干涉调制器及红外光谱仪的制作方法

本发明属于检测设备领域，尤其涉及一种干涉调制器及红外光谱仪。

背景技术：

傅立叶红外光谱仪利用红外干涉信号与红外光谱图之间的变换关系，通过对红外干涉信号的采集，来获取物质红外光谱的信息，从而定性或定量的对物质成分与含量进行分析。光学干涉调制器是傅立叶红外光谱仪的心脏部件，其内部器件的准直偏差会极大的影响干涉信号的调制效率，从而影响仪器的性能。

目前研究对仪器性能的影响因素时，分析的因素仅限于光学器件的影响，在考虑这些因素之后，仅能够完成仪器的原理样机的。但是，这些分析研究忽视了仪器作为一个实际的产品，需要考虑长期稳定性的影响因素与产品工程化面临的实际问题。

在目前的商业化实验室型红外光谱仪中，生产厂商往往采用铜或铸铁等热容量较大、比重较大的材料，增加仪器的热稳定性与抗震动能力。这样的设计会导致仪器体积与重量很大，使仪器不便移动，不利于工业现场的使用；而且往往采用精密铸造的方式，使生产成本较高。这极大的限制了傅里叶红外光谱仪在工业上的应用。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种干涉调制器及红外光谱仪，通过紧凑的机械连接，使得仪器体积小、重量轻、稳定性高。

本发明的实施例提供一种干涉调制器，包括本体、分束器、第一平面镜、第二平面镜和动镜扫描机构；

所述本体包括上固定板、支撑块和下固定板，所述支撑块位于所述上固定板和下固定板之间，固定连接所述上固定板和下固定板，所述支撑块上设有分束器安装孔；

所述分束器安装在所述分束器安装孔内；

所述第一平面镜和第二平面镜固定在所述本体的外侧壁上，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摆动臂、转轴、第一角镜、第二角镜和驱动装置，所述摆动臂通过所述转轴安装在所述本体的外侧壁上，所述第一角镜和第二角镜固定在所述摆动臂上且分布在所述分束器的两侧，所述第一角镜折返所述第一平面镜射出的光束，所述第二角镜折返所述第二平面镜射出的光束，所述驱动装置连接所述摆动臂。

如本发明的一实施方式，所述第一平面镜包括第一反射镜和第一镜座，所述第一反射镜和第一镜座一体成型。

如本发明的一实施方式，所述第一反射镜与所述第一镜座之间设有隔离槽。

如本发明的一实施方式，所述第二平面镜包括第二反射镜和第二镜座，所述第二反射镜和第二镜座一体成型。

如本发明的一实施方式，所述第二反射镜与第二镜座之间设有隔离槽。

如本发明的一实施方式，所述第二平面镜还包括固定座，所述第二镜座与所述固定座通过弹簧连接，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第二镜座。

如本发明的一实施方式，所述分束器通过压片固定在所述分束器安装孔内，所述压片与所述支撑块连接，所述压片的压臂压紧所述分束器。

如本发明的一实施方式，所述分束器安装孔的底面向上延伸出与所述压臂相对的凸起，所述凸起支撑所述分束器。

如本发明的一实施方式，所述本体的外侧壁上设有v型槽，所述动镜扫描机构的转轴通过弹片固定在所述v型槽内。

本发明还提供一种红外光谱仪，其包括上述干涉调制器。

本发明的干涉调制器及红外光谱仪，将平面镜、动镜扫描机构、分束器都固定在本体上，形成了一个稳定的结构；结构简单，装配工艺大为简化；使仪器的性能能够适应工业现场环境，长期稳定的运行。

