專利名稱：一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用角鏡實現(xiàn)固定和可變光程的裝置。
技術(shù)背景[0002]光譜技術(shù)是獲取物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成、物質(zhì)元素含量測定以及研究原子能級等的重要手段，目前已經(jīng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、航空航天遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。[0003]干涉光譜儀的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)的色散型光譜儀(分光棱鏡、色散棱鏡和衍射光柵等)能量利用率低的缺點，而時間調(diào)制型干涉光譜儀繼承了傳統(tǒng)干涉光譜儀的優(yōu)點，集多通道O^elleget優(yōu)點)、高通量(Jacquinot優(yōu)點)、波數(shù)準(zhǔn)確度高(Cormes優(yōu)點)及低噪聲、 測量速度快等一系列優(yōu)點于一身。它擴展了紅外光譜研究領(lǐng)域，近二十年來受到世界各國的廣泛關(guān)注并得到了快速發(fā)展。[0004]傳統(tǒng)的時間調(diào)制型干涉光譜儀即邁克爾遜干涉儀存在兩個主要問題[0005]1、一般需輔助光路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；2、穩(wěn)定性差，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力低。這是因為一方面在傳統(tǒng)邁克爾遜直線型動鏡干涉儀中，動鏡為平面鏡，在運動過程中如果發(fā)生傾斜，將嚴(yán)重影響干涉效率，甚至不能產(chǎn)生干涉；它對動鏡運動的方向性要求也極其嚴(yán)格， 故在直線型動鏡干涉儀中需設(shè)置輔助光路，即利用激光對動鏡運動的方向準(zhǔn)確性、速度均勻性、位移量等進行實時精確監(jiān)測和修正。但是這種輔助光路同時增大了儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和實施的難度。另一方面，因為對動鏡勻速平穩(wěn)運動且對傾斜晃動要求很高，所以干涉儀對動鏡的控制要求有一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)。但是在實際的工程研制過程中，實現(xiàn)高精度的動鏡直線驅(qū)動和支撐系統(tǒng)仍然相當(dāng)困難。另外，動鏡直線往復(fù)運動對運動軌道的加工工藝依賴性較強，雖然激光輔助光路在很大程度上減少了外界環(huán)境如抖動或震動對測量效果的影響，但是這種影響只能減弱并不能完全消除，致使系統(tǒng)穩(wěn)定性差，降低了此類光譜儀適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力和抗干擾能力。針對時間調(diào)制型干涉光譜儀的動態(tài)穩(wěn)定性問題人們提出了多種解決途徑和方案。為避免平面鏡運動過程中傾斜的問題，干涉儀中的角鏡往往被其他抗傾斜的反射鏡替代，如二面角鏡(實心直角棱鏡、屋脊棱鏡或空心二面直角反射鏡)、立方角鏡(實心立方棱鏡或空心三面直角平面鏡)、貓眼鏡等。如果將以上三種反射器分別同時替代邁克爾遜干涉儀的角鏡和定鏡時，盡管對傾斜都不敏感，但都會遇到反射器橫移的問題。利用單個立方角鏡限于僅至多實現(xiàn)雙倍程，角鏡位移量的減小有利于對角鏡實現(xiàn)精確的姿態(tài)和驅(qū)動控制，相反位移量的增大會相應(yīng)地增加測量時間和位移，從而增大干涉儀角鏡驅(qū)動和支撐系統(tǒng)的設(shè)計難度，對導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和工藝要求更加嚴(yán)格。[0006]利用角鏡折疊光路增加有效光程往往出現(xiàn)在干涉儀中，而在分子光譜分析領(lǐng)域， 在傳統(tǒng)的吸收光譜、拉曼光譜和光聲光譜、特別是高分辨光譜的實驗中，人們往往采用多種光學(xué)長程池以增大探測光通過被測樣品的有效光程，以提高探測靈敏度。在吸收光譜檢測中，對于固定的吸收介質(zhì)，可以讓探測光在樣品吸收池的入射和出射端面之間作多次往返通過吸收介質(zhì)，使得光束通過樣品的實際有效吸收光程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品吸收池的幾何長度，實現(xiàn)多光程吸收。常用的光學(xué)長程池有White型、矩陣型和Herriott型。