專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)多光程的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)多光程的方法及裝置。
背景技術(shù)：
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。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(diǎn)，而時(shí)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(diǎn)，集多 通道O^elleget優(yōu)點(diǎn))、高通量(Jacquinot優(yōu)點(diǎn))、波數(shù)準(zhǔn)確度高(Cormes優(yōu)點(diǎn))及低噪聲、 測量速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)于一身。它擴(kuò)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。但是傳統(tǒng)的時(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀即邁克爾遜干涉儀存在兩個(gè)主要問題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?yàn)橐环矫嬖趥?統(tǒng)邁克爾遜直線型動(dòng)鏡干涉儀中，動(dòng)鏡為平面鏡，在運(yùn)動(dòng)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(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)的方向性要求也極其嚴(yán)格，故在直線型動(dòng)鏡干 涉儀中需設(shè)置輔助光路，即利用激光對動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)的方向準(zhǔn)確性、速度均勻性、位移量等進(jìn)行 實(shí)時(shí)精確監(jiān)測和修正。但是這種輔助光路同時(shí)增大了儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和實(shí)施的難度。另 一方面，因?yàn)閷?dòng)鏡勻速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)且對傾斜晃動(dòng)要求很高，所以干涉儀對動(dòng)鏡的控制要求 有一套高精度的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是在實(shí)際的工程研制過程中，實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)鏡直線驅(qū) 動(dòng)和支撐系統(tǒng)仍然相當(dāng)困難。另外，動(dòng)鏡直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)對運(yùn)動(dòng)軌道的加工工藝依賴性較強(qiáng)， 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(dòng)或震動(dòng)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(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀的動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)心直角棱鏡、屋脊棱鏡或空心二面直角反射鏡)、立方角鏡(實(shí)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(shí)替代邁克爾遜干涉儀 的角鏡和定鏡時(shí)，盡管對傾斜都不敏感，但都會(huì)遇到反射器橫移的問題。Carli等將一個(gè)屋 脊棱鏡作為角鏡與另一個(gè)固定的屋脊棱鏡組合，但角鏡對橫移和某一方向的傾斜都敏感。 Murty首先認(rèn)識到如果將立方角鏡與平面反射鏡組合一起，即將立方角鏡作為角鏡而將平 面反射鏡作為固定鏡，則可以保證立方角鏡運(yùn)動(dòng)過程中對傾斜和橫移都不敏感。Murty提出 的這種立方角鏡干涉儀以及其他種立方角鏡干涉儀后來在時(shí)間調(diào)制干涉光譜儀中被普遍 采用，因?yàn)榱⒎浇晴R的使用使得干涉儀所需的校準(zhǔn)精度比采用平面鏡時(shí)降低1個(gè)到2個(gè)數(shù) 量級，同時(shí)干涉儀的光程由2程變?yōu)?程，使得干涉儀的光程差增大到原來的兩倍，相應(yīng)地 角鏡移動(dòng)同樣的位移使得干涉儀的光譜分辨率增大到兩倍。因而這種方法也大大發(fā)展了該類型的光譜儀。但是到目前為止，由于多光程光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，4倍程被認(rèn)為是增加干涉 儀光程數(shù)量的合理極限。利用單個(gè)立方角鏡限于僅至多實(shí)現(xiàn)雙倍程，即立方角鏡位移量X， 光程差變化4x，此時(shí)光譜分辨率提高到傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的約2倍，或者相當(dāng)于在實(shí)現(xiàn) 傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀同等光譜分辨率的條件下測量時(shí)間和角鏡位移量減小到約1/2 ；或者 利用雙立方角鏡僅限于實(shí)現(xiàn)四倍程，即角鏡位移量X，光程差變化8x，此時(shí)光譜分辨率提高 到傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的約4倍，或者相當(dāng)于在實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀同等光譜分辨 率的條件下測量時(shí)間和角鏡位移量減小到約1/4。角鏡位移量的減小有利于對角鏡實(shí)現(xiàn)精 確的姿態(tài)和驅(qū)動(dòng)控制，相反位移量的增大會(huì)相應(yīng)地增加測量時(shí)間和位移，從而增大干涉儀 角鏡驅(qū)動(dòng)和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，對導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和工藝要求更加嚴(yán)格。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(shí)驗(yàn)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(shí)際有效吸收光程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品吸收池的幾何長度， 實(shí)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(diǎn)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(gè)凹面反射鏡組成，其特點(diǎn)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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種既可作為運(yùn)動(dòng)裝置又可作為固定裝置的實(shí)現(xiàn)多 光程的裝置。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其特殊之處在于包括 角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上。上述角鏡是立方角鏡。上述折返鏡組包括多個(gè)反射器。上述反射器包括能夠?qū)⒐饩€反射回角鏡的第一反射器、第二反射器、第三反射器 和/或平面反射鏡。上述第一反射器、第二反射器和第三反射器分別是二面角鏡或立方角鏡或貓眼鏡。本實(shí)用新型所涉及的實(shí)現(xiàn)多光程裝置，其主要的優(yōu)點(diǎn)是1、本實(shí)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(shí)相 對容易。2、本實(shí)用新型便于工程實(shí)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(jì)、安裝都不復(fù)雜，因而整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易實(shí)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(dòng)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。