附图说明

图1是本发明实施例干涉调制器的主视图。

图2是本发明实施例干涉调制器的剖视图。

图3是本发明实施例本体的立体图。

图4是本发明实施例本体的主视图。

图5是本发明实施例本体的俯视图。

图6是本发明实施例第一平面镜的结构示意图。

图7是本发明实施例第二平面镜的结构示意图。

图8是本发明实施例第二平面镜的剖视图。

图9是本发明实施例动镜扫描机构的结构示意图。

图10是本发明实施例压片的示意图。

图11是本发明实施例分束器安装孔的放大图。

图12是本发明实施例转轴的安装示意图。

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。

本发明中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和2所示，本发明的实施例提供一种干涉调制器。干涉调制器包括本体1、分束器2、第一平面镜3、第二平面镜4和动镜扫描机构5。分束器2、第一平面镜3、第二平面镜4和动镜扫描机构5均安装在本体1上，激光射入干涉调制器后通过光学元件的处理，产生干涉光。

如图3、图4和图5所示，本体1包括上固定板11、支撑块12和下固定板13，上固定板11和下固定板13的外形相同。上固定板11和下固定板13的宽度大于支撑块12的宽度。本体1近似为工型，支撑块12位于上固定板11和下固定板13之间，固定连接上固定板11和下固定板13。

优选地，上固定板11、支撑块12和下固定板13一体成型，即本体1通过一整块金属加工而成。本实施例中，本体1的材质为各向同性的金属材料，如铝合金等，采用轻质材料便于降低干涉调制器的重量。

支撑块12上设有分束器安装孔14，分束器2安装在分束器安装孔14内。分束器安装孔14的底面设有贯通的通光孔，通光孔的直径小于分束器安装孔14的直径。激光可通过通光孔照射在分束器2。分束器2将激光分为透射光束和反射光束。

第一平面镜3和第二平面镜4均固定在本体1的外侧壁上，第一平面镜3和第二平面镜4分别位于分束器2的两侧，用于反射光束。分束器2的透射光束照射到第一平面镜3上，第一平面镜3对透射光束进行反射。分束器2的反射光束照射到第二平面镜4上，第二平面镜4对反射光束进行反射。

如图9所示，动镜扫描机构5包括摆动臂51、转轴52、第一角镜53、第二角镜54和驱动装置55。

转轴52安装在本体1的外侧壁上，摆动臂51固定连接转轴52，摆动臂51可绕转轴52的轴线进行转动。可选地，本实施例的转轴52为弹性转轴。

第一角镜53和第二角镜54分别固定在摆动臂51的两端，且分别位于分束器2的两侧。转轴52位于第一角镜53和第二角镜54之间。

第一角镜53折返第一平面镜3射出的光束，第二角镜54折返第二平面镜4射出的光束。第一角镜53和第二角镜54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。

驱动装置55连接摆动臂51，驱动装置55可带动摆动臂51摆动。本实施例中驱动装置55为直线电机。

使用本实施例的干涉调制器，激光入射到分束器2后，一部分透射，形成透射光束，另一部分反射，形成反射光束。

透射光束入射到第一平面镜3，经第一平面镜3反射后入射到第一角镜53，第一角镜53将光束原路折返，经第一平面镜3的反射后返回分束器2，经分束器2再次分束，再次分束的透射光返回光源，再次分束的反射光沿反射方向射出。

反射光束入射到第二平面镜4，经第二平面镜4的反射后入射到第二角镜54，第二角镜54将光束原路折返，经第二平面镜4的反射后返回分束器2，经分束器2再次分束，再次分束的反射光返回光源，再次分束的透射光射出。

透射光束的再次分束的反射光和反射光束的再次分束的透射光形成干涉光。动镜扫描机构的摆动，使两束相干光的光程差发生变化。

可选地，如图6所示，第一平面镜3包括第一反射镜31和第一镜座32，第一反射镜31的反射面用于反射光束，第一镜座32与本体1进行连接。反射面可为圆形、矩形或椭圆形面等，根据需求进行选择。第一反射镜31和第一镜座32一体成型，即第一平面镜3通过一块金属加工而成。第一平面镜3的材质可选为各向同性的金属材料，如铝、铝合金、不锈钢等。

优选地，第一反射镜31与第一镜座32之间设有隔离槽33，使得第一反射镜31的侧壁与第一镜座32的侧壁之间有一定的间隙。设置隔离槽33能够有效的隔绝第一镜座32的固定面与第一反射镜31的反射面之间的形变影响，确保了反射面在外界环境发生变化后的稳定性。

