一種干涉儀及光譜儀的制作方法

本發明屬于光譜儀技術領域，尤其涉及一種干涉儀及包含干涉儀的光譜儀。

背景技術：

紅外光譜最重要的應用就是化合物的結構鑒定，通過譜圖與分子結構的關系以及與標準譜圖比較，可以確定化合物的結構，如推測是否存在某些官能團、順反異構、取代基的位置、氫鍵的結合以及絡合物的形成等。而傅里葉變換紅外光譜儀是實現紅外光譜探測的最重要的一種儀器，傅立葉紅外光譜儀能夠對任何形態的樣品(固體、液體或氣體樣品)進行分析，能夠對單一組分的純凈物或多種組分的混合物，進行快速、準確的定性與定量分析，被廣泛的用在環境監測、生物化工、醫藥、食品、珠寶鑒定等領域。

傅立葉變換紅外光譜儀是利用邁克耳遜干涉儀搭建的光譜儀，具有掃描速度快、波長精度高、分辨率高、靈敏度高等優點。而隨著傅里葉變換紅外光譜技術的不斷發展與進步，與其相配合的紅外附件技術也在不斷發展與更新，使傅里葉變換紅外光譜儀的功能得到大幅的擴展，使用范圍與應用領域也更加廣泛。基于動鏡掃描的傅立葉變換紅外的干涉儀系統是儀器實現的核心部件，干涉儀的調制效率，動鏡掃描機構的穩定性是傅立葉紅外光譜儀的核心問題。

傅立葉變換紅外光譜儀在實驗室的應用已經相當成功，能夠與各種各樣的附件以及其它測量儀器聯合以實現強大的分析功能。而在工業現場，由于實驗室所用的傅立葉變換紅外光譜儀體積龐大，重量很重，易受到潮濕、振動、溫度等環境因素的影響，難以正常工作，且無法做到小型化、便攜化。

干涉儀(邁克耳遜干涉儀)是一種利用雙光束進行干涉的光學平臺，是構成傅里葉變換紅外光譜儀的核心模塊，對傅里葉變換紅外光譜儀的性能影響最大。

由于干涉儀中的光學器件所處的狀態(位置與角度)是光的干涉級別的，因此對于干涉儀中的光學器件而言，納米級、角秒級的波動都會對干涉儀的干涉效率造成極大的影響，從而使分析儀的性能降低，保證干涉儀的精準度是本領域的關鍵問題之一。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明利用空心立體角鏡的光學抗震原理，搭建一種高效率的干涉儀結構，結合一種精密、穩定、小巧、加工難度低的機械微調整機構，能夠以很低的成本對光學反射鏡進行納米級與角秒級的調整，且能夠在調整后完全鎖死，以保證儀器的穩定；同時提出了一種包含該干涉儀的光譜儀。

一方面，本發明提供一種干涉儀，包括殼體、激光器、分束器、平面鏡和動鏡掃描機構；

所述激光器和分束器固定在所述殼體上；

所述平面鏡包括第一平面鏡和第二平面鏡，所述第一平面鏡和第二平面鏡分別位于所述分束器的兩側，用于反射光束；

所述動鏡掃描機構包括支架、擺動臂、樞軸、第一角鏡、第二角鏡和驅動裝置，所述支架固定在所述殼體上，所述擺動臂通過所述樞軸連接在所述支架上，用于折返所述平面鏡的光束的所述第一角鏡和第二角鏡固定在所述擺動臂上且對稱的分布在所述分束器的兩側，所述驅動裝置連接所述擺動臂。

本發明中，第一角鏡和第二角鏡為空心立體角鏡，其由互相垂直的反射平面構成，其光學特性為，當平行光入射到空心立體角鏡的有效孔徑范圍之內后，出射光的方向與入射光呈180度夾角，即反向返回。

激光器產生的光束入射到分束器，經過分光后，分別入射到第一平面鏡和第二平面鏡，經過平面鏡反射后再分別入射到第一角鏡和第二角鏡中，經過第一角鏡和第二角鏡的折返之后經分束器射出。

進一步的，本發明的干涉儀還包括激光反射鏡，所述激光反射鏡固定所述殼體上，用于反射所述激光器產生的光束。利用激光反射鏡反射激光器產生的光束到分束器，可以使激光器位置隨產品的需求而改變。

作為本發明優選的方案，所述激光反射鏡包括第一激光反射鏡和第二激光反射鏡，用于對激光入射角度在兩個方向上進行調節，確保激光能夠準直的入射到干涉儀中。激光器可固定在平面鏡的上方，使得干涉儀的結構緊湊。

