CN105157838A - 一种干涉仪定镜动态自校正的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干涉仪定镜动态自校正的装置，包括激光器、激光扩束器以及迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪包括相互垂直的动镜、定镜以及分束器，还包括位于干涉仪干涉平面上的探测器、控制器、音圈直线电机以及四个电磁驱动器，四个电磁驱动器安装在定镜正后方，呈对角线相互垂直分布，探测器将其探测到的相位误差反馈到四个电磁驱动器，四个电磁驱动器根据接收到的电流信号，分别产生推力和拉力实现对定镜的驱动控制，使之旋转来校正动镜在运动过程中产生的倾斜误差角，使定镜和动镜位置保持相互垂直。本发明提供一个快速、结构简单的定镜动态自校正倾斜装置，消除了对高精度机械轴承的依赖和光谱仪定期重复校正的需要。
Description
技术领域
本发明属于光学和定镜校正领域，具体是指傅立叶变换光谱仪中的定镜和动镜之间保持垂直的校正。
背景技术
傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪由于具有高光通量，低噪声，测量速度快等优点，以及可进行实时的多组分同时探测等独特的优势，在环境监测、化学分析、药品成份分析等方面都有广泛的应用。
傅立叶变换红外光谱仪的核心光学部件是经典的迈克尔逊干涉仪，经典迈克尔逊干涉仪要求动镜和定镜严格垂直。但在实际工作环境中，由于动镜在移动过程中很难保证与定镜互相垂直，使得光路产生倾斜等效应，降低了干涉调制度，增加了光谱噪声，限制了***的应用领域。
通常，通过手动调整不同螺丝来校正动镜，使定镜和动镜保持垂直位置，但这种方法耗时，而且需要很高的技能，相应地增加了生产成本和服务费用。傅立叶变换红外光谱仪运行一段时间后，还需要重复再校正。另外，傅立叶变换红外光谱仪对机械结构有苛刻的要求，如果动镜倾斜角度误差小于1角秒，则要求机械加工精度达到微米量级，那么单纯靠机械加工很难达到，同时，如果使用精密轴承，费用也是非常昂贵的。
目前，解决动镜倾斜的方法有两种，一种是采用角反射镜或猫眼反射镜形成光束自动准直，而采用角镜或猫眼镜进行准直的***通常会增加***光路的复杂性和直线电机的负载重量，角镜或猫眼镜的精度要求以及温度稳定性等要求也更加严格。同时，角镜的准直性能也是有一定限度的，也会给准直性带来一定的影响，例如光束中心横向偏移等，这些影响将会降低干涉仪的干涉调制度和信噪比等性能，导致光谱仪测量的光谱质量下降。
另一种采用动态校正的方法，其中有两种形式，一种形式是动态校正***安装在动镜上，优点是干涉仪的其它部分固定，***运动部件比较集中，缺点是由于动镜部分安装了动态校正***而变得复杂，同时，校正***会随着动镜的运动而随之运动，对校正***产生震动，进而影响动态校正***的正常工作和校正精度，因此这种形式所采用的动态校正***相对较少。
另一种形式是采用定镜动态校正的方法，定镜动态校正就是用高速倾斜镜作定镜，根据检测到的波前倾斜误差迅速地进行补偿校正，达到保持准直的目的。如果不采用动态校正方法，那么要求动镜驱动电机只能产生角秒量级的误差，这对于驱动电机来说太苛刻了，几乎很难做到。如果采用定镜动态校正***，可以使动镜运行要求放宽到几分，这对驱动电机是非常重要的，也容易实现。
发明内容
本发明提出一种干涉仪定镜动态自校正的装置，动镜在运动过程时，激光干涉条纹在激光探测器上作快速变化。通过比较每个探测器所记录的强度、频率、相位和调制度等信息，准确得到两反射镜相对倾斜误差大小和方向，将倾斜误差值转化为控制电信号值转化给定镜控制***，实现实时动态校正。
本发明采用的技术方案是：
