CN106066205B - 微动机构、动镜干涉仪和采用动镜干涉仪的红外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了微动机构、动镜干涉仪和采用动镜干涉仪的红外光谱仪，其中，该微动机构包括主动机构和从动机构,该主动机构包括：主动弹性簧片组、主动动子、斜块和主动定子；该从动机构包括：从动弹性簧片组、镜座、从动块、从动定子以及动镜模块；主动弹性簧片组的活动端处设置有所述主动动子和斜块，所述主动弹性簧片组的固定端通过所述主动定子固定；所述从动弹性簧片组的活动端处设置有镜座，所述从动块和所述动镜模块固定在所述镜座处，所述从动弹性簧片组的固定端通过所述从动定子固定，使所述从动弹性簧片组与主动弹性簧片组在未受外力时相互垂直，且使所述从动块与所述斜块可动地接触。具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定的多种优点。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱测量技术领域，尤其涉及一种红外光谱仪上使用的微动机构、包括该微动机构的动镜干涉仪和包括该动镜干涉仪的红外光谱仪。
背景技术
红外光谱是物质的指纹光谱区，因此是化合物的结构鉴定的重要手段，通过谱图与分子结构的关系以及与标准谱图比较，可以确定化合物的结构，如推测是否存在某些官能团、顺反异构、取代基的位置、氢键的结合以及络合物的形成等。而傅里叶变换红外光谱仪是实现红外光谱探测的最重要的一种仪器，傅立叶红外光谱仪能够对任何形态的样品(固体、液体或气体样品)进行分析，能够对单一组分的纯净物或多种组分的混合物，进行快速、准确的定性与定量分析，被广泛的用在环境监测、生物化工、医药、食品、珠宝鉴定等领域。
傅立叶变换红外光谱仪是利用迈克耳逊干涉仪搭建的光谱仪，具有扫描速度快、波长精度高、分辨率高、灵敏度高等优点，傅立叶变换红外光谱仪在实验室的应用已经相当成功，能够与各种各样的附件以及其它测量仪器联合以实现强大的分析功能。傅里叶变换红外光谱仪主要由红外光源，干涉仪，参考激光与探测器等模块构成；其中，干涉仪是仪器的核心模块，仪器的性能主要由干涉仪决定。干涉仪中的光学元件与动镜扫描系统容易受到外界潮湿、电磁干扰、温度变化、震动等环境因素的影响而产生光路偏移、形变、不稳定等问题，使干涉仪的干涉效率降低，从而影响仪器的性能指标；在保证仪器性能的同时，还应控制仪器的体积与重量。这就是干涉仪及傅里叶变换红外光谱仪所面临的主要的技术问题，需要良好的光机电设计来克服外界对于干涉仪的影响，在提升仪器性能的同时减小仪器的体积与重量；其中，干涉仪的光学结构与动镜扫描系统的机械结构的设计是仪器的核心问题。
可见，目前的红外光谱仪易受外部环境影响，重量和体积大，成本高。
发明内容
鉴于上述现有技术的问题，本发明旨在提供一种微动机构，利用该微动机构实现动镜扫描的干涉仪以及采用该干涉仪的红外光谱仪，能在保证光谱仪稳定、精密的基础上，降低成本并减小设备的体积和重量，同时实现干涉仪的高效扫描。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种微动机构，所述微动机构包括：主动机构和从动机构，其中，
所述主动机构包括：主动弹性簧片组1001、主动动子1002、斜块1003和主动定子1004；
所述从动机构包括：从动弹性簧片组1101、镜座1102、从动块1103、从动定子1104以及动镜模块；
所述主动弹性簧片组1001的活动端处设置有所述主动动子1002和斜块1003，所述主动弹性簧片组1001的固定端通过所述主动定子1004固定；
从动弹性簧片组1101的活动端处设置有所述镜座1102，所述从动块1103和所述动镜模块固定在所述镜座1102处，所述从动弹性簧片组1101的固定端通过所述从动定子1104固定，使所述从动弹性簧片组1101与主动弹性簧片组1001在未受外力时相互垂直，且使所述从动块1103与所述斜块1003可动地接触；
具体的，在本发明的一种实施例中，所述动镜模块包括：反射镜组1105以及反射镜固定装置1106；其中，所述反射镜组1105包括两块反射镜，上述反射镜的底部固定在所述镜座1102上，上述反射镜的顶部由所述反射镜固定装置1106固定，两块反射镜的背面相对，使沿大体垂直于所述从动弹性簧片组1101的方向入射所述反射镜的光线沿与入射方向夹角为180°的方向出射；
