CN107339931B - 气压调节无运动件干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压调节无运动件干涉仪，包括半透半反镜、2块反射镜、光程腔、补偿腔、气压调节***。光程腔和补偿腔分置于干涉仪的两条光路上。气压调节***连接在光程腔和补偿腔上，包括气压调节器、气压控制模块和连接管道及阀门。本发明在传统迈克尔孙干涉仪光路中增加光程腔和补偿长，通过气压变化替代动镜运动来产生光程变化。从而实现干涉仪光路上无运动件的目标，降低了加工要求和生产制造成本。

Description

气压调节无运动件干涉仪

技术领域

本发明涉及干涉仪领域，具体是一种气压调节无运动件干涉仪。

背景技术

干涉仪是非分散光学检测中常用的设备，是傅里叶红外设备的核心部件。干涉仪在化学分析、物质鉴定、精密加工检测、实时监测和遥感监测等方面有着广泛的应用。

常规干涉仪有迈克尔孙和法布里-珀罗两种基本类型，其中以迈克尔孙型干涉仪最为常见。基本型迈克尔孙干涉仪通过机械方式改变光程，从而实现对干涉的调节和控制。基本型迈克尔孙干涉仪的反射镜片的位置精度需要控制在光波长的数量级，所以其体积和重量都比较大。光干涉要求两路光的轨迹高度重合，所以反射镜的角度也需要严格校准。这些要求都限制了干涉仪的制造和应用。上世纪90年代出现了使用角锥镜的干涉仪结构，该结构解决了干涉仪反射角的问题，但其运动件的位置精度仍依赖于机械加工的质量。

由于干涉仪对光路的位置精度非常敏感，而传统干涉仪都必然存在关键的运动部件，这导致光学干涉仪的加工精度和机械稳定性要求较高，从而造成了制作成本居高不下，给基于干涉仪的光学检测的应用推广带来了困难。目前，运动部件的精度已经成为制约干涉仪制造成本的一个重大难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种不依赖于运动部件而实现干涉控制的气压调节无运动件干涉仪，以降低干涉仪生产难度、消除器件因摩擦或转动而产生的机械误差。在干涉仪核心位置上避免机械运动部件的先天不足。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

气压调节无运动件干涉仪，包括迈克尔逊干涉仪常规光路结构中的半透半反镜，以及分别位于半透半反镜反射光路、透射光路上的反射镜，其特征在于：在半透半反镜的透射光路上，位于半透半反镜和对应的反射镜之间共光轴设置有光程腔，由光程腔所在的透射光路形成可调光路，光程腔侧壁具有供气压计连通的通气孔以及供气压调节器连通的通气孔，所述气压计通过对应的通气孔监测光程腔内部气压，且气压计与一个气压控制模块连接，由气压控制模块接收气压计测量的压力信号，气压控制模块根据压力信号得到相应的气压控制信号并将气压控制信号传送至气压调节器，所述气压调节器根据气压控制信号通过对应的通气孔对光程腔内部气压进行调节，通过调节光程腔内部气压改变调节迈克尔逊干涉仪的光程。

所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述光程腔为管状腔体，腔体两管端分别安装有石英窗片，腔体一侧连接有一对通气孔，两通气孔分别垂直于腔体中心轴，其中一个通气孔与气压计连通，另一个通气孔与气压调节器连通。

所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述气压调节器由若干截面积不同的活塞筒构成，每个活塞筒分别由各自对应的驱动电机驱动，每个活塞筒分别配备有刚性锁扣，多个活塞筒的出气孔分别与光程腔对应的通气孔连通，所述气压控制模块分别与各个活塞筒的驱动电机和刚性锁孔控制连接。

所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：还包括结构与光程腔相同的补偿腔，补偿腔内部光路长度小于光程腔，补偿腔两管端分别安装有石英窗片，且补偿腔中石英窗片与光程腔的石英窗片完全相同，所述补偿腔共中心轴设置在半透半反镜的反射光路上并位于半透半反镜和对应的反射镜之间，补偿腔侧壁设有一对通气孔，两通气孔分别垂直于补偿腔中心轴，其中一个通气孔通过放空阀向外部放气，所述气压控制模块与放气阀控制连接，由补偿腔所在的反射光路形成固定光路，并由补偿腔的石英窗片补偿光程腔石英窗片的色散效果，以规避色散对干涉的影响。

