CN104346985B

CN104346985B - 多功能数字分光干涉仪

Info

Publication number: CN104346985B
Application number: CN201410613415.6A
Authority: CN
Inventors: 龚勇清; 裴扬; 龚艺川; 李豪伟; 夏侯命玖
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: CN104346985A

Abstract

本发明公开了一种多功能数字分光干涉仪，通过改进传统分光仪部分机械结构的设计，实现其体积精缩、结构紧凑；对观测机构重新设计，改进传统分光仪观测光谱分光现象的方式，使其实现图像采集的数字化；使用CCD代替传统目镜，通过电脑显示屏进行实时观测光谱及分光现象，也可采用毛玻璃屏代替目镜，在毛玻璃屏上直接观测光谱分光现象，以便于实验演示；扩大数字分光仪的实验功能，使其实验功能不仅局限于一般分光实验，同时集成有迈克尔孙（Miche1son）干涉仪、法布里‑珀罗（F‑P）干涉仪以及光的干涉—牛顿环等光学实验功能。

Description

多功能数字分光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种集成有多种光学实验仪器的数字化实验教学仪器——数字分光干涉仪。

背景技术

传统分光仪属于普通光学仪器的一种，它一般适用于高校实验教学之中，而现代光机电仪器正不断朝向小型化、智能化、多功能、高精度的方向发展，传统分光仪已逐渐不能满足于高精密仪器性能的各项要求。其原因主要如下：第一，传统分光仪已有十几年没有改进，体积较大、较为笨重、结构不够紧凑，不便于移动到其他场合进行实验；第二，传统分光仪仅能通过肉眼观测分光现象，不仅非常不便于观测，而且调节难度大，调整过程会影响到观测所得的结果精确度。第三，仅能应用于普通光学玻璃折射率的测量与分光实验，功能较为单一，应用场合有限。综上所述，重新优化设计传统分光仪，使其不断朝向小型化、数字化、多功能、高精度等方向发展具有高等学校教学、科研与工程等实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化升级传统分光仪综合性能的数字分光干涉仪，既达到分光仪与干涉仪功能有效结合的目的，同时有效精缩传统分光仪的体积、降低重量，并具备一定的数字化程度，扩展其功能范围，促进传统光学实验教学仪器的现代化进程。

为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：

第一，改进传统分光仪部分机械结构的设计，实现其体积精缩、结构紧凑。第二，对观测机构重新设计，改进传统分光仪观测光谱分光现象的方式，使其实现图像采集的数字化。使用CCD代替传统目镜，通过电脑显示屏进行实时观测光谱及分光现象，也可采用毛玻璃屏代替目镜，在毛玻璃屏上直接观测光谱分光现象，以便于实验演示。第三，扩大数字分光仪的实验功能，使其实验功能不仅局限于一般分光实验，同时集成有迈克尔孙（Michelson）干涉仪、法布里-珀罗（F-P）干涉仪以及光的干涉—牛顿环等光学实验功能。第四，保证实验的精确度。通过设计出合理的微位移调节机械装置保证较高的实验精确度。设计出机械杠杆与普通微分头和精确微分头的组合机械装置共同调节动镜移动的位移量。其原理为：首先利用普通微分头粗调动镜的移动量，粗调后再利用精确微分头对动镜的移动量进行微调，由于普通微分头与精确微分头之间通过机械杠杆活动连接，杠杆臂比例为10:1至20:1之间，所以精确微分头的调节量将会由于杠杆效应使得其微调精度再提高一个数量级。第五，所设计的零部件需具备一定的通用性及互换性，以方便今后仪器的维护以及仪器功能的再次优化升级。

本发明的技术效果是：在实验之前，只需对数字分光干涉仪做一次仪器调节，调整满足实验精度要求后，即可做：光学玻璃折射率的测量、观测光谱分光现象的实验、Michelson干涉实验、F-P多光束干涉实验以及光的干涉—牛顿环实验。避免了每次调节各台实验仪器所耗费的时间及产生的累积随机误差，不仅扩展了传统分光仪的实验功能，而且实现了数字实时显示等功能，提高了实验精度。本发明在一定程度上促进了光学实验仪器朝向小型化、数字化、多功能、高精度的方向发展。在软件方面，根据干涉图像处理技术并结合计算机软件编程技术，编写出与本仪器相匹配的功能检测软件。通过数据采集卡将CCD与计算机连接到一起后，即可通过软件实时采集并显示所需观测的干涉图像。本发明设计了机械杠杆与精确微分头的组合机械装置共同调节全反射镜移动的微位移量，可使读数精度达到10^-4mm。

