一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪及光谱仪

1.本发明涉及光学技术领域，具体来说是一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪及光谱仪。


背景技术：

2.传统的光谱分析方法是用棱镜或者衍射光栅进行分光，傅里叶变换光谱技术是基于迈克尔逊干涉仪进行光学调制，使每个不同波长对应唯一正弦调制频率，通过对调制强度进行傅里叶变换分析，即可得到光谱图。相对传统分光方法，傅里叶变换具有多通道优势，即：通过一个红外探测器可以同时探测所有波长，实现多组分同时分析；另外，由于傅里叶变换干涉仪不需要狭缝分光，还具有光学效率高的优点，有助于提高检测灵敏度。因此，傅里叶变换干涉仪在光谱分析领域有很大的应用空间。
3.傅里叶变换干涉仪由分束器将入射光分成两束相干光，经过两个不同路径后，两束光被分束器重新汇合一起，强度调制是通过动镜的运动不断改变两束光的光程差实现的。因此，傅里叶变换干涉仪的最大缺点就是光路调制过程中受光学倾斜与剪切的影响比较大，主要表现为干涉仪对震动、转动及温度变化等各种变化因素比较敏感。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于如何解决传统干涉仪结构的光学倾斜和剪切。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
6.一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，包括
7.能够变形并自动复位的平行四边形架体；
8.分束器(6)，垂直固定于所述架体第一边(11)；所述分束器(6)安装在光束路径上；所述第一边(11)为固定边，其余三边为活动边；
9.所述第一边(11)两侧的第二边(12)、第三边(13)分别朝向分束器(6)的方向延伸出第一摆臂(31)、第二摆臂(32)，在第一摆臂(31)、第二摆臂(32)的端部分别固定有第一折返器(41)、第二折返器(42)；所述第一摆臂(31)、第一折返器(41)与第二摆臂(32)、第二折返器(42)相对于分束器(6)对称设置；所述分束器(6)将一束光束分为两束，一束射向第一折返器(41)，一束射向第二折返器(42)，然后两束光分别从对应的折返器返回并汇合，从而形成干涉图；
10.驱动器(5)，用以驱动第四边(14)摆动，从而带动第二边(12)、第三边(13)摆动。
11.本发明采用平行四边形架体的运动带动两个角镜同步运动，两个摆臂都可以以相同的角速度运动，用来确保干涉仪扫描的过程中其光轴不发生变化。两个摆臂与光束的夹角互补，该角度互补巧妙的克服了机械剪切补偿所导致的光程差误差，在振动等恶劣条件下更加适用。采用可变形的平行四边形，可以增加干涉仪对振动和晃动的不敏感。
12.进一步的，所述架体的四条边之间采用弹性连接。
13.进一步的，所述支架的四条边分别夹持有弹片，弹片的两端分别伸出并被相邻两
侧的边的端部夹持；所述支架的四个角处留有变形空间。
14.进一步的，所述第一边(11)和第四边(14)的相对面分别设置有压板(10)，第一弹片(15)和第四弹片(16)分别通过压板(10)与第一边(11)、第四边(14)固定；所述第二边(12)、第三边(13)的相对面也设置有压板(10)，第二弹片(17)、第四弹片(16)分别通过压板(10)与第二边(12)、第三边(13)固定；所述第一边(11)、第二边(12)、第三边(13)、第四边(14)的两端分别设置有压板(10)，所述第一弹片(15)、第二弹片(17)、第三弹片(18)、第四弹片(16)形成井字形结构，4个弹片的两端分别被对应的压板(10)固定在对应的边的端部，形成平行四边形。
15.进一步的，所述第一弹片(15)、第四弹片(16)与第二弹片(17)、第三弹片(18)呈上下错位布置。
16.进一步的，所述第一边(11)与工作台固定，第二边(12)、第三边(13)、第四边(14)悬空设计。
17.进一步的，所述第一折返器(41)和第二折返器(42)均为空角镜。
18.进一步的，四条边与对应的压板(10)均通过螺栓可拆卸安装。
19.基于上述的干涉仪，本发明还提供一种光谱仪。
20.本发明的优点在于：
21.本发明采用平行四边形架体的运动带动两个角镜同步运动，两个摆臂都可以以相同的角速度运动，用来确保干涉仪扫描的过程中其光轴不发生变化。两个摆臂与光束的夹角互补，该角度互补巧妙的克服了机械剪切补偿所导致的光程差误差，在振动等恶劣条件下更加适用。采用可变形的平行四边形，可以增加干涉仪对振动和晃动的不敏感，可以根据实际工作场景设置不同数量的弹片，进而使干涉仪更加适合当前需求。