所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述补偿腔另一个通气孔还可通过连通阀连通接入气压调节器与光程腔对应的通气孔之间，所述气压控制模块与连通阀控制连接，当需要进行光程差的高精度调节时，通过连通阀连通补偿腔和光程腔，此时补偿腔所在的反射光路不再为固定光路。

所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述光程腔、补偿腔均由高强度材料制成，可承受较高的气压以实现大范围的变化。

本发明的工作原理为：

当空气气压在正常大气压附近时，其折射率与气压基本上线性相关。在迈克尔孙干涉仪的两条光路中增加结构相同的光程腔和补偿腔，其中光程腔可以通过内部气压的改变调节光程，当气压增大时，光程增加，反之光程减小。补偿腔的有效部件为两块石英窗片，其作用为抵消光程腔窗片的色散效果，对于使用单色光源的干涉仪，可以不使用补偿腔。

为准确控制光程腔的光程变化，需要对其内部气压进行精确控制，光程腔外接的气压控制模块可以通过即时检测腔体内部气压实现动态调节，进而实现对光程腔气压/光程的精确控制。为增加光程调节灵敏度，在保证机械强度的前提下，光程腔内部空气柱的长度应该尽量薄。一般来说，由于压力变化产生的石英窗片的厚度变化应远小于工作波长。

常压下空气折射率为1.00027652，与真空接近，这样，每毫米的真空与空气存在276.52nm的光程差，约为半个可见光波长。可以据此定义空气的气压-光程系数k，k＝276.52nm/(atm.mm)。对于长L(mm)的光路，气压变动dP(atm)和光程变动dL(nm)的关系为：

dL＝k×L×dP

据此计算关系，光路在光程腔中的长度决定了精度，对于同等的光程变动，光路越短，对气压的控制精度要求越低。以500nm波长的可见光为例，当光程控制精度为10nm时，干涉仪足以精确控制其光线干涉状态，此时使用1mm光程腔，往返光路长度为2mm，10nm的光程差控制需要气压变动为0.018个大气压，约1832Pa。实际上目前压力传感器很容易实现1500Pa精度的测量，故对于1mm厚的光程腔，对光程的控制精度可以轻易达到10nm以内。

对于更短波长紫外线，需要的光程控制精度也更高，对于空气中可以正常使用的紫外极限波长185nm，要能精确控制干涉，需控制光程变动约4nm(2％波长)，上述情况下需要实现约700Pa的气压精度，此精度对压力测量的要求过高，故本发明设计了补偿腔与光程腔连用的方式，实现了减小光路长度的、降低气压控制精度的要求。

对于中空的加工件，补偿腔和光程腔的内部空间必然存在一定的差异，在低成本加工条件下，1mm腔体会存在0.1mm的加工误差。如此当光程腔与补偿腔连通并对外封闭时，光路中实际有效的光程腔长度将不超过0.1mm，此时，根据前面所述计算，2kPa的气压控制精度可带来小于1nm的的光程控制精度，经过标定后，足以完成紫外-可见-红外全波段的干涉精确控制。

干涉仪工作时需要避免腔体内气体与外界频繁交换而产生的污染，本发明设计的多筒组合气压调节器，采用不同口径的活塞筒，在不同气压级别上逐级调节，实现对封闭环境内气压的大范围精确控制。例如：3个活塞筒口径分别为5:3:1，则其活塞移进行微量移动时，产生的气压变化则为25:9:1，可以根据需要逐级进行从粗调到微调的气压调节。

本发明是一种能够不使用运动光学部件的迈克尔孙干涉仪，其各光路组成部分均无动件且使用刚性连接，以保证其对振动具有极强的抵抗性。由于其各光学部件均为紧固件，该干涉仪便于制作和组装，对部件的加工工艺要求也明显低于传统的干涉仪。