在本发明的另一种实施例中，所述动镜模块包括：一体化反射镜组；其中，
所述一体化反射镜组为具有两个位于对称位置的反射面的一体化双面反射镜，使沿大体垂直于从动弹性簧片组1101的方向入射反射镜的光线沿与入射方向夹角为180°的方向出射；
进一步的，在本发明的一种实施例中，所述动镜模块的反射镜为空心立体角镜，所述空心立体角镜由三面相互垂直的平面镜构成；
进一步的，在本发明的实施例中，所述主动弹性簧片组1001和从动弹性簧片组1101分别包括一个或多个弹性簧片。
本发明的一种实施例中所采用的空心立体角镜，即使其反射面之间有微小的垂直度误差，而且当微动机构的运动过程中立体角镜沿轴向发生较小的摆动时，反射光的方向不会发生改变，仍能够严格地按与入射光线平行的方向出射，这种方案对扫描机构的运动误差进行了补偿，可以显著提高光学系统的稳定性和光学性能。
本发明提供的微动机构，具有主动和从动两组稳定结构，该机构间通过相互作用力使本发明的微动机构在扫描运动的任何位置都具有稳定的结构支持和力学平衡，即使当微动机构处于没有外力作用的平衡位置时，仍然保持良好的稳定性与抗震性；此外，扫描式干涉仪的结构原理使得光学系统在扫描装置处于平衡位置(扫描零点位置)附近时，往往对应着光谱信号的强信号区，本发明的微动机构实现了精密、抗震的动镜扫描系统，使得采用了本发明的微动机构的动镜干涉仪以及光谱仪具有更好的稳定性与重复性，其性能得到了有效的保证；同时在本发明的一个实施例中，利用两个空心立体角镜构建的光学结构，从光学原理上提高了仪器稳定性，实现了对称且高效的光学结构，可以使采用该微动机构的干涉仪更加稳定、高效。
本发明实施例提供了一种包括上述微动机构的动镜干涉仪，包括：分束器2001、反射镜组2002和上述微动机构2003，
所述反射镜组2002包括第一反射镜和第二反射镜，该第一反射镜和第二反射镜分别设置在所述分束器2001的反射光路和透射光路上并以所述分束器2001为对称中心对称，所述微动机构2003设置在第一反射镜和第二反射镜的反射光路上，所述微动机构2003的从动弹性簧片组方向平行于所述分束器2001的反射面，且该微动机构2003的动镜模块处于所述第一、第二反射镜的反射光束光路上，当所述微动机构2003未受外力作用时，其动镜模块与所述第一、第二反射镜的中心距离相等。
进一步的，所述动镜干涉仪还包括：光源2101、准直镜2102和干涉仪出射镜2103；其中，
所述准直镜2102使由所述光源2101入射所述动镜干涉仪的光变为准平行光，该平行光经过所述分束器、反射镜组以及动镜模块出射，获得干涉光，所述干涉光经过所述干涉仪出射镜2103反射，获得干涉仪出射光。
进一步的，所述动镜干涉仪还包括：参考激光器2201、激光反射模块2202和激光探测器2203；其中，
由所述参考激光器2201出射的激光经所述激光反射模块2202反射沿所述干涉光的反方向入射干涉仪，最后沿所述准直镜的出射光的反方向出射，并由所述激光探测器2203接收。
在本发明的实施例中，相对分束器对称设置的反射镜固定安装在干涉仪系统中，在保证干涉仪的稳定性和准直性同时，还具有很高的扫描效率；而且，本发明中采用的微动机构和激光系统，极大地简化了仪器结构，使设备更加紧凑且减轻了仪器重量，在减小了仪器体积的同时还降低了仪器成本。
本发明实施例提供了一种包括上述动镜干涉仪的红外光谱仪，包括：该动镜干涉仪、音圈电机3001和外围固定结构3002；其中，
音圈电机3001固定在外围固定结构3002上，其固定方向使音圈电机3001的运动端的运动方向垂直于微动机构的主动弹性簧片组方向，音圈电机3001的运动端与干涉仪的微动机构的主动动子接合；
本发明技术方案的有益效果在于：微动机构具有主动和被动弹性簧片组，通过两组簧片组之间的相互作用力，保证微动机构具有一个力学平衡位置；同时，使用弹性簧片的微动机构能够产生精确的微位移，同时可以快速地回复到平衡位置，从而保证本红外光谱仪的动镜扫描机构具有很强的抗震性，同时还能进行精密、快速的微位移扫描。