附图说明
22.图1为本发明实施例中干涉仪的整体俯视结构示意图；
23.图2为本发明实施例中干涉仪隐藏驱动器、两个折返器后的立体图；
24.图3为图1的简化图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
26.图1所示为本发明静止状态时的基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪的俯视图，图2为省略了驱动器和两个折返器的立体图。干涉仪包括能够变形并自动复位的平行四边形架体、第一折返器41、第二折返器42、分束器6、驱动器5。
27.平行四边形架体的四条边采用弹片依次连接，相邻边之间的连接点留有变形空间，具体结构为：架体的相对边分别为第一边11、第四边14、第二边12、第三边13。第一边11和第四边14的相对面分别设置有压板10，第一弹片15和第四弹片16分别通过压板10与第一边11、第四边14固定；第二边12、第三边13的相对面也设置有压板10，第二弹片17、第三弹片
18分别通过压板10与第二边12、第三边13固定；第一边11、第二边12、第三边13、第四边14的两端分别设置有压板10，第一弹片15、第二弹片17、第三弹片18、第四弹片16形成井字形结构，4个弹片的两端分别被对应的压板10固定在对应的边的端部，形成平行四边形，由于弹片的作用下，四条边之间的连接点可以看做柔性轴承。本实施例中，第一弹片15、第四弹片16与第二弹片17、第三弹片18呈上下错位布置，不会发生干扰。本实施例中，第一边11与工作台固定，第二边12、第三边13、第四边14悬空设计。当架体发生变形时，第一边11始终不动，二至四边发生位移。本实施例中，弹片采用镍钛合金材料制得，具有很好的韧性。压板10与对应的板采用螺栓可拆卸连接，便于拆装及更换弹片。
28.在第一边11背向第四边14的一侧固定一个用于安装分束器6的立架2，与第一边11呈t型结构。在立架2上开有孔，分束器6固定在孔内。在四边形摆动过程中，由于第一边11是固定在工作台上的，所以能够保证分束器6的稳定性。
29.本实施例中，第二边12、第三边13朝向分束器6的方向延伸出第一摆臂31、第二摆臂32、两个摆臂大体呈八字形布置在分束面的两侧。在第一摆臂31、第二摆臂32的端部分别固定第一折返器41、第二折返器42；两个折返器及两个摆臂对称布置在分束面两侧。分束器6将一束光束分为两束，一束射向第一折返器41，一束射向第二折返器42，然后两束光分别从对应的折返器返回并汇合，从而形成干涉图。本实施例中，折返器采用角镜。
30.在第四边14的外侧固定有驱动器5，也可以称之为平衡物。驱动器5驱动第四边14运动，采用带动第二边12、第三边13运动，进而带动两个摆臂运动，两个摆臂带动两个折返器运动，从而形成干涉图。本实施例中平行四边形的架体是一个标准的平行四边形，确保了当干涉仪在使用过程中，两个摆臂都可以以相同的角速度运动，用来确保干涉仪扫描的过程中其光轴不发生变化。辐射光束经过分束片分成两束相干光，两束相干光分别打到两个角镜上，辐射光打到角镜上并侧向补偿，平行于光路的方向返回，并被反射回到分束片上，同理幅射光打到角镜上并侧向补偿，平行于光路的方向返回，并被反射回到分束片上，两束相干光形成干涉并被探测器获取干涉信号。角镜原方向返回巧妙的克服了光路倾斜补偿所导致的测量误差。
31.本实施例中，弹片可以增加干涉仪对振动和晃动的不敏感，弹片数量多少根据干涉仪的用途而定。例如，假如干涉仪用于在线分析的光谱仪，那么第二边和第三边分别采用双弹片(两个弹片上下布置)，通过双弹片柔性轴承更好的实现，这是因为这样使用光谱仪有可能受到强迫而导致其振动。假如干涉仪用于实验室分析的光谱仪，那么第二边和第三边分别采用单弹片实现，这是因为这样使用光谱仪不太可能受到强迫而导致仪器振动。不管是在线还是实验室仪器，第四边通常只有一条弹片，具有两个弹片的柔性轴承能够提高振动的鲁棒性。
32.本实施例中干涉仪需要光学/机械剪切补偿的情况，如图3所示简化的干涉仪，平行四边形架体采用弹片连接，简化后如图3所示的四个角采用柔性轴承替代。两个摆臂与第一边、第二边实际为刚性连接，为了便于展示，图3中单独画出了两个摆臂，可以看出，随着干涉仪的扫描每个角镜顶点的运动描述了第一折返器41对应的圆弧，和第二折返器42对应的圆弧。为了得到剪切补偿，两个圆弧必须叠加在分束器6的光束分束面上。在干涉仪的，第一摆臂31与光束形成一个夹角a，第二摆臂32与光束形成一个夹角b。对应的角度a与b互补，即：a＝180