附图说明

图1为本发明结构原理图。

图2为光程腔及补偿腔剖面示意图。

图3为压力控制器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，气压调节无运动件干涉仪，包括迈克尔逊干涉仪常规光路结构中的半透半反镜5，以及分别位于半透半反镜5反射光路10、透射光路11上的反射镜2和1，在半透半反镜5的透射光路11上，位于半透半反镜5和对应的反射镜1之间共光轴设置有光程腔3，由光程腔3所在的透射光路11形成可调光路，光程腔3侧壁具有供气压计6连通的通气孔32以及供气压调节器7连通的通气孔33，气压计6通过对应的通气孔32监测光程腔3内部气压，且气压计6与一个气压控制模块8连接，由气压控制模块8接收气压计6测量的压力信号，气压控制模块8根据压力信号得到相应的气压控制信号并将气压控制信号传送至气压调节器7，气压调节器7根据气压控制信号通过对应的通气孔33对光程腔内部气压进行调节，通过调节光程腔3内部气压改变调节迈克尔逊干涉仪的光程。

如图2所示，光程腔3为管状腔体，腔体两管端分别安装有石英窗片34、35，腔体一侧连接有一对通气孔32、33，两通气孔32、33分别垂直于腔体中心轴，其中一个通气孔32与气压计6连通，另一个通气孔33与气压调节器7连通。

如图3所示，气压调节器7由若干截面积不同的活塞筒71构成，每个活塞筒分别由各自对应的驱动电机73驱动，每个活塞筒71分别配备有刚性锁扣74，多个活塞筒71的出气孔分别与光程腔3对应的通气孔33连通，气压控制模块8分别与各个活塞筒71的驱动电机73和刚性锁孔74控制连接。

如图1所示，还包括结构与光程腔3相同的补偿腔4，补偿腔4内部光路长度小于光程腔3，补偿腔4两管端分别安装有石英窗片44、45，且补偿腔4中石英窗片44、45与光程腔3的石英窗片34、35完全相同，补偿腔4共中心轴设置在半透半反镜5的反射光路10上并位于半透半反镜5和对应的反射镜2之间，补偿腔4侧壁设有一对通气孔42、43，两通气孔42、43分别垂直于补偿腔4中心轴，其中一个通气孔43通过放空阀14向外部放气，气压控制模块8与放气阀14控制连接，由补偿腔4所在的反射光路10形成固定光路，并由补偿腔4的石英窗片34、35补偿光程腔3石英窗片34、35的色散效果，以规避色散对干涉的影响。

补偿腔4另一个通气孔42还可通过连通阀13连通接入气压调节器7与光程腔3对应的通气孔33之间，气压控制模块8与连通阀13控制连接，当需要进行光程差的高精度调节时，通过连通阀13连通补偿腔4和光程腔3，此时补偿腔4所在的反射光路不再为固定光路。

光程腔3、补偿腔4均由高强度材料制成，可承受较高的气压以实现大范围的变化。

如图1所示，气压调节无运动件红外干涉仪，包括反射镜1、2，光程腔3、补偿腔4、半透半反镜5、气压计6、气压调节器7和气压控制模块8，其中反射镜1、2均为迈克尔孙干涉仪两路光线的反射镜，可以为常规平面镜，也可以为角锥镜。使用干涉仪时，入射光9被半透半反镜分束，两路光沿光路10、11分别经光程腔3和补偿腔4到反射镜1和2，而后分别沿光路10、11返回半透半反镜5，并在出射光路12上合束形成干涉。连通阀13控制光程腔3和补偿腔4之间的连通，放空阀14控制补偿腔4与放气孔15之间的连通。

如图2所示，光程腔3和补偿腔4为本发明的核心部件，光程腔3由腔体31、通气孔32、33和石英窗片34、35组成。气压计6通过通气孔32监测光程腔3内部的气压，光程腔3内部气压由气压调节器7通过通气孔33进行调节，气压控制模块8接收气压计6测量的压力信号81，并根据需要将气压控制信号82送给气压调节器7。补偿腔4的结构与光程腔3完全相同，内部光路长度略小于光程腔3，由腔体41、通气孔42、43和石英窗片44、45组成。补偿腔4的内部与大气通过通气孔42连接连通阀，通过通气孔43连接放空阀14。一般情况下，连通阀13关断，放空阀14打开，以保持补偿腔内气压为常压。补偿腔4的功能有两点：第一，补偿腔4的石英窗片44、45与光程腔3的石英窗片34、35完全相同，可以产生相同程度的色散效果，从而规避色散对干涉的影响；第二，当工作波长过短导致难以精确控制气压时，可以关断放空阀14而后打开连通阀13，以减小光程腔3的有效光路长度，降低压力控制精度要求。对于单波长的干涉，由于不用考虑色散因素，故可以不使用补偿腔4，但是当工作波长过小时，仍然需要使用补偿腔4的第二功能。

