CN106525241A - 一种干涉仪及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种干涉仪及光谱仪。该干涉仪包括壳体、激光器、分束器、平面镜和动镜扫描机构；激光器和分束器固定在壳体上；平面镜用于反射光束；动镜扫描机构包括支架、摆动臂、枢轴、第一角镜、第二角镜和驱动装置，支架固定在壳体上，摆动臂通过枢轴连接在支架上，用于折返平面镜反射光束的第一角镜和第二角镜固定在摆动臂上且对称的分布在分束器的两侧，驱动装置连接摆动臂。该光谱仪包括干涉仪、红外光源和抛物面镜。本发明的干涉仪及光谱仪，具有环境适应性强、结构紧凑、体积小、重量轻、稳定性高、低成本优点，能够在工业现场的环境中使用。

Description

一种干涉仪及光谱仪

技术领域

本发明属于光谱仪技术领域，尤其涉及一种干涉仪及包含干涉仪的光谱仪。

背景技术

红外光谱最重要的应用就是化合物的结构鉴定，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。而随着傅里叶变换红外光谱技术的不断发展与进步，与其相配合的红外附件技术也在不断发展与更新，使傅里叶变换红外光谱仪的功能得到大幅的扩展，使用范围与应用领域也更加广泛。基于动镜扫描的傅立叶变换红外的干涉仪系统是仪器实现的核心部件，干涉仪的调制效率，动镜扫描机构的稳定性是傅立叶红外光谱仪的核心问题。

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。而在工业现场，由于实验室所用的傅立叶变换红外光谱仪体积庞大，重量很重，易受到潮湿、振动、温度等环境因素的影响，难以正常工作，且无法做到小型化、便携化。

干涉仪(迈克耳逊干涉仪)是一种利用双光束进行干涉的光学平台，是构成傅里叶变换红外光谱仪的核心模块，对傅里叶变换红外光谱仪的性能影响最大。

由于干涉仪中的光学器件所处的状态(位置与角度)是光的干涉级别的，因此对于干涉仪中的光学器件而言，纳米级、角秒级的波动都会对干涉仪的干涉效率造成极大的影响，从而使分析仪的性能降低，保证干涉仪的精准度是本领域的关键问题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明利用空心立体角镜的光学抗震原理，搭建一种高效率的干涉仪结构，结合一种精密、稳定、小巧、加工难度低的机械微调整机构，能够以很低的成本对光学反射镜进行纳米级与角秒级的调整，且能够在调整后完全锁死，以保证仪器的稳定；同时提出了一种包含该干涉仪的光谱仪。

一方面，本发明提供一种干涉仪，包括壳体、激光器、分束器、平面镜和动镜扫描机构；

所述激光器和分束器固定在所述壳体上；

所述平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜分别位于所述分束器的两侧，用于反射光束；

所述动镜扫描机构包括支架、摆动臂、枢轴、第一角镜、第二角镜和驱动装置，所述支架固定在所述壳体上，所述摆动臂通过所述枢轴连接在所述支架上，用于折返所述平面镜的光束的所述第一角镜和第二角镜固定在所述摆动臂上且对称的分布在所述分束器的两侧，所述驱动装置连接所述摆动臂。

本发明中，第一角镜和第二角镜为空心立体角镜，其由互相垂直的反射平面构成，其光学特性为，当平行光入射到空心立体角镜的有效孔径范围之内后，出射光的方向与入射光呈180度夹角，即反向返回。

激光器产生的光束入射到分束器，经过分光后，分别入射到第一平面镜和第二平面镜，经过平面镜反射后再分别入射到第一角镜和第二角镜中，经过第一角镜和第二角镜的折返之后经分束器射出。

进一步的，本发明的干涉仪还包括激光反射镜，所述激光反射镜固定所述壳体上，用于反射所述激光器产生的光束。利用激光反射镜反射激光器产生的光束到分束器，可以使激光器位置随产品的需求而改变。