前兩種長程池的特點是孔徑角較大，適用于普通光源和激光光源，但所用反射鏡較多。Herriott型長程池的光學(xué)系統(tǒng)由兩個凹面反射鏡組成，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，光路調(diào)節(jié)相對容易，但孔徑角較小，適用于激光光源，但是這些多光程的光程數(shù)都是固定的，目前還沒有出現(xiàn)過光程數(shù)可變的多光程裝置。實用新型內(nèi)容[0007]為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問題，本實用新型提出了一種校準(zhǔn)精度相對低、易于工程實現(xiàn)的實現(xiàn)多光程及變化光程的裝置及既可作為運動裝置又可作為固定裝置的實現(xiàn)多光程及變化光程的裝置。[0008]本實用新型的技術(shù)解決方案是[0009]一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，其特殊之處在于包括角鏡和折返鏡組； 所述折返鏡組設(shè)置于角鏡的出射光路上；所述折返鏡組與角鏡的設(shè)置方式是折返鏡組固定、角鏡沿直線運動或折返鏡組和角鏡均固定；所述角鏡是立方角鏡，立方角鏡的三個面兩兩垂直。[0010]上述折返鏡組包括第一反射器、第二反射器、第三反射器或/和平面反射鏡；所述第一反射器、第二反射器或第三反射器設(shè)置位置是相交棱與角鏡其中一個面的對角線共面或相交棱所在的平面過角鏡的頂點，且該平面平行于入射光線。[0011]上述第一反射器、第二反射器及第三反射器是二面角鏡、立方角鏡或貓眼鏡。[0012]本實用新型的優(yōu)點是[0013]1、本實用新型設(shè)計可實現(xiàn)變化的多光程，即可利用多光程裝置中的直角反射鏡的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生變化的光程。當(dāng)旋轉(zhuǎn)直角反射鏡時，同一方位入射的光束在角鏡和折返鏡組之間的反射次數(shù)會增多，從而使得光程數(shù)增加，而且在較小的角度光程數(shù)量呈倍數(shù)的增加。當(dāng)需要增加光程數(shù)時，只需要轉(zhuǎn)動折返鏡組中的某一個反射鏡即可實現(xiàn)。[0014]2、本實用新型實現(xiàn)多光程的設(shè)計規(guī)律性強。一支正入射到角鏡內(nèi)的光線在角鏡內(nèi)往復(fù)折疊反射，反射光線的方向和位置容易確定，規(guī)律性強。如實施例中，在由角鏡和兩個直角反射器組成的多光程裝置中，在角鏡內(nèi)部的反射光線在角鏡上的反射點，從入射光的角度看過去，是以角鏡頂點為圓心的圓周上。因而規(guī)律明顯，便于設(shè)計。[0015]3、本實用新型實現(xiàn)多光程所用反射器件少，探測靈敏度高。由于需要轉(zhuǎn)動折返鏡組中的某一個反射鏡，即可實現(xiàn)更多光程數(shù)，而不需要另外增加反射器件，因而這種設(shè)計方式靈活，所用反射器件較少。特別是在激光光譜儀或用激光做光源的光學(xué)長程室中，這種不增加反射器件，但是光程數(shù)量僅靠擺放方位的改變而可大幅增加的方法，大大提高了探測的靈敏度。[0016]4、本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡單，光路調(diào)整相對容易。多光程裝置由角鏡和折返鏡組兩部分組成，反射器件的數(shù)量較少，因而裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單。而其中的光學(xué)器件皆是反射器件，無需考慮透射器件可能產(chǎn)生的像差，將其作為光學(xué)裝置置于光路中，調(diào)試光路時相對容易。[0017]5、本實用新型便于工程實現(xiàn)。多光程裝置的結(jié)構(gòu)簡單，其中各反射器件的渠道來源、設(shè)計、安裝都不復(fù)雜，因而整個裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計容易實現(xiàn)。裝置中的折返鏡組部分可根據(jù)不同場合應(yīng)用需求改動其中反射器件的種類、數(shù)量、組合和排列方式，方式靈活多樣。[0018]6、本實用新型可作為光學(xué)長程室使用。本實用新型的多光程裝置理論上可形成幾程到上百程光路，光束在多光程裝置中來回多次反射，因而有效光程顯著增加，提高了探測的靈敏度。不過光程數(shù)量也會受到光束的口徑和偏差、視場角、以及光能量損失、立方角鏡和折返鏡組中反射器的尺寸等制約。[0019]7、本實用新型可作為運動部件使用。