3、本實(shí)用新型可作為光學(xué)長程室使用。本實(shí)用新型的多光程裝置理論上可形成6*2N(N = 0，1，2，...)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(huì)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。4、本實(shí)用新型可作為運(yùn)動(dòng)部件使用。當(dāng)將多光程裝置中的角鏡作為時(shí)間調(diào)制型干 涉儀中的動(dòng)鏡時(shí)，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(qiáng)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(huì)降低干涉儀在這 兩個(gè)方面的性能，同時(shí)又幾乎不會(huì)對干涉儀其他光機(jī)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(dòng)，就可以完成使用本實(shí)用新型裝置設(shè)計(jì)的新型干涉儀。5、本實(shí)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(shí)，本實(shí)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六程、十二程、二十四程光路時(shí)， 可能適用于普通光源或激光光源；當(dāng)多于二十四程時(shí)，可能更適用于激光光源。6、當(dāng)光程數(shù)不小于十二程時(shí)，且光束在同一分區(qū)或同一反射面的入射和出射次數(shù) 相同時(shí)，因裝置中各反射器件的二面角偏差引起的光束偏差會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償。這是利用本實(shí)用 新型方法設(shè)計(jì)的多光程裝置的主要優(yōu)點(diǎn)之一。此時(shí)，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(gè)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)，從而顯示出這種設(shè)計(jì)中光束的自動(dòng)補(bǔ)償性質(zhì)。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-角鏡，2-折返鏡組，a-平面反射鏡，b-第一反射器，C-第二反射器。
具體實(shí)施方式
參見圖1，一種實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其較佳實(shí)施方式為該裝置包括角鏡1和折返鏡組2 ；其中折返鏡組2是設(shè)置于角鏡1的出射光路上。 當(dāng)將多光程裝置作為時(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀(或光譜成像儀)的動(dòng)鏡裝置時(shí)，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(yùn)動(dòng)的；角鏡1是采用立方角鏡，立方角 鏡的三個(gè)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(gè)反射器，即包括有第一反射器b、第二反射器c和第三反射器，還可 以增設(shè)平面反射鏡a。一般第一反射器b、第二反射器c可以采用二面角鏡即實(shí)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(shí)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。當(dāng)光程數(shù)不小于十二程時(shí)，因裝置中各反射器件的二面角 偏差引起的光束偏差會(huì)自動(dòng)補(bǔ)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(shí)施方式為多光程裝置的光程數(shù)應(yīng)等于十二程，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(shí)，即第三反射器為平面鏡時(shí)形成的十二程光路，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十二程光路。其較佳實(shí)施方式為多 光程裝置的光程數(shù)等于二十四程。當(dāng)將它作為光學(xué)長程室使用時(shí)，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(gè)數(shù)；各個(gè)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，反射器組2的各個(gè)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(diǎn)與 角鏡的頂點(diǎn)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。按照對角鏡1的分區(qū)方法，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(shí)可以有多種其他實(shí)施例的情況。本實(shí)用新型的核心思想是在對立方角 鏡分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多光程的設(shè)計(jì)，而折返鏡組2的作用是配合立方角鏡實(shí)現(xiàn)多光程的設(shè) 計(jì)，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(gè)分區(qū)范圍內(nèi) 傳播并折疊是其主要目的。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)多光程的裝置主要是利用角鏡1的光學(xué)特性結(jié)合折返鏡組進(jìn) 行多光程光路的設(shè)計(jì)。以應(yīng)用單個(gè)立方角鏡的裝置為例，應(yīng)用前述的多光程裝置設(shè)計(jì)方法 將角鏡1在其有效通光口徑內(nèi)分為六個(gè)區(qū)，即角鏡1的各個(gè)反射面中每個(gè)反射面都被分為 兩個(gè)區(qū)，再利用反射器折返光線，使得光線在角鏡1的分區(qū)范圍內(nèi)傳播，以形成多光程。具 體來說，光線從某一個(gè)分區(qū)入射，從相應(yīng)的分區(qū)出射，此時(shí)用某種反射器將出射的光線返回 到角鏡的另一個(gè)分區(qū)，使之再從相應(yīng)分區(qū)出射。這樣可以使得光線在角鏡的六個(gè)分區(qū)內(nèi)或 部分分區(qū)內(nèi)反射，從而形成多光程光路。若將該裝置應(yīng)用于時(shí)間調(diào)制型干涉光譜儀(或光譜成像儀)中，將其中角鏡作為 動(dòng)鏡，則效果更好，具有更多優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其特征在于所述裝置包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡 組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其特征在于所述角鏡是立方角鏡；所述 折返鏡組包括多個(gè)反射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其特征在于所述反射器包括能夠?qū)⒐?線反射回角鏡的第一反射器、第二反射器、第三反射器和/或平面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，其特征在于所述第一反射器、第二反射 器和第三反射器分別是二面角鏡或立方角鏡或貓眼鏡。
專利摘要本實(shí)用新型一種實(shí)現(xiàn)多光程的裝置，該裝置包括角鏡和折返鏡組；所述折返鏡組設(shè)置于所述角鏡的出射光路上；本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)簡單，光路調(diào)整相對容易、便于工程實(shí)現(xiàn)其有效光程顯著增加，提高了探測的靈敏度。
文檔編號G02B17/06GK201897660SQ20102064421
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者于濤, 張學(xué)敏, 景娟娟, 胡亮, 胡柄樑, 高曉惠, 魏儒義 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所