同时，本发明的实施例中采用角镜作为扫描镜，当其反射面之间有微小的垂直度误差及立体角镜沿轴方向发生较小的摆动时，反射光的方向不会发生改变，仍能够严格地按与入射光线平行的方向射出，实现了对反射镜误差的补偿，保证了干涉仪的性能；这种光学结构设计简化了干涉仪的结构，从而使仪器结构更加紧凑，不仅减小了干涉仪的体积，降低仪器成本，同时还提高了仪器的稳定性。
通过以上措施，采用本发明提供的动镜干涉仪的红外光谱仪具有紧凑、轻型的光学结构以及抗震、稳定的扫描机构，不仅保证了稳定性和准直性，还极大地简化了仪器结构，具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定的多种优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的微动机构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的采用微动机构的动镜干涉仪的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的采用动镜干涉仪的红外光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于说明本发明的技术方案，在实施例1中，微动机构的主动和被动弹性簧片组都分别具有两个弹性簧片，微动机构的动镜模块由两块分离的立体角镜以及稳定立体角镜顶部的反射镜固定装置构成。然而，微动机构的主动和被动弹性簧片组包含的弹性簧片数量并不限于两个，也可以包含一个或多个弹性簧片，而且主动弹性簧片组与被动弹性簧片组可以包含不同数量的弹性簧片；微动机构的动镜模块并不限于实施例1中所述的构成方式，动镜模块也可以由一体化的双立体角镜组构成，或者由其他形式的反射镜组构成，如由棱镜组等构成。
实施例1
图1为本发明实施例提供的微动机构的结构示意图。如图1所示，该微动机构包括主动机构和从动机构。
如图1所示，所述主动机构包括：主动弹性簧片组1001、主动动子1002、斜块1003和主动定子1004；所述从动机构包括：从动弹性簧片组1101、镜座1102、从动块1103、从动定子1104以及动镜模块。
见图1,所述主动弹性簧片组1001的活动端处设置有所述主动动子1002和斜块1003，所述主动弹性簧片组1001的固定端通过所述主动定子1004固定。
由图1可见，从动弹性簧片组1101的活动端处设置有所述镜座1102，所述从动块1103和所述动镜模块固定在所述镜座1102处，所述从动弹性簧片组1101的固定端通过所述从动定子1104固定，使所述从动弹性簧片组1101与主动弹性簧片组1001在未受外力即处于平衡位置时相互垂直，且使所述从动块1103与所述斜块1003可动地接触。
当主动动子未受外力推动时，如图1所示，主动弹性簧片组1001处于平衡位置，而当主动动子1002受垂直于主动弹性簧片组1001方向的外力推动时，主动弹性簧片组1001的活动端沿大体垂直于所述主动弹性簧片组1001的方向移动；当主动弹性簧片组1001的活动端发生移动时，其斜块1003推动从动弹性簧片组1101的从动块1103使从动弹性簧片组1101的活动端沿大体垂直于所述从动弹性簧片组1101的方向移动，从而使动镜模块沿大体垂直于所述从动弹性簧片组1101的方向移动。
进一步的，所述动镜模块包括反射镜组1105以及反射镜固定装置1106，反射镜组1105包括两块空心立体角镜，所述空心立体角镜由三面相互垂直的平面镜构成，上述空心立体角镜的底部固定在所述镜座1102上，上述空心立体角镜的顶部由所述反射镜固定装置1106固定，两块立体角镜的背面相对，使沿大体垂直于从动弹性簧片组1101的方向入射立体角镜的光线沿与入射方向成180°的方向即沿入射方向的反方向出射。
进一步的，所述主动弹性簧片组1001包括两个弹性簧片，所述从动弹性簧片组1101包括两个弹性簧片。
本发明的实施例1所采用的空心立体角镜，即使其反射面之间有微小的垂直度误差，而且当微动机构的运动过程中立体角镜沿轴向发生较小的摆动时，反射光的方向不会发生改变，仍能够严格地按与入射光线平行的方向出射，这种方案对扫描机构的运动误差进行了补偿，可以显著提高光学系统的稳定性和光学性能。