當(dāng)將多光程裝置中的角鏡作為時間調(diào)制型干涉儀中的動鏡時，一方面保留了立方角鏡在降低干涉儀校準(zhǔn)精度方面和增強干涉儀的抗干擾能力方面的優(yōu)勢，另一方面將多光程裝置中的折返鏡組固定，幾乎不會降低干涉儀在這兩個方面的性能，同時又幾乎不會對干涉儀其他光機結(jié)構(gòu)部件造成影響。這樣，只需要對過去的立方角鏡干涉儀做較小改動，就可以完成使用本實用新型裝置設(shè)計的新型干涉儀。[0020]8、本實用新型適用于普通光源和激光光源。根據(jù)不同應(yīng)用場合，當(dāng)要求不同光程數(shù)量時，本實用新型的多光程裝置的結(jié)構(gòu)形式可改變。不同孔徑角和口徑的光源對多光程裝置的結(jié)構(gòu)要求不同，但一般情況下，利用多光程裝置形成約M程光路時，可能適用于普通光源或激光光源；當(dāng)多于M程時，可能更適用于激光光源。[0021]9、當(dāng)光束在同一分區(qū)或同一反射面的入射和出射次數(shù)相同時，因裝置中各反射器件的二面角偏差引起的光束偏差會自動補償。此時，多光程裝置的入射光束與出射光束之間的角度偏差僅僅與折返鏡組中的一個固定折返鏡的二面偏差角相關(guān)，而與角鏡和其它折返鏡的二面偏差角無關(guān)。


[0022]圖1是本實用新型的實現(xiàn)十二程的多光程裝置結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖2是本實用新型的實現(xiàn)三十六程的多光程裝置結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]圖3是圖1結(jié)構(gòu)下正視角鏡的對稱軸時光束在角鏡內(nèi)的反射點示意圖；[0025]圖4是圖2結(jié)構(gòu)下正視角鏡的對稱軸時光束在角鏡內(nèi)的反射點示意圖；[0026]圖5是正視角鏡對稱軸時十二程光程時入射光在角鏡內(nèi)的反射順序示意圖；[0027]圖6是圖5中的折返鏡組中較小的直角反射鏡旋轉(zhuǎn)方式示意圖；[0028]圖7是圖5中的直角反射鏡按照圖6的旋轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)后的示意圖；[0029]圖中1-角鏡，2-折返鏡組，3-第一直角反射鏡，4-第二直角反射鏡。
具體實施方式
[0030]參見圖1，一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，其較佳實施方式為包括角鏡1 和折返鏡組2 ；其中折返鏡組2設(shè)置于角鏡1的出射光路上。當(dāng)將裝置作為時間調(diào)制型干涉光譜儀(或光譜成像儀)的動鏡裝置時，最好是折返鏡組2是固定的，而角鏡1是可沿直線來回往復(fù)運動的，或者擺動、旋轉(zhuǎn)等；角鏡1是采用立方角鏡，立方角鏡的三個面兩兩相互垂直，且各反射面平整、反射率各向同性，能無損耗按照原方向返回光線。折返鏡組2包括多個反射器，即包括有第一反射器3、第二反射器4，還可以增設(shè)第三反射器和平面反射鏡。 一般第一反射器3、第二反射器4可以采用二面角鏡(即實心直角棱鏡、屋脊棱鏡或空心二面直角反射鏡等)，也可以采用立方角鏡(即實心立方棱鏡或空心三面直角平面鏡)、貓眼鏡等，第三反射器可以采用二面角鏡、立方角鏡或者貓眼鏡或者其他的可以使光線按照原方向返回的反射鏡。[0031]參見圖5-圖7，一種利用旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)變化光程數(shù)的多光程裝置，即可利用多光程裝置中的直角反射鏡的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生變化的光程。圖中陰影部分表示折返鏡組中的一個直角反射鏡4，在正視角鏡對稱軸時該直角反射鏡對應(yīng)立方角鏡口徑的1/3大小；而折返鏡組中另一個直角反射鏡3對應(yīng)立方角鏡口徑的1/2大小。當(dāng)旋轉(zhuǎn)直角反射鏡4時，同一方位入射的光束會因在角鏡和折返鏡組之間的反射次數(shù)的增多，而發(fā)生光程的增加，而且在較小的角度光程數(shù)量呈倍數(shù)的增加。正視角鏡1對稱軸時，如圖5中，直角反射鏡4的棱邊(或其延長線)與角鏡1的對稱軸相交，此交點記為0。直角反射鏡4的旋轉(zhuǎn)方法為以交點0為固定點，將直角反射鏡4繞角鏡1的對稱軸逆時針旋轉(zhuǎn)。在實施例圖6中，直角反射鏡4逆時針旋轉(zhuǎn)了 20°。圖5中的光程數(shù)為十二程，當(dāng)旋轉(zhuǎn)直角反射鏡4角度20°后，光程數(shù)便增加到圖7中的二十八程。當(dāng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，光程數(shù)還會繼續(xù)增加。如此，便產(chǎn)生了變化的光程。 