通常反射镜采用非金属材质，固定在金属的镜架上。传统的方式存在两个方面的问题，一是平面反射镜本身尺寸与自身厚度相比尺寸较大，所以是一个近似的柔性板，自身存在一定的不稳定性；二是平面反射镜在固定过程中存在应力与形变，尤其是当外界出现振动和温度变化时，平面反射镜会因应力的变化而产生扭曲。本实施例第一平面镜3的优势：无需考虑固定第一反射镜31的方式，不会因为反射镜的固定而引入应力和形变，也不会因为第一镜座32与第一反射镜31热膨胀系数不匹配而存在应力和形变的问题。第一平面镜3与本体1之间也不会存在热形变的问题，第一镜座32与第一反射镜31通过设置的隔离槽33进行隔离，使第一平面镜3与本体1在固定过程中，不会将应力和形变传递至反射面，可以降低对本体1的加工精度要求。

如图7和图8所示，第二平面镜4包括第二反射镜41和第二镜座42，第二反射镜41的反射面用于反射光束。第二反射镜41的反射面可以为圆形、矩形或椭圆形面等，其形状根据需求进行选择。第二反射镜41和第二镜座42一体成型，即第二反射镜41和第二镜座42通过一块金属加工而成，其材质可选为各向同性的金属材料，如铝、铝合金或不锈钢等材料。

优选地，第二反射镜41与第二镜座42之间设有隔离槽43，本实施例中隔离槽43为环形。第二平面镜4无需考虑第二反射镜41在固定过程中的应力与热膨胀系数不匹配的问题，此外也不需要考虑第二反射镜41因固定而产生的镜面扭曲和不稳定。

第二平面镜4还包括固定座44，第二平面镜4可通过固定座44与本体1连接。第二镜座42和固定座44均设有弹簧挂钩，第二镜座42与固定座44通过弹簧45连接，弹簧45的数量为多个。固定座44上设有微调螺钉46，微调螺钉46通过螺纹固定在固定座44上，微调螺钉46的端头紧贴第二镜座42。通过旋转微调螺钉46可调整第二反射镜41的角度。本实施例中，固定座44上设有多个微调螺钉46，更便于对第二反射镜41进行调整。

如图10所示，干涉调制器还包括压片6，分束器2通过压片6固定在分束器安装孔14内。压片6设有多个弯折一定的角度的压臂61，分束器2放入分束器安装孔14后，压片6放置在分束器2的上方，压臂61压紧分束器2，通过螺钉穿过通孔62将压片6与支撑块12固定连接。

压片6由具有较高弹性的金属材料制成，如弹簧钢，铍青铜等材料。压片6由一整块材料加工而成，将压臂61弯折一定的角度，在固定分束器2时，以提供必要的预紧力。

如图11所示，为了更好的固定分束器2，分束器安装孔的底面141向上延伸出与压臂61相对的凸起142，凸起142支撑分束器2。为了减小温度变化引起的应力，在分束器2圆柱的柱面边安装弹性垫片，使分束器2所受的固定力均匀的分布在各个方向。

如图12所示，本体的外侧壁上设有安装槽15，本实施例中安装槽15为v型槽。动镜扫描机构的转轴52设置在安装槽15内，通过弹片56将转轴52固定在v型槽内。弹片56的材料为具有弹性的金属材料，如弹簧钢，铍青铜等。

本发明实施例还提供一种红外光谱仪，其包括上述干涉调制器。

本实施例干涉调制器的分束器2、第一平面镜3、第二平面镜4、摆动臂5都固定本体上，形成了一个稳定的结构。反射镜和镜座是用一整块金属材料加工而成的，不会有反射镜与镜座固定之间存在的应力与热形变等问题。通过开槽的设计，隔绝了反射镜因为固定时应力对于反射面的影响。另外，整个干涉调制器除分束器等个别零件之外，均可以采用相同的金属材料，从而使整个结构的热稳定达到最佳。

本实施例干涉调制器，加工精度可以降低，装配工艺也大为简化。不需要使用任何胶水，或精度特别高的工装。

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。