作为本发明优选的方案，所述激光反射镜包括第一激光反射镜和第二激光反射镜，用于对激光入射角度在两个方向上进行调节，确保激光能够准直的入射到干涉仪中。激光器可固定在平面镜的上方，使得干涉仪的结构紧凑。

作为优选的方案，本发明的干涉仪进一步包括用于固定所述平面镜的微调机构，所述微调机构包括固定座、调整座、拉伸弹簧、微调螺钉和固定螺钉；所述固定座固定在所述壳体上；所述调整座通过所述拉伸弹簧连接所述固定座，所述平面镜固定在所述调整座上；所述微调螺钉通过螺纹固定在所述固定座上，所述微调螺钉的端头紧贴所述调整座；所述固定螺钉用于固定所述调整座。

使用螺丝或胶水等能够将平面镜固定在调整座上；通过调整微调螺钉，即可精密的对平面镜的角度进行调节与控制；固定螺钉能够在调整完毕后将整个机构进行锁定，从而保证机构的稳定性。

具体的，所述微调机构进一步包括钢柱，所述固定座和调整座上设有凹槽，所述钢柱安装在所述凹槽内，所述拉伸弹簧的两端分别连接所述固定座的钢柱和调整座的钢柱。

进一步的，所述微调螺钉的螺距为25～200μm，能够对光路进行角秒级的精密调整，从而使干涉仪具有很高的光学准直性，使干涉仪的干涉效率能够达到最佳状态。

优选的，所述驱动装置为音圈电机。

另一方面，本发明提供一种光谱仪，其包括干涉仪、红外光源和抛物面镜，所述干涉仪为任一上述的干涉仪。

红外光源辐射的光束经过抛物面镜的准直之后，入射到分束器中，经过分光后，分别入射到第一平面镜和第二平面镜，经过反射后再入射到第一角镜和第二角镜中，在经过折返之后产生干涉。

作为优选的方案，所述抛物面镜的中心设有通光孔。

进一步的，本发明的光谱仪还包括激光探测器，所述激光探测器安装在所述抛物面镜上，位于所述通光孔的平面端。

激光器产生的光束经干涉以后通过中心开孔的抛物面镜，最终到达激光探测器中。

与传统的干涉仪结构相比，本发明的干涉仪能够在相同的动镜扫描距离下，产生两倍于传统干涉仪结构的光程差，从而有利于获得更高的光谱分辨率，充分的利用空间，使仪器结构紧凑、小巧。

微调机构能够对光路进行角秒级的精密调整，从而使干涉仪具有很高的光学准直性，使干涉仪的干涉效率能够达到最佳状态，再利用固定螺钉将调整后的机构固定，使得微调机构具有很高的精度与很好的稳定性，同时能够降低对加工精度的要求。

动镜扫描机构在受到作用力时，绕枢轴的中心轴进行摆动；以音圈电机作为驱动装置，使得该机构具有精度高、响应快、无摩擦等优点。

附图说明

图1是本发明实施例干涉仪的结构图；

图2是本发明实施例动镜扫描机构的结构示意图；

图3是本发明实施例微调机构的主视图；

图4是本发明实施例微调机构的左视图；

图5是本发明光谱仪的结构图；

图6是激光器产生的光束的光路示意图；

图7是红外光源的光束的光路示意图。

图中：

1-壳体；2-激光器；3-分束器；

4-平面镜，401第一平面镜，402-第二平面镜；

5-动镜扫描机，501-支架，502-摆动臂，503-枢轴，504-第一角镜，505-第二角镜，506-驱动装置；

6-激光反射镜，601-第一激光反射镜，602-第二激光反射镜；

7-微调机构，701-固定座，702-调整座，703-拉伸弹簧，704-微调螺钉，705-固定螺钉，706-钢柱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