作為優選的方案，本發明的干涉儀進一步包括用于固定所述平面鏡的微調機構，所述微調機構包括固定座、調整座、拉伸彈簧、微調螺釘和固定螺釘；所述固定座固定在所述殼體上；所述調整座通過所述拉伸彈簧連接所述固定座，所述平面鏡固定在所述調整座上；所述微調螺釘通過螺紋固定在所述固定座上，所述微調螺釘的端頭緊貼所述調整座；所述固定螺釘用于固定所述調整座。

使用螺絲或膠水等能夠將平面鏡固定在調整座上；通過調整微調螺釘，即可精密的對平面鏡的角度進行調節與控制；固定螺釘能夠在調整完畢后將整個機構進行鎖定，從而保證機構的穩定性。

具體的，所述微調機構進一步包括鋼柱，所述固定座和調整座上設有凹槽，所述鋼柱安裝在所述凹槽內，所述拉伸彈簧的兩端分別連接所述固定座的鋼柱和調整座的鋼柱。

進一步的，所述微調螺釘的螺距為25～200μm，能夠對光路進行角秒級的精密調整，從而使干涉儀具有很高的光學準直性，使干涉儀的干涉效率能夠達到最佳狀態。

優選的，所述驅動裝置為音圈電機。

另一方面，本發明提供一種光譜儀，其包括干涉儀、紅外光源和拋物面鏡，所述干涉儀為任一上述的干涉儀。

紅外光源輻射的光束經過拋物面鏡的準直之后，入射到分束器中，經過分光后，分別入射到第一平面鏡和第二平面鏡，經過反射后再入射到第一角鏡和第二角鏡中，在經過折返之后產生干涉。

作為優選的方案，所述拋物面鏡的中心設有通光孔。

進一步的，本發明的光譜儀還包括激光探測器，所述激光探測器安裝在所述拋物面鏡上，位于所述通光孔的平面端。

激光器產生的光束經干涉以后通過中心開孔的拋物面鏡，最終到達激光探測器中。

與傳統的干涉儀結構相比，本發明的干涉儀能夠在相同的動鏡掃描距離下，產生兩倍于傳統干涉儀結構的光程差，從而有利于獲得更高的光譜分辨率，充分的利用空間，使儀器結構緊湊、小巧。

微調機構能夠對光路進行角秒級的精密調整，從而使干涉儀具有很高的光學準直性，使干涉儀的干涉效率能夠達到最佳狀態，再利用固定螺釘將調整后的機構固定，使得微調機構具有很高的精度與很好的穩定性，同時能夠降低對加工精度的要求。

動鏡掃描機構在受到作用力時，繞樞軸的中心軸進行擺動；以音圈電機作為驅動裝置，使得該機構具有精度高、響應快、無摩擦等優點。

附圖說明

圖1是本發明實施例干涉儀的結構圖；

圖2是本發明實施例動鏡掃描機構的結構示意圖；

圖3是本發明實施例微調機構的主視圖；

圖4是本發明實施例微調機構的左視圖；

圖5是本發明光譜儀的結構圖；

圖6是激光器產生的光束的光路示意圖；

圖7是紅外光源的光束的光路示意圖。

圖中：

1-殼體；2-激光器；3-分束器；

4-平面鏡，401第一平面鏡，402-第二平面鏡；

5-動鏡掃描機，501-支架，502-擺動臂，503-樞軸，504-第一角鏡，505-第二角鏡，506-驅動裝置；

6-激光反射鏡，601-第一激光反射鏡，602-第二激光反射鏡；

7-微調機構，701-固定座，702-調整座，703-拉伸彈簧，704-微調螺釘，705-固定螺釘，706-鋼柱。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

為了便于更好的理解本發明，在此對本發明的部分術語進行簡單說明：

調制效率：干涉信號的調制效率表征光干涉的效率其中，I代表光強。

動鏡掃描機構：干涉儀中唯一的運動部件，做往復掃描，使兩束相干光的光程差發生變化。

如圖1所示，本發明實施例提供一種干涉儀，包括殼體1、激光器2、分束器3、平面鏡4、動鏡掃描機5、激光反射鏡6和微調機構7。

激光器2固定在殼體1上，產生的光束為可見光，可作為光譜儀的參考光束。

分束器3固定在殼體1上。分束器3可將光束分成第一光束和第二光束，第一光束和第二光束經干涉儀后續處理后可產生干涉。

平面鏡4包括第一平面鏡401和第二平面鏡402，第一平面鏡和第二平面鏡分別位于分束器3的兩側，用于反射光束。

如圖2所示，動鏡掃描機構5包括支架501、擺動臂502、樞軸503、第一角鏡504、第二角鏡505和驅動裝置506。

支架501固定在殼體1上，擺動臂502通過樞軸503連接在支架501上。

第一角鏡504和第二角鏡505固定在擺動臂502的兩端，對稱的分布在分束器3的兩側。樞軸503位于第一角鏡504和第二角鏡505之間。第一角鏡504和第二角鏡505用于折返第一平面鏡401和第二平面鏡402的光束。第一角鏡504和第二角鏡505為空心立體角鏡，空心立體角鏡的光學特性是能夠將入射光束按照180°進行反射，而不受入射角與角鏡姿態的影響，所以利用空心立體角鏡能夠克服自身傾斜的影響；而完全對稱的光學結構，使得光束不會產生橫移，所以使得儀器能夠克服傳統干涉儀中傾斜與橫移的影響，在光學原理上提升了儀器的穩定性，降低對加工精度的依賴，且易于調節。

