组件31、两件反射镜组件32、箱体33、橡胶垫34等，橡胶垫34的厚度设计值比理论值略大，使得金属压板35与箱体33连接时，橡胶垫34会产生预压变形，对立方棱镜有一定的预压力。金属箱盖36起到防止外界光线进入干涉仪光路和防尘作用。反射镜组件的金属隔垫37共有二件，分别用来调整反射镜面沿光路摆放位置。硅橡胶38用来填充光学件及其相关金属件之间的间隙。立方棱镜组件的安装螺钉39为12个，立方棱镜组件的定位销钉40为2个。还包括金属压板的固定螺钉41、金属箱盖的固定螺钉42、反射镜组件的定位销钉43的等，每个反射镜组件上布置两个销钉43，每个反射镜组件上均匀布置三个安装螺钉44。

本发明将立方棱镜、反射镜(两块)通过金属箱体组合起来，依次装调完成，形成整体结构组件，在相关光机系统(例如成像光谱仪系统)中作为结构插件，减小了光机系统装调的工作量，提高干涉仪在不同光机系统中使用的灵活性。

立方棱镜组件中的玻璃垫板，可以保护立方棱镜中的分束膜，消除或减小立方棱镜粘接在金属镜座上时胶剂固化带来的应力影响；金属压板通过橡胶垫压紧立方棱镜上部的玻璃垫板，可以消除或减小压紧应力对立方棱镜的影响。

立方棱镜以组件的形式装入金属箱体，安装操作通过调整立方棱镜组件的金属镜座来实现，操作过程不会接触立方棱镜本体，对立方棱镜的通光面起到保护作用；金属压板通过橡胶垫压紧立方棱镜组件，在组件上下形成了两端支承的结构形式，使得Sagnac干涉仪的放置方式发生改变时，立方棱镜各通光面相对于箱体安装基面的形位不会改变。

反射镜以组件的形式装入金属箱体，安装和调整操作均是在反射镜的金属镜框上进行，避免安装和调试应力对反射镜反射面形的影响，还可以保护反射镜及其反射膜不被损伤；使用三顶三拉的方法调整反射镜面的沿光路位置以及镜面与立方棱镜通光面的角度，一定程度上降低金属箱体的加工精度。

各玻璃元件(立方棱镜及其玻璃垫板、反射镜)与其周围的金属件的间隙处均充填硅橡胶，可以缓冲冲击、振动的力学环境对玻璃元件的影响。

箱体的外围形状与分体式Sagnac干涉仪各光学元件摆放外形一致，采用内框架、多腔分割的构型，具有较好的结构刚度；选用热膨胀系数较小的金属材料，在加工过程中采用尺寸稳定热处理，消除加工应力，使得箱体在使用过程中，外界力学环境和温度环境发生的变化不会引起箱体发生变形，提高干涉仪的性能稳定性。

立方棱镜组件、反射镜组件在箱体上安装和调试结束后分别打定位销定位，方便各组件的拆装和复位，使得干涉仪的精度具有较高的重复性。

其中，立方棱镜上下通光面所粘接的玻璃垫板的厚度可变，粘接所用的胶粘剂的牌号可变；玻璃垫板与金属镜座粘接所用的胶粘剂的牌号可变；箱体的材料在热膨胀系数较小的条件许可的条件下，材料牌号可变；反射镜的外形及其金属镜框的形状可以改变，法兰上的安装孔和调整孔的位置关系可以改变；光学玻璃元件外侧与相关金属件之间填充的硅橡胶牌号可变。