附图说明

图1为本发明的结构原理平面示意图；

图2为A-A剖视图；

图3为带镜微调装置的 F-P实验镜的示意图；

图4为半反半透平面镜的示意图；

图5为本发明所述分光器件的示意图；

图6为分光棱镜的结构示意图；

图7为本发明所述牛顿环实验装置的结构示意图。

图8为分光计实验时的结构原理示意图。

图9为F-P干涉实验的结构原理示意图。

图10为Michelson干涉实验结构原理示意图。

图11为本发明的三维结构原理示意图。

在图中，1、支撑板；2、带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ；3、固定底板Ⅰ；4、微分头；5、支撑板连接轴固定部件；6、支撑板连接轴；7、微调装置；8、毛玻璃；9、滑块；10、十字光阑；11、镜片支撑板；12、镜片支撑板连接轴；13、准直双胶合透镜；14、滑块嵌板；15、刻度盘；16、游标盘；17、载物台；18、游标；19、仪器转轴；20、牛顿环装置固定孔； 21、望远镜部件转动连杆；22、聚焦双胶合物镜；23,28、望远镜部件连接器；24、望远镜部件固定板；25、微调螺钉；26、望远镜部件；27、CCD或毛玻璃屏；29、平面镜微调装置；30、F-P实验镜；31、分光器件；32、带有扩束镜装置的绿光LD；33、牛顿环实验装置；34、分光棱镜；35、机械杠杆；36、顶针；37、精确微分头；38、固定转销Ⅰ；39、全反镜Ⅰ；40、全反镜移动板；41、普通微分头；42、固定底板Ⅱ；43、仪器工作台；44、全反镜Ⅱ；331、光源固定板；332、带有扩束与准直装置绿光LDⅡ；333、分光镜固定板；334、45º角平面玻璃分光镜；335、连接支撑杆；336、固定转销Ⅱ。

具体实施方式

一种多功能数字分光干涉仪，其结构如图1所示，包括仪器工作台（43），仪器工作台（43）安装在底座上，底座中心安装一根穿过仪器工作台（43）的仪器转轴（19），仪器转轴（19）上安装望远镜部件转动连杆（21）和载物台（17）, 所述载物台（17）上开设牛顿环装置固定孔（20），载物台（17）外围安装刻度盘（15）和游标盘（16），游标盘（16）上设有两个游标（18），望远镜部件转动连杆21的端部安装望远镜部件固定板（24），望远镜部件（26）通过3个微调螺钉（25）固定在望远镜部件固定板（24）上，望远镜部件（26）的两端设有望远镜部件连接器（23,28），前端的望远镜部件连接器（28）上安装CCD或毛玻璃屏（27），后端的望远镜部件连接器（23）上安装聚焦双胶合物镜（22）；在仪器工作台（43）的另一侧安装固定底板Ⅰ（3），固定底板Ⅰ（3）上安装微分头（4）和滑块嵌板（14），滑块嵌板（14）嵌合滑块（9），滑块（9）上安装支撑板连接轴固定部件（5）和镜片支撑板连接轴（12），支撑板连接轴固定部件（5）上安装支撑板连接轴（6），支撑板连接轴（6）上安装支撑板（1），支撑板（1）上安装带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2）和微调装置（7），微调装置（7）内安装毛玻璃（8）和十字光阑（10）；镜片支撑板连接轴（12）顶端设置镜片支撑板（11），镜片支撑板（11）内安装准直双胶合透镜（13）；在仪器工作台（43）后方安装带有扩束镜装置的绿光LD（32），在仪器工作台（43）的前方安装固定底板Ⅱ(42)，其上安装全反镜移动板（40）和机械杠杆（35），全反镜移动板（40）内安装全反镜Ⅰ（39），全反镜移动板（40）的前方安装普通微分头（41），后方安装顶针（36），顶针（36）顶在通过固定转销Ⅰ（38）安装在固定底板Ⅱ(42)上的机械杠杆（35）上，机械杠杆（35）的另一端设置精确微分头（37），带有扩束镜装置的绿光LD（32）与全反镜Ⅰ（39）与放置载物台（17）中心的分光棱镜（34）在同一直线上；