驅動裝置506為音圈電機，音圈電機包括線圈和磁鐵，其磁鐵固定在擺動臂502上。

擺動臂502與第一角鏡504和第二角鏡505作為一個整體，固定在樞軸503上，且整個機構以樞軸的旋轉軸為中心對稱。當線圈中的電流發生改變時，線圈周圍的磁場發生改變，與磁鐵發生相互作用，產生一個變化的電磁力，隨著電磁力的改變，動鏡掃描機構7會繞樞軸進行擺動。樞軸503為彈簧樞軸，彈簧樞軸具有很好的力學特性，其轉角與力的大小有很好的線性關系；利用線圈與磁鐵構成的驅動裝置，能夠與彈簧樞軸一起構建一個實際的控制模型。通過仿真與計算，能夠準確的得到這一模型。最后，通過控制線圈中的電流，即可對動鏡掃描機構5的掃描進行精確的控制。該機構具有精度高、響應快、無摩擦等優點。

如圖1所示，干涉儀還包括激光反射鏡6，激光反射鏡6固定殼體1上，用于反射激光器2產生的光束。

本發明實施例中，激光反射鏡6包括第一激光反射鏡601和第二激光反射鏡602。激光器可固定在平面鏡4的上方，第一激光反射鏡601和第二激光反射鏡602與水平面的夾角為45°，使得干涉儀的結構更緊湊。

如圖1、圖3和圖4所示，微調機構7用于固定第二平面鏡402。微調機構包括固定座701、調整座702、拉伸彈簧703、微調螺釘704、固定螺釘705和鋼柱706。

固定座701固定在殼體1上，調整座702通過拉伸彈簧703連接固定座701，第二平面鏡402使用螺絲或膠水固定在調整座702上。固定座701上設有螺紋孔，微調螺釘704通過螺紋固定在固定座701上，微調螺釘704的端頭緊貼調整座702，旋轉微調螺釘704即可調整第二平面鏡402的角度。固定螺釘705用于固定調整座702，能夠在調整完畢后將整個機構進行鎖定，從而保證機構的穩定性。

固定座701和調整座702上設有凹槽，鋼柱706安裝在凹槽內，拉伸彈簧703的兩端分別連接固定座的鋼柱和調整座的鋼柱。

本發明實施例中，微調整機構7所使用的微調螺釘704能夠產生25μm/轉的精度，實際應用中，根據需要可選擇微調螺釘的螺距為25～200μm。微調機構7能夠對光路進行角秒級的精密調整，從而使干涉儀具有很高的光學準直性，使干涉儀的干涉效率能夠達到最佳狀態，再利用固定螺釘705將調整后的機構固定，使得微調整機構7具有很高的精度與很好的穩定性，同時，能夠降低對加工精度的要求。

如圖5所示，本發明實施例提供一種光譜儀，其包括干涉儀、紅外光源8、拋物面鏡9和激光探測器10。

拋物面鏡9用于對紅外光源8產生的光束的準直。拋物面鏡9的在拋物面的中心設有通光孔。激光探測器10安裝在拋物面鏡9上，位于通光孔的平面端。激光器2產生的光束可通過拋物面鏡9的通孔到達拋物面鏡后面的激光探測器10中。通過激光探測器10可檢測動鏡掃描機構5的掃描速度，為紅外光源的光束提供參考，實現動鏡掃描機構的精確控制。

如圖6所示，激光器2產生的光束經過激光反射鏡6的反射之后，入射到分束器3，經過分光后，分別入射到第一平面鏡401和第二平面鏡402，經過反射后再入射到第一角鏡504和第二角鏡505中，經過兩個角鏡的折返之后通過中心開孔的拋物面鏡9，最終到達安裝在拋物面鏡后面的激光探測器10中。

如圖7所示，紅外光源8輻射的光束經過拋物面鏡9的準直之后，入射到分束器3，經過分光后，分別入射到第一平面鏡401和第二平面鏡402，經過反射后再入射到第一角鏡504和第二角鏡505中，在經過折返之后產生干涉，最后從第二激光反射鏡602的位置出射。

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本發明而非限制本發明的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的范圍之內。此外，除上下文另有所指外，以單數形式出現的詞包括復數形式，反之亦然。另外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。