本发明针对光学玻璃元件(立方棱镜和反射镜)分别设计了单独的组件，将对玻璃元件的操作转化为对相关组件中的金属元件的操作，保护了玻璃元件，方便了操作和调试，提高了玻璃元件安装的可靠性；立方棱镜的上下非通光面粘接玻璃垫板实现了该元件的微应力装夹；立方棱镜的金属镜座和金属压板的共同夹持实现了该元件的两端支承；在反射镜组件的金属镜框法兰上设计安装孔和调整孔，实现反射镜在干涉仪中的角度调整；箱体的多腔框架式设计、材料选取以及加工工艺处理要求，实现零件的大刚度、高稳定性的要求；光学玻璃元件外侧与相关金属件之间的间隙填充硅橡胶，缓冲振动和冲击对光学元件的影响；立方棱镜组件和反射镜组件的安装采用了销钉定位方式，方便组件的拆装和复位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化分体式萨格纳克干涉仪，包括由两块三棱镜胶合而成的立方棱镜和两块反射镜，其特征在于，所述立方棱镜的上下非通光面分别粘接玻璃垫板，其中一面的玻璃垫板上装有金属镜座，构成立方棱镜组件；

所述两块反射镜分别装入各自的金属镜框中，构成两组反射镜组件；

还包括箱体，所述箱体上设有所述立方棱镜组件和两组反射镜组件的安装孔；

所述立方棱镜组件和两组反射镜组件分别装入所述箱体上对应的安装孔中，构成模块化分体式Sagnac干涉仪。

2.根据权利要求1所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述的立方棱镜组件中：

两块玻璃垫板的材料与立方棱镜的材料相同，之间用光学胶粘接为实体玻璃块，其中一块玻璃垫板与金属镜座之间通过胶粘剂粘接在一起；

所述金属镜座上设有安装法兰，所述安装法兰的端面与立方棱镜轴线垂直，安装法兰上布置安装通孔和定位销孔。

3.根据权利要求1所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述反射镜组件中：

所述金属镜框底部有通光孔，所述反射镜的反射面正对所述通光孔；

所述金属镜框的外形为台阶圆柱形，内部设有圆孔和垂直于圆孔轴线的定位面，反射镜装入所述圆孔中，所述反射面的边缘部位与所述定位面配合定位，所述反射镜的外侧四周与所述圆孔内侧四周间隙配合，间隙处填塞硅橡胶；

所述金属镜框的外围设有安装法兰，法兰端面与内孔轴线垂直，法兰上设有安装通孔、调整孔和定位销孔，所述安装通孔为光孔，所述调整孔为螺纹孔。

4.根据权利要求3所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述反射镜背面用金属压圈将反射镜压紧在所述金属镜框中，所述金属压圈与反射镜背面之间垫有弹性橡胶垫。

5.根据权利要求4所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述金属镜框外围的安装法兰上设有三个安装通孔和三个调整孔，三个安装通孔和三个调整孔分布在同一圆周上，且等角度间隔排列。

6.根据权利要求1所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述箱体采用框架结构，外观为五棱柱形，箱体两个相邻侧面互相垂直，形成直角，该两面内侧设有立方棱镜组件安装孔，立方棱镜组件安装孔上下两侧加工有垂直于安装孔轴线的立方棱镜组件的安装端面；

所述直角对面的侧面与所述两个相邻侧面的夹角均为45°；

箱体另外两个侧面分别与其相邻两面夹角均为112.5°，在这两个侧面上分别设有反射镜组件的安装孔和安装面。

7.根据权利要求6所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述反射镜组件装到对应的反射镜组件安装孔中后，所述金属镜框外围的安装法兰上的三个安装通孔通过螺钉与箱体连接，三个调整孔装入螺钉后顶在安装面上。

8.根据权利要求6所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述立方棱镜组件居中装入立方棱镜组件安装孔中后，用螺钉将立方棱镜组件与箱体固定，立方棱镜组件安装孔的上侧安装金属压板，金属压板与立方棱镜间设有弹性橡胶垫，立方棱镜组件上下的玻璃垫板四周与立方棱镜组件安装孔内侧间隙处填塞硅橡胶。

9.根据权利要求1至8任一项所述的模块化分体式萨格纳克干涉仪，其特征在于，所述箱体的材料为殷钢，箱体底部设有安装耳片。

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