所述多功能数字分光干涉仪还包括：

如图3所示的带镜微调装置F-P实验镜（29）；

如图4所示的装夹有半反半透平面反光镜光学器件（30）；

如图5所示的分光器件（31），所述分光器件（31）可以是透射光栅；

如图6所示的分光棱镜（34）；

如图7所示的牛顿环实验装置（33），包括一块光源固定板（331），光源固定板（331）两端分别连接连接支撑杆（335），光源固定板（331）中间安装带有扩束与准直装置绿光LDⅡ（332），分光镜固定板（333）通过固定转销Ⅱ（336）固定在两根连接支撑杆（335）上，分光镜固定板（333）上安装45º角平面玻璃分光镜（334）；

实验之前，为精确测量，首先必须调整好仪器，即使望远镜部件（26）接受平行光成像到CCD或毛玻璃屏（27）上，并保证望远镜部件（26）与数字分光仪的仪器转轴（19）互相垂直，从而保证实验的精确度。

打开带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2），使其发出的光透过毛玻璃（8）后照射到十字光阑（10）上，调整仪器相关调节装置做调焦等调节操作，使得十字光源通过成像系统后清晰地成像到CCD或毛玻璃屏（27）上并与其十字刻划线重合。当仪器调整好以后就可以开始如下相关实验。

分光计实验

将毛玻璃（8）取出，并在载物台（17）上放置分光器件（31）（如光栅），其结构原理如图8所示，打开带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2），如果采用CCD作为接收器，那么可以直接从电脑显示屏上观测到透射光栅的衍射图样，当然如果在载物台（17）上所放置分光器件（31）为三棱镜，那么就需要转动望远镜部件（26）以观测三棱镜分光后所生成的光谱。

干涉实验

将图1中所示的装有毛玻璃（8）和十字光阑（10）的微调装置（7）取下，将镀有高反膜的F-P实验镜（前镜片）装夹到平面镜微调装置（29）上并固定在支撑板（1）上，同时将准直双胶合透镜（13）取下并换上F-P实验镜（30）（后镜片），结构如图9所示，此时即可利用原数字分光仪实现F-P干涉仪的功能。打开带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2），进行实验；带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2）发出的光束可近似为光强均匀的绿色准直光束，平行光束照射到F-P实验镜（前镜片）和（后镜片）后，光束将在F-P实验镜镀有高反射率膜的两内表面间发生多次反射，最后透出的光束为多束互相平行的平行光束，多束互相平行的光束通过聚焦双胶合物镜（22）后将发生多光束干涉现象，CCD或毛玻璃屏（27）所处位置为聚焦双胶合物镜（22）的像方焦平面处，那么多束透射平行光束将经过聚焦双胶合物镜（22）在CCD或毛玻璃屏（27）上相遇并发生相干叠加，通过微分头（4）与微调螺栓（7）调节平面镜微调装置（29）内F-P实验镜和F-P实验镜（30）的间隔大小以及倾角，那么在两片平行的前、后F-P实验镜处于不同的间距和倾角的情形下，可以方便地通过计算机显示屏清晰地观测各种情形下所对应的多光束干涉图样（接CCD时），当然也可以通过毛玻璃屏观测干涉条纹。

牛顿环干涉实验

将图7所示的牛顿环实验装置（33）安装在图1所示的牛顿环装置固定孔（20）上，打开带有扩束与准直装置的绿光LDⅡ（332），通过相关调整进行光的干涉实验。

干涉实验

取下图1中的支撑板（1）、支撑板连接轴固定部件（5）、带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2）、微调装置（7），镜片支撑板（11）内的准直双胶合透镜（13）换成全反镜Ⅱ（44），并将分光棱镜（34）放到载物台（17）上，利用普通微分头（41）和精确微分头（37）改变反射到成全反镜Ⅱ（44）和全反镜Ⅰ（39）上的两束相干光的光程差进行观测实验，结构如图10所示。所述机械杠杆（35）的杠杆臂比例为10:1至20:1

打开带有扩束镜装置的绿光LD（32），发出的光束首先经过分光棱镜（34）后，被分为强度基本相同的两光束，一束光照射到全反镜Ⅱ（44）上，另一束光照射到全反镜Ⅰ（39）上，全反镜Ⅰ（39）通过普通微分头（41）和精确微分头（37）可精确移动。这两束光束照射到全反镜Ⅱ（44）和全反镜Ⅰ（39）上后被反射，反射后再次通过分光棱镜（34）并透过聚焦双胶合物镜（22），最终将于CCD或毛玻璃屏（27）处相遇并发生相干叠加、形成干涉条纹。为观测到光束在全反镜Ⅱ（44）和全反镜Ⅰ（39）以不同光程差反射后相遇所产生的干涉图样，通过调节普通微分头（41）和精确微分头（37）即可在计算机显示器（或毛玻璃屏）实时观测干涉条纹的变化情况，并完成一系列相关光学实验。例如：观测干涉图样的变化（如等倾干涉变化的圆条纹数量）并记录对应位移量，则可计算出实验所用光源的中心波长。