一种干涉仪定镜动态自校正的装置，包括激光器、激光扩束器以及迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪包括相互垂直的动镜、定镜以及动镜和定镜的角平分线上的分束器，其特征在于：还包括位于干涉仪干涉平面上的四象限探测器，控制器，控制动镜直线运动的音圈直线电机以及控制定镜方向的四个电磁驱动器，所述四个电磁驱动器安装在定镜正后方，呈对角线相互垂直的X轴和Y轴分布，X轴对角线上有电磁驱动器一和电磁驱动器三，Y轴对角线上有电磁驱动器二和电磁驱动器四，所述四象限探测器将其探测到的相位误差反馈到控制器，进而反馈到四个电磁驱动器，四个电磁驱动器根据接收到的电流信号，分别产生推力和拉力对定镜驱动，使之旋转来校正动镜在运动过程中产生的倾斜误差角，使定镜和动镜位置保持相互垂直。
所述四象限探测器包括X探测单元、R探测单元、Y探测单元，所述X探测单元、R探测单元、Y探测单元在探测平面内按象限分布，每个探测单元分布一个象限，所述R探测单元为探测参考单元分布在第一象限内，所述X探测单元、Y探测单元分别分布在第二象限和第四象限内。
本发明的工作原理如下：
由于所述动镜在所述音圈直线电机驱动下，很难保证所述动镜在运动过程中不发生倾斜。由于所述动镜发生倾斜，根据相位探测原理，X探测单元、Y探测单元与R探测单元间的干涉相位差与动镜和定镜间倾斜误差角α满足关系：
当倾斜角误差为α很小时该公式可以近似为公式：
式中X1，X2分别表示R探测单元、X(或Y)探测单元位置坐标。因此，可以认为两探测器间的相位差与倾斜误差角成线性关系。当两探测器间距一定时，倾斜角度的最大值决定了相位差是否处于可测量的±π范围。
根据公式(2)，在已知激光波长下，结合X探测单元、Y探测单元和R探测单元的位置坐标，以及X探测单元、Y探测单元与R探测单元探测到的干涉条纹的强度、频率、相位和调制度，计算出倾斜误差角α的大小和方向。
本发明在工作时，当所述动镜在运动过程中产生X轴方向的倾斜误差方向时，X轴上的电磁驱动器一和电磁驱动器三产生推力和拉力使定镜沿着Y轴旋转，来校正X轴方向的倾斜误差。同样，当所述动镜在运动过程中产生Y轴方向的倾斜误差时，Y轴上的电磁驱动器二和电磁驱动器四产生推力和拉力以使定镜沿着X轴旋转，来校正Y轴方向的倾斜误差。最终，所述四象限探测器检测到的相位差和所述四个电磁驱动器产生的倾斜一致对应。所以，只要通过调整四个电磁驱动器对应的驱动单元，就可以使定镜产生抵消动镜在运动过程中的倾斜，使所述四象限探测器中的X探测单元，Y探测单元和R探测单元探测的相位一致，从而实现动态自校正。
本发明的优点：采用定镜动态校正***可以保证光谱仪的工作性能在一定范围内得到改善，可以使某些动镜运行要求放宽，对电机机械***的精度要求从零点几微米放宽到几十微米，还有助于克服机械震动、大气扰动和温度变化等带来的影响，能够为光谱仪在一定的不良条件下工作提供了可能性。
附图说明
图1是本发明的定镜自校正装置图。
图2是本发明的四象限探测器图。
图3是本发明的四象限探测器探测的相位图。
图4是本发明的电磁驱动器。
其中：1、激光器和激光扩束器；2、音圈直线电机；3、动镜；4、分束器；5、四象限探测器；6、定镜；7、电磁驱动器一；8、电磁驱动器二；9、电磁驱动器三；10、电磁驱动器四；11、控制器。
具体实施方式
如图1所示，一种干涉仪定镜动态自校正的装置，包括激光器、激光扩束器以及迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪包括相互垂直的动镜3、定镜6以及动镜3和定镜6的角平分线上的分束器4，其特征在于：还包括位于干涉仪干涉平面上的四象限探测器5，所述激光器和激光扩束器1使激光光束扩大，使光斑覆盖整个四象限探测器5的面元上，还包括控制器11、控制动镜3直线运动的音圈直线电机2以及控制定镜6方向的四个电磁驱动器7-10，所述四个电磁驱动器7-10安装在定镜6正后方，呈对角线相互垂直的X轴和Y轴分布，X轴对角线上有电磁驱动器一7和电磁驱动器三9，Y轴对角线上有电磁驱动器二8和电磁驱动器四10，所述四象限探测器5为激光探测器，激光探测器将其探测到的干涉激光相位误差反馈到控制器11，进而反馈到四个电磁驱动器7-10，四个电磁驱动器7-10根据接收到的电流信号，分别产生推力和拉力实现对定镜6的驱动控制，使之旋转来校正动镜3在运动过程中产生的倾斜误差角，使定镜6和动镜3位置保持相互垂直。