如图3所示，气压调节器7通过通气孔33与光程腔3连接，并行成一个封闭的连通***70，气压调节器7由若干截面积不同的活塞筒71连接在一起，每个活塞由对应的驱动电机73驱动，并配备相应的刚性锁扣74。驱动电机72的工作状态由气压控制模块8通过气压控制信号82决定。锁扣74的开闭状态也由气压控制模块8通过气压控制信号82决定。不同口径的活塞筒71及活塞72运动时，会对连通***70的气压产生不同程度的影响。例如，当需要调节气压至421kPa时，可以先驱动活塞72.a，使气压位于420kPa附件，锁定锁扣74.a，而后驱动活塞72.b，使气压进一步逼近421kPa，锁定锁扣74.b，最后驱动活塞72.c，使气压精确稳定在421.00kPa位置，锁定锁扣74.c，从而完成对光程腔3的气压准确控制。

使用干涉仪时，可以根据干涉条件的需要，调整光程腔3内的气压，即可得到所需要的干涉效果。对于静态干涉，只需要调整好气压即可，对于动态干涉，可以让驱动电机73按照需要的流程运动，从而产生光程腔3内的动态气压——光程变化。

Claims (6)

1.气压调节无运动件干涉仪，包括迈克尔逊干涉仪常规光路结构中的半透半反镜，以及分别位于半透半反镜反射光路、透射光路上的反射镜，其特征在于：在半透半反镜的透射光路上，位于半透半反镜和对应的反射镜之间共光轴设置有光程腔，由光程腔所在的透射光路形成可调光路，光程腔侧壁具有供气压计连通的通气孔以及供气压调节器连通的通气孔，所述气压计通过对应的通气孔监测光程腔内部气压，且气压计与一个气压控制模块连接，由气压控制模块接收气压计测量的压力信号，气压控制模块根据压力信号得到相应的气压控制信号并将气压控制信号传送至气压调节器，所述气压调节器根据气压控制信号通过对应的通气孔对光程腔内部气压进行调节，通过调节光程腔内部气压改变调节迈克尔逊干涉仪的光程。

2.根据权利要求1所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述光程腔为管状腔体，腔体两管端分别安装有石英窗片，腔体一侧连接有一对通气孔，两通气孔分别垂直于腔体中心轴，其中一个通气孔与气压计连通，另一个通气孔与气压调节器连通。

3.根据权利要求1所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述气压调节器由若干截面积不同的活塞筒构成，每个活塞筒分别由各自对应的驱动电机驱动，每个活塞筒分别配备有刚性锁扣，多个活塞筒的出气孔分别与光程腔对应的通气孔连通，所述气压控制模块分别与各个活塞筒的驱动电机和刚性锁孔控制连接。

4.根据权利要求1所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：还包括结构与光程腔相同的补偿腔，补偿腔内部光路长度小于光程腔，补偿腔两管端分别安装有石英窗片，且补偿腔中石英窗片与光程腔的石英窗片完全相同，所述补偿腔共中心轴设置在半透半反镜的反射光路上并位于半透半反镜和对应的反射镜之间，补偿腔侧壁设有一对通气孔，两通气孔分别垂直于补偿腔中心轴，其中一个通气孔通过放空阀向外部放气，所述气压控制模块与放气阀控制连接，由补偿腔所在的反射光路形成固定光路，并由补偿腔的石英窗片补偿光程腔石英窗片的色散效果，以规避色散对干涉的影响。

5.根据权利要求4所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述补偿腔另一个通气孔还可通过连通阀连通接入气压调节器与光程腔对应的通气孔之间，所述气压控制模块与连通阀控制连接，当需要进行光程差的高精度调节时，通过连通阀连通补偿腔和光程腔，此时补偿腔所在的反射光路不再为固定光路。

6.根据权利要求1或4所述的气压调节无运动件干涉仪，其特征在于：所述光程腔、补偿腔均由高强度材料制成，可承受较高的气压以实现大范围的变化。