为了便于更好的理解本发明，在此对本发明的部分术语进行简单说明：

调制效率：干涉信号的调制效率表征光干涉的效率其中，I代表光强。

动镜扫描机构：干涉仪中唯一的运动部件，做往复扫描，使两束相干光的光程差发生变化。

如图1所示，本发明实施例提供一种干涉仪，包括壳体1、激光器2、分束器3、平面镜4、动镜扫描机5、激光反射镜6和微调机构7。

激光器2固定在壳体1上，产生的光束为可见光，可作为光谱仪的参考光束。

分束器3固定在壳体1上。分束器3可将光束分成第一光束和第二光束，第一光束和第二光束经干涉仪后续处理后可产生干涉。

平面镜4包括第一平面镜401和第二平面镜402，第一平面镜和第二平面镜分别位于分束器3的两侧，用于反射光束。

如图2所示，动镜扫描机构5包括支架501、摆动臂502、枢轴503、第一角镜504、第二角镜505和驱动装置506。

支架501固定在壳体1上，摆动臂502通过枢轴503连接在支架501上。

第一角镜504和第二角镜505固定在摆动臂502的两端，对称的分布在分束器3的两侧。枢轴503位于第一角镜504和第二角镜505之间。第一角镜504和第二角镜505用于折返第一平面镜401和第二平面镜402的光束。第一角镜504和第二角镜505为空心立体角镜，空心立体角镜的光学特性是能够将入射光束按照180°进行反射，而不受入射角与角镜姿态的影响，所以利用空心立体角镜能够克服自身倾斜的影响；而完全对称的光学结构，使得光束不会产生横移，所以使得仪器能够克服传统干涉仪中倾斜与横移的影响，在光学原理上提升了仪器的稳定性，降低对加工精度的依赖，且易于调节。

驱动装置506为音圈电机，音圈电机包括线圈和磁铁，其磁铁固定在摆动臂502上。

摆动臂502与第一角镜504和第二角镜505作为一个整体，固定在枢轴503上，且整个机构以枢轴的旋转轴为中心对称。当线圈中的电流发生改变时，线圈周围的磁场发生改变，与磁铁发生相互作用，产生一个变化的电磁力，随着电磁力的改变，动镜扫描机构7会绕枢轴进行摆动。枢轴503为弹簧枢轴，弹簧枢轴具有很好的力学特性，其转角与力的大小有很好的线性关系；利用线圈与磁铁构成的驱动装置，能够与弹簧枢轴一起构建一个实际的控制模型。通过仿真与计算，能够准确的得到这一模型。最后，通过控制线圈中的电流，即可对动镜扫描机构5的扫描进行精确的控制。该机构具有精度高、响应快、无摩擦等优点。

如图1所示，干涉仪还包括激光反射镜6，激光反射镜6固定壳体1上，用于反射激光器2产生的光束。

本发明实施例中，激光反射镜6包括第一激光反射镜601和第二激光反射镜602。激光器可固定在平面镜4的上方，第一激光反射镜601和第二激光反射镜602与水平面的夹角为45°，使得干涉仪的结构更紧凑。

如图1、图3和图4所示，微调机构7用于固定第二平面镜402。微调机构包括固定座701、调整座702、拉伸弹簧703、微调螺钉704、固定螺钉705和钢柱706。

固定座701固定在壳体1上，调整座702通过拉伸弹簧703连接固定座701，第二平面镜402使用螺丝或胶水固定在调整座702上。固定座701上设有螺纹孔，微调螺钉704通过螺纹固定在固定座701上，微调螺钉704的端头紧贴调整座702，旋转微调螺钉704即可调整第二平面镜402的角度。固定螺钉705用于固定调整座702，能够在调整完毕后将整个机构进行锁定，从而保证机构的稳定性。