如图2所示，所述四象限探测器5包括X探测单元、R探测单元、Y探测单元，所述X探测单元、R探测单元、Y探测单元在探测平面内按象限分布，每个探测单元分布一个象限，所述R探测单元为探测参考单元分布在第一象限内，所述X探测单元、Y探测单元分别分布在第二象限和第四象限内，X探测单元、Y探测单元与R探测单元探测到的激光干涉条纹相位差，如图3所示。
如图4所示，所述四个电磁驱动器7-10在所述定镜6上呈对角线相互垂直的X轴和Y轴分布，所述X轴对角线上有电磁驱动器一7和电磁驱动器三9，所述Y轴对角线上有电磁驱动器二8和电磁驱动器四10。
本发明在工作时，当所述动镜3在运动过程中产生X轴方向的倾斜误差方向时，X轴上的电磁驱动器一7和电磁驱动器三9产生推力和拉力使定镜沿着Y轴旋转，来校正X轴方向的倾斜误差。同样，当所述动镜3在运动过程中产生Y轴方向的倾斜误差时，Y轴上的电磁驱动器二8和电磁驱动器四10产生推力和拉力使定镜沿着X轴旋转，来校正Y轴方向的倾斜误差。最终，所述四象限探测器5检测到的相位差和所述四个电磁驱动器7-10产生的倾斜一致对应。所以，只要通过调整所述四个电磁驱动器7-10对应的驱动单元，就可以使所述定镜6产生抵消所述动镜3在运动过程中的倾斜，使所述四象限探测器5中的X探测单元、Y探测单元与R探测单元探测的相位一致，从而实现动态自校正。
本发明提供了一种干涉仪定镜动态自校正的装置，本装置结构和方法简单，也比较容易实现，同时，电磁驱动器的响应速度也较快，对于动镜倾斜的校正已经足够。由于本发明采用定镜动态自校正方法，增加了***的稳定性，提高了抗干扰能力。而且，与其它傅立叶变换红外光谱仪相比，本发明价值之处在于，动态校正***还可以应用到其它光谱仪的倾斜校正中。
Claims (3)
1.一种干涉仪定镜动态自校正的装置，包括激光器、激光扩束器以及迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪包括相互垂直的动镜、定镜以及动镜和定镜的角平分线上的分束器，其特征在于：还包括位于干涉仪干涉平面上的四象限探测器，控制器，控制动镜直线运动的音圈直线电机以及控制定镜方向的四个电磁驱动器，所述四个电磁驱动器安装在定镜正后方，呈对角线相互垂直的X轴和Y轴分布，X轴对角线上有电磁驱动器一和电磁驱动器三，Y轴对角线上有电磁驱动器二和电磁驱动器四，所述四象限探测器将其探测到的相位误差反馈到控制器，进而反馈到四个电磁驱动器，四个电磁驱动器根据接收到的电流信号，分别产生推力和拉力对定镜驱动，使之旋转来校正动镜在运动过程中产生的倾斜误差角，使定镜和动镜位置保持相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种干涉仪定镜动态自校正的装置，其特征在于：所述四象限探测器包括X探测单元、R探测单元、Y探测单元，所述X探测单元、R探测单元、Y探测单元在探测平面内按象限分布，每个探测单元分布一个象限，所述R探测单元为探测参考单元分布在第一象限内，所述X探测单元、Y探测单元分别分布在第二象限和第四象限内。
3.根据权利要求2所述的一种干涉仪定镜动态自校正的装置，其特征在于：所述X探测单元、Y探测单元与R探测单元间的干涉相位差与动镜和定镜间的倾斜误差角α满足关系：
式中X1，X2分别表示R探测单元、X(或Y)探测单元位置坐标。
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