光程數(shù)的變化有利于開展對比實驗和完成不同技術(shù)指標(biāo)的要求，應(yīng)用于高靈敏度的探測和復(fù)雜多變的場合需求，而儀器本身的體積、重量等則幾乎沒有發(fā)生變化。[0032]當(dāng)光程數(shù)不小于12程時，因裝置中各反射器件的二面角偏差引起的光束偏差會自動補償，如果綜合考慮光束的孔徑角、口徑、能量損失等因素，其最佳實施方式為多光程裝置的光程數(shù)應(yīng)等于12程，且光束在角鏡1的同一分區(qū)或同一反射面的入射和出射次數(shù)相同時。其較佳實施方式為裝置的光程數(shù)等于M程，即第三反射器為平面鏡時形成的M程光路，或者光束由第三反射器反射返回后直接從多光程裝置出射而形成的對程光路。當(dāng)將它作為光學(xué)長程室使用時，角鏡1和折返鏡組2是固定的。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境設(shè)置其分部個數(shù)； 各個反射器可以設(shè)置為分體式，也可以設(shè)置為合體式。一般情況下，折返鏡組2的各個反射器的空間位置要求入射到它們的光束能平行反方向出射，還要求它們互相不阻擋光束的傳播，最好是，各反射器件的處于對稱軸上的頂點與角鏡的頂點重合。折返鏡組2中各反射器件的空間擺放位置由經(jīng)分束后光束入射到角鏡的中心對稱軸和角鏡的有效通光口徑確定， 其最佳空間擺放位置原則上要求入射的光束與角鏡的中心對稱軸平行。[0033]參見圖1，第二反射器4的擺放位置是其相交棱與角鏡1其中一個面的對角線共面。這樣，進去的一路光，經(jīng)角鏡1、第一反射器3和第二反射器4按上述方法處理后以12 程光路出射，這樣就實現(xiàn)了 12程光路。參見圖3，是在此種情況下，從角鏡1的對稱軸方向看過去，光線打在角鏡1的點的位置和傳播順序。[0034]參見圖2，第二反射器4的另外一種擺放位置是其相交棱與角鏡1其中一個面上的過角鏡1頂點的線共面。此時，從角鏡1的對稱軸看過去，角鏡1被分成了 36等分。這樣，進去的一路光，經(jīng)角鏡1、第一反射器3和第二反射器4按上述方法處理后以36程光路出射，這樣就實現(xiàn)了 36程光路。參見圖4，是在此種情況下，從角鏡1的對稱軸方向看過去， 光線打在角鏡1的點的位置和傳播順序。[0035]當(dāng)折返鏡組2中反射器的數(shù)量、種類、空間位置的擺放和排列組合等變化時可以有多種其他實施例的情況。本實用新型的核心思想是利用立方角鏡和多個反射器進行多光程的設(shè)計，折返鏡組2的作用是配合立方角鏡實現(xiàn)多光程的設(shè)計；因而折返鏡組2中反射器的形式可按照不同應(yīng)用場合的需求而改變。不過無論折返鏡組2的形式如何變化，改變光線傳播的方向和路徑，使光線在立方角鏡的各個分區(qū)范圍內(nèi)傳播并折疊是其主要目的。
權(quán)利要求1.一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，其特征在于包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于角鏡的出射光路上；所述折返鏡組與角鏡的設(shè)置方式是折返鏡組固定、角鏡沿直線運動或折返鏡組和角鏡均固定；所述角鏡是立方角鏡，立方角鏡的三個面兩兩垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，其特征在于所述折返鏡組包括第一反射器、第二反射器、第三反射器或/和平面反射鏡；所述第一反射器、第二反射器或第三反射器設(shè)置位置是相交棱與角鏡其中一個面的對角線共面或相交棱所在的平面過角鏡的頂點，且該平面平行于入射光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，其特征在于上述第一反射器、第二反射器及第三反射器是二面角鏡、立方角鏡或貓眼鏡。
專利摘要本實用新型提出了一種實現(xiàn)多光程及變化光程數(shù)的裝置，包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于角鏡的出射光路上；折返鏡組與角鏡的設(shè)置方式是折返鏡組固定、角鏡沿直線運動或折返鏡組和角鏡均固定；角鏡是立方角鏡，立方角鏡的三個面兩兩垂直。本實用新型是一種校準(zhǔn)精度相對低、易于工程實現(xiàn)的實現(xiàn)多光程及變化光程的裝置及既可作為運動裝置又可作為固定裝置的實現(xiàn)多光程及變化光程的裝置。
文檔編號G01J3/02GK202330868SQ20112051445
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者張學(xué)敏, 魏儒義 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所