°‑
b。该角度互补巧妙的克服了机械剪切补偿所导致的光程差误差，在振动等恶
劣条件下更加适用。
33.本实施例在每个摆臂在长度上没有限制，主要考虑分束器6平面上光轴的入射角有关(入射角一般30
°‑
45
°
)。本实施例的两个折返器与分束器6之间的夹角和距离应保障合适的入射角和扫描过程中所需要的光学路径，在此基础上尽量减小摆臂的长度，从而实现扫描过程所需要的光学路径差异。
34.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，包括能够变形并自动复位的平行四边形架体；分束器(6)，垂直固定于所述架体第一边(11)；所述分束器(6)安装在光束路径上；所述第一边(11)为固定边，其余三边为活动边；所述第一边(11)两侧的第二边(12)、第三边(13)分别朝向分束器(6)的方向延伸出第一摆臂(31)、第二摆臂(32)，在第一摆臂(31)、第二摆臂(32)的端部分别固定有第一折返器(41)、第二折返器(42)；所述第一摆臂(31)、第一折返器(41)与第二摆臂(32)、第二折返器(42)相对于分束器(6)对称设置；所述分束器(6)将一束光束分为两束，一束射向第一折返器(41)，一束射向第二折返器(42)，然后两束光分别从对应的折返器返回并汇合，从而形成干涉图；驱动器(5)，用以驱动第四边(14)摆动，从而带动第二边(12)、第三边(13)摆动。2.根据权利要求1所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述架体的四条边之间采用弹性连接。3.根据权利要求2所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述支架的四条边分别夹持有弹片，弹片的两端分别伸出并被相邻两侧的边的端部夹持；所述支架的四个角处留有变形空间。4.根据权利要求3所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述第一边(11)和第四边(14)的相对面分别设置有压板(10)，第一弹片(15)和第四弹片(16)分别通过压板(10)与第一边(11)、第四边(14)固定；所述第二边(12)、第三边(13)的相对面也设置有压板(10)，第二弹片(17)、第四弹片(16)分别通过压板(10)与第二边(12)、第三边(13)固定；所述第一边(11)、第二边(12)、第三边(13)、第四边(14)的两端分别设置有压板(10)，所述第一弹片(15)、第二弹片(17)、第三弹片(18)、第四弹片(16)形成井字形结构，4个弹片的两端分别被对应的压板(10)固定在对应的边的端部，形成平行四边形。5.根据权利要求4所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述第一弹片(15)、第四弹片(16)与第二弹片(17)、第三弹片(18)呈上下错位布置。6.根据权利要求1至4任一所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述第一边(11)与工作台固定，第二边(12)、第三边(13)、第四边(14)悬空设计。7.根据权利要求1至4任一所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，所述第一折返器(41)和第二折返器(42)均为空角镜。8.根据权利要求1至4任一所述的一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，其特征在于，四条边与对应的压板(10)均通过螺栓可拆卸安装。9.一种包括权利要求1至8任一所述的干涉仪的光谱仪。

技术总结
本发明提供一种基于双轴扫描的双光束傅里叶红外干涉仪，包括能够变形并自动复位的平行四边形架体；架体第一边为固定边，其余三边为活动边；第一边固定有分束器。第二边、第三边分别延伸出第一摆臂、第二摆臂，在第一摆臂、第二摆臂的端部分别固定有第一折返器、第二折返器。本发明采用平行四边形架体的运动带动两个角镜同步运动，两个摆臂都可以以相同的角速度运动，用来确保干涉仪扫描的过程中其光轴不发生变化。两个摆臂与光束的夹角互补，该角度互补巧妙的克服了机械剪切补偿所导致的光程差误差，在振动等恶劣条件下更加适用。采用可变形的平行四边形，可以增加干涉仪对振动和晃动的不敏感。的不敏感。的不敏感。


技术研发人员：李相贤 李发帝 韩昕 童晶晶 高闽光
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/28