在本发明的另一个实施例中，所述主动弹性簧片组1001包括三个弹性簧片，所述从动弹性簧片组1101包括四个弹性簧片。动镜模块包括一体化反射镜组，该一体化反射镜组为一体化双面反射镜，其具有两个位于对称位置的反射面，使沿大体垂直于从动弹性簧片组1101的方向入射立体角镜的光线沿与入射方向成180°的方向即沿入射方向的反方向出射。
在本发明的其他实施例中，所述主动弹性簧片组1001和所述从动弹性簧片组1101分别可包括其他数量的弹性簧片，优选包括两个弹性簧片。动镜模块包括一体化的双反射面镜或者分立的两个反射镜，所述反射镜包括立体角镜或者棱镜等，优选采用空心立体角镜。
本发明提供的微动机构，具有主动和从动两组稳定结构，该机构间通过相互作用力使本发明的微动机构在扫描运动的任何位置都具有稳定的机构支持和力学平衡，即使当微动机构处于没有外力作用的平衡位置时，仍然保持良好的稳定性与抗震性，而扫描式干涉仪的结构原理使得光学系统在扫描装置处于平衡位置(扫描零点位置)附近时，往往对应着光谱信号的强信号区，这使得采用了本发明的微动机构的动镜干涉仪以及光谱仪不仅具有更好的稳定性，其性能也得到了有效地保证，实现了精密、抗震的动镜扫描机构；同时在本发明的一个实施例中，利用两个空心立体角镜构建的光学结构，从光学原理上提高了仪器稳定性，实现了对称且高效的光学结构，可以使采用该微动机构的干涉仪更加稳定，高效。
图2为本发明实施例提供的包括上述微动机构的动镜干涉仪的结构示意图。
如图2所示，该动镜干涉仪包括分束器2001、反射镜组2002和上述微动机构2003。
如图2所示，反射镜组2002包括第一反射镜和第二反射镜，该第一反射镜和第二反射镜设置在所述分束器2001的反射光路和透射光路上且以所述分束器2001为对称中心对称，所述微动机构2003设置在第一反射镜和第二反射镜的反射光路上，该微动机构2003的从动弹性簧片组方向平行于所述分束器2001的反射面，且该微动机构2003的动镜模块处于所述第一、第二反射镜的反射光束光路上，当微动机构2003未受外力作用时，其动镜模块与第一、第二反射镜的中心距离相等。
由此，微动机构2003的动镜模块使经过第一、第二反射镜反射的光沿与入射方向的反方向原路返回，当微动机构进行扫描时，位于微动机构2003的从动弹性簧片组的活动端的反射镜组可沿垂直于分束器2001反射面的方向往复运动。
进一步的，本发明提供的动镜干涉仪还包括：光源2101、准直镜2102和干涉仪出射镜2103。
所述准直镜2102将由光源2101入射所述动镜干涉仪的光变为准平行光，上述平行光经过分束器、反射镜组以及动镜模块出射，获得干涉光，该干涉光经过所述干涉仪出射镜2103反射，获得干涉仪出射光。
进一步的，本发明提供的动镜干涉仪还包括参考激光器2201、激光反射模块2202和激光探测器2203。
由参考激光器2201出射的激光经激光反射模块2202反射沿所述干涉光的反方向入射干涉仪，经过干涉仪最后沿准直镜出射光的反方向出射，并由激光探测器2203接收。
在本发明的一个实施例中，所述准直镜2102为抛物面镜，所述光源2101为红外光源，该红外光源的出射光经过该抛物面镜的反射进入干涉仪系统。
在本发明的实施例中，相对分束器对称设置的反射镜固定安装在干涉仪系统中，在保证干涉仪的稳定性和准直性同时，还具有很高的扫描效率；而且，本发明中采用的动镜扫描机构以及激光系统，极大地简化了仪器结构，使仪器结构更加紧凑、减轻了仪器重量，减小了仪器体积同时降低了仪器成本。
图3为本发明实施例提供的包括上述动镜干涉仪的红外光谱仪的结构示意图。如图3所示，该红外光谱仪包括该动镜干涉仪、音圈电机3001和外围固定结构3002。
音圈电机3001固定在外围固定结构3002上，音圈电机3001的运动端的运动方向垂直于微动机构的主动弹性簧片组方向，音圈电机3001的运动端与干涉仪的微动机构的主动动子接合。
由此当音圈电机3001运动端作直线往复运动时，带动微动机构的主动动子运动，最终实现动镜模块的往复扫描。
通过采用本发明提供的动镜干涉仪，本发明的红外光谱仪具有紧凑、轻型的光学结构，抗震、稳定的扫描机构，具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定的多种优点。
再次说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微动机构，其包括主动机构和从动机构，其中，