Claims

1.一种多功能数字分光干涉仪，包括仪器工作台（43），仪器工作台（43）安装在底座上，底座中心安装一根穿过仪器工作台（43）的仪器转轴（19），仪器转轴（19）上安装望远镜部件转动连杆（21）和载物台（17），载物台（17）外围安装刻度盘（15）和游标盘（16），游标盘（16）上设有两个游标（18），望远镜部件转动连杆（21）的端部安装望远镜部件固定板（24），望远镜部件（26）通过3个微调螺钉（25）固定在望远镜部件固定板（24）上，望远镜部件（26）的两端设有望远镜部件连接器（23,28），其特征是前端的望远镜部件连接器（28）上安装CCD或毛玻璃屏（27），后端的望远镜部件连接器（23）上安装聚焦双胶合物镜（22）；所述载物台（17）上开设牛顿环装置固定孔（20）；在仪器工作台（43）的另一侧安装固定底板Ⅰ（3），固定底板Ⅰ（3）上安装微分头（4）和滑块嵌板（14），滑块嵌板（14）嵌合滑块（9），滑块（9）上安装支撑板连接轴固定部件（5）和镜片支撑板连接轴（12），支撑板连接轴固定部件（5）上安装支撑板连接轴（6），支撑板连接轴（6）上安装支撑板（1），支撑板（1）上安装带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2）和微调装置（7），微调装置（7）内安装毛玻璃（8）和十字光阑（10）；镜片支撑板连接轴（12）顶端设置镜片支撑板（11），镜片支撑板（11）内安装准直双胶合透镜（13）；在仪器工作台（43）后方安装带有扩束镜装置的绿光LD（32），在仪器工作台（43）的前方安装固定底板Ⅱ(42)，其上安装全反镜移动板（40）和机械杠杆（35），全反镜移动板（40）内安装全反镜Ⅰ（39），全反镜移动板（40）的前方安装普通微分头（41），后方安装顶针（36），顶针（36）顶在通过固定转销Ⅰ（38）安装在固定底板Ⅱ(42)上的机械杠杆（35）上，机械杠杆（35）的另一端设置精确微分头（37），带有扩束镜装置的绿光LD（32）与全反镜Ⅰ（39）与放置载物台（17）中心的分光棱镜（34）在同一直线上；还包括：平面镜微调装置（29）、F-P实验镜（30）、全反镜Ⅱ（44）、分光器件（31）、分光棱镜（34）、牛顿环实验装置（33）。

2.根据权利要求1所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是所述牛顿环实验装置（33）包括一块光源固定板（331），光源固定板（331）两端分别连接连接支撑杆（335），光源固定板（331）中间安装带有扩束与准直装置绿光LDⅡ（332），分光镜固定板（333）通过固定转销Ⅱ（336）固定在两根连接支撑杆（335）上，分光镜固定板（333）上安装45º角平面玻璃分光镜（334）。

3.根据权利要求1所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是分光计实验时，

将毛玻璃（8）取出，并在载物台（17）上放置分光器件（31）。

4.根据权利要求1所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是F-P干涉实验时，装有毛玻璃（8）和十字光阑（10）的微调装置（7）取下，将镀有高反膜的F-P实验镜装夹到平面镜微调装置（29）上并固定在支撑板（1）上，同时将准直双胶合透镜（13）取下并换上F-P实验镜（30）。

5.根据权利要求1或2所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是牛顿环实验时，牛顿环实验装置（33）安装在牛顿环装置固定孔（20）上。

6.根据权利要求1所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是Michelson干涉实验时，支撑板（1）、支撑板连接轴固定部件（5）、带有扩束与准直装置的绿光LDⅠ（2）、微调装置（7），镜片支撑板（11）内的准直双胶合透镜（13）换成全反镜Ⅱ（44），并将分光棱镜（34）放到载物台（17）上，利用普通微分头（41）和精确微分头（37）改变反射到成全反镜Ⅱ（44）和全反镜Ⅰ（39）上的两束相干光的光程差。

7.根据权利要求1所述的多功能数字分光干涉仪，其特征是所述机械杠杆（35）的杠杆臂比例为10:1至20:1。