固定座701和调整座702上设有凹槽，钢柱706安装在凹槽内，拉伸弹簧703的两端分别连接固定座的钢柱和调整座的钢柱。

本发明实施例中，微调整机构7所使用的微调螺钉704能够产生25μm/转的精度，实际应用中，根据需要可选择微调螺钉的螺距为25～200μm。微调机构7能够对光路进行角秒级的精密调整，从而使干涉仪具有很高的光学准直性，使干涉仪的干涉效率能够达到最佳状态，再利用固定螺钉705将调整后的机构固定，使得微调整机构7具有很高的精度与很好的稳定性，同时，能够降低对加工精度的要求。

如图5所示，本发明实施例提供一种光谱仪，其包括干涉仪、红外光源8、抛物面镜9和激光探测器10。

抛物面镜9用于对红外光源8产生的光束的准直。抛物面镜9的在抛物面的中心设有通光孔。激光探测器10安装在抛物面镜9上，位于通光孔的平面端。激光器2产生的光束可通过抛物面镜9的通孔到达抛物面镜后面的激光探测器10中。通过激光探测器10可检测动镜扫描机构5的扫描速度，为红外光源的光束提供参考，实现动镜扫描机构的精确控制。

如图6所示，激光器2产生的光束经过激光反射镜6的反射之后，入射到分束器3，经过分光后，分别入射到第一平面镜401和第二平面镜402，经过反射后再入射到第一角镜504和第二角镜505中，经过两个角镜的折返之后通过中心开孔的抛物面镜9，最终到达安装在抛物面镜后面的激光探测器10中。

如图7所示，红外光源8辐射的光束经过抛物面镜9的准直之后，入射到分束器3，经过分光后，分别入射到第一平面镜401和第二平面镜402，经过反射后再入射到第一角镜504和第二角镜505中，在经过折返之后产生干涉，最后从第二激光反射镜602的位置出射。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种干涉仪，包括壳体、激光器、分束器、平面镜和动镜扫描机构，其特征在于，

所述激光器和分束器固定在所述壳体上；

所述平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜分别位于所述分束器的两侧，用于反射光束；

所述动镜扫描机构包括支架、摆动臂、枢轴、第一角镜、第二角镜和驱动装置，所述支架固定在所述壳体上，所述摆动臂通过所述枢轴连接在所述支架上，所述第一角镜和第二角镜固定在所述摆动臂上且对称的分布在所述分束器的两侧，用于折返所述平面镜的光束，所述驱动装置连接所述摆动臂。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，进一步包括激光反射镜，所述激光反射镜固定所述壳体上，用于反射所述激光器产生的光束。

3.根据权利要求2所述的干涉仪，其特征在于，所述激光反射镜包括第一激光反射镜和第二激光反射镜，用于对激光入射角度在两个方向上进行调节。

4.根据权利要求1～3任一所述的干涉仪，其特征在于，进一步包括用于固定所述平面镜的微调机构，所述微调机构包括固定座、调整座、拉伸弹簧、微调螺钉和固定螺钉；

所述固定座固定在所述壳体上；

所述调整座通过所述拉伸弹簧连接所述固定座，所述平面镜固定在所述调整座上；

所述微调螺钉通过螺纹固定在所述固定座上，所述微调螺钉的端头紧贴所述调整座；

所述固定螺钉用于固定所述调整座。

5.根据权利要求4所述的干涉仪，其特征在于，所述微调机构进一步包括钢柱，所述固定座和调整座上设有凹槽，所述钢柱安装在所述凹槽内，所述拉伸弹簧的两端分别连接所述固定座的钢柱和调整座的钢柱。

6.根据权利要求4所述的干涉仪，其特征在于，所述微调螺钉的螺距为25～200μm。

7.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述驱动装置为音圈电机。

8.一种光谱仪，包括干涉仪、红外光源和抛物面镜，其特征在于，所述干涉仪为权利要求1～7任一所述的干涉仪。

9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述抛物面镜的中心设有通光孔。

10.根据权利要求9所述的光谱仪，其特征在于，进一步包括激光探测器，所述激光探测器安装在所述抛物面镜上，位于所述通光孔的平面端。