所述主动机构包括：主动弹性簧片组(1001)、主动动子(1002)、斜块(1003)和主动定子(1004)；
所述从动机构包括：从动弹性簧片组(1101)、镜座(1102)、从动块(1103)、从动定子(1104)以及动镜模块；
所述主动弹性簧片组(1001)的活动端处设置有所述主动动子(1002)和斜块(1003)，所述主动弹性簧片组(1001)的固定端通过所述主动定子(1004)固定；
所述从动弹性簧片组(1101)的活动端处设置有所述镜座(1102)，所述从动块(1103)和所述动镜模块固定在所述镜座(1102)处，所述从动弹性簧片组(1101)的固定端通过所述从动定子(1104)固定，使所述从动弹性簧片组(1101)与主动弹性簧片组(1001)在未受外力时相互垂直，且使所述从动块(1103)与所述斜块(1003)可动地接触。
2.根据权利要求1所述的微动机构，其特征在于，所述动镜模块包括：反射镜组(1105)以及反射镜固定装置(1106)；其中，
所述反射镜组(1105)包括两块反射镜，所述两块反射镜的底部分别固定在所述镜座(1102)上，所述两块反射镜的顶部由所述反射镜固定装置(1106)固定，两块反射镜的背面相对，使沿垂直于所述从动弹性簧片组(1101)的方向入射所述反射镜的光线沿与入射方向夹角为180°的方向出射。
3.根据权利要求1所述的微动机构，其特征在于，所述动镜模块包括：一体化反射镜组，所述一体化反射镜组为一体化双面反射镜，该一体化双面反射镜具有两个位于对称位置的反射面，沿垂直于从动弹性簧片组(1101)的方向入射反射镜的光线经所述一体化反射镜组反射，沿与入射方向夹角为180°的方向出射。
4.根据权利要求2或3所述的微动机构，其特征在于，所述动镜模块的反射镜为空心立体角镜，所述空心立体角镜由三面相互垂直的平面镜构成。
5.根据权利要求1至3任一项所述的微动机构，其特征在于，所述主动弹性簧片组(1001)和从动弹性簧片组(1101)分别包括一个或多个弹性簧片。
6.一种包括权利要求1-5之一所述微动机构的动镜干涉仪，所述动镜干涉仪包括：分束器(2001)、反射镜组(2002)和所述微动机构(2003)，
所述反射镜组(2002)包括第一反射镜和第二反射镜，该第一反射镜和第二反射镜分别设置在所述分束器(2001)的反射光路和透射光路上并以所述分束器(2001)为对称中心对称，
所述微动机构(2003)设置在第一反射镜和第二反射镜的反射光路上，所述微动机构(2003)的从动弹性簧片组方向平行于所述分束器(2001)的反射面，且所述微动机构(2003)的动镜模块处于所述第一、第二反射镜的反射光束光路上，当所述微动机构(2003)未受外力作用时，其动镜模块与所述第一、第二反射镜的中心距离相等。
7.根据权利要求6所述的动镜干涉仪，其特征在于，所述动镜干涉仪还包括：光源(2101)、准直镜(2102)和干涉仪出射镜(2103)；其中，
所述准直镜(2102)将由所述光源(2101)入射所述动镜干涉仪的光变为平行光，
上述平行光经过所述分束器、反射镜组以及动镜模块出射，获得干涉光，所述干涉光经过所述干涉仪出射镜(2103)反射，获得干涉仪出射光。
8.根据权利要求7所述的动镜干涉仪，其特征在于，所述光源(2101)为红外光源，所述准直镜(2102)为抛物面镜。
9.根据权利要求7至8任一项所述的动镜干涉仪，其特征在于，所述动镜干涉仪还包括：参考激光器(2201)、激光反射模块(2202)和激光探测器(2203)；其中，
由所述参考激光器(2201)出射的激光经所述激光反射模块(2202)反射沿所述干涉光的反方向入射干涉仪，最后沿所述准直镜的出射光的反方向出射，并由所述激光探测器(2203)接收。
10.一种包括权利要求6-9之一所述动镜干涉仪的红外光谱仪，其特征在于，所述红外光谱仪包括：所述动镜干涉仪、音圈电机(3001)和外围固定结构(3002)；其中，
所述音圈电机(3001)固定在所述外围固定结构(3002)上，所述音圈电机(3001)的运动端的运动方向垂直于所述微动机构的主动弹性簧片组方向，所述音圈电机(3001)的运动端与所述动镜干涉仪的微动机构的主动动子接合。
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