四维光学调节镜架、其调节方法和光学系统与流程

本发明涉及光学及光谱学测量领域，尤其涉及一种用于光学振荡腔的四维光学调节镜架、其调节方法和光学系统。

背景技术：

在光学及光谱学测量领域，为了测量光学元件的性能或者气体样品的浓度及光谱，要构建光学振荡腔。振荡腔通常是由腔体管道及两端的球面反射镜(通常是凹面镜)组成密闭空间，反射镜装在可调节镜架上。测量时通常需要降低腔体内部气压，有时要抽真空。光束由腔体一端镜片的背面射入，在两片镜片之间反复反射传播。为实现光束在腔内的稳定传播，球面反射镜的镜面中心与球心的连线要与光轴重合，这要求反射镜的倾角及位置要能够精确调节。同时为了维持内部气压，腔体必须保持密封。现有的技术通常依靠法兰将该镜架与腔体刚性连接在一起，镜片装在镜框中，镜片前表面与镜框之间装有环形密封圈，驱动旋钮顶在镜片背面，从背面将镜片固定在镜框中，密封圈有弹性，驱动旋钮前后调节可实现镜片角度的调节。

在现有技术的光学振荡腔的结构中，腔体的气密性、镜片角度的可调节性，都依赖于镜片前表面与镜框之间的密封圈。系统工作时腔内压力低于外部压力，其压力差值最大可达一个大气压，此时密封圈受压后变形，变形程度与压力差相关。腔内压力变化时，压力差也变化，密封圈变形程度改变，这会引起镜片位置的变化。为了减小这种变化，安装时镜片要尽量压紧密封圈。镜片紧紧压在密封圈上，当需要调节镜面角度时，驱动旋钮向前旋进时受到的阻力非常大，调节起来费力且很不容易精确控制。驱动旋钮直接顶在镜片背面，为了保持平衡，需要三点支撑，调节镜片角度时三个维度相互之间不是正交关系，当需要垂直或者水平方向调节镜面角度时，调节一个旋钮无法实现镜面的垂直或水平方向的转动，而必须三个旋钮相互配合，这使得镜面角度调节非常复杂，若再遇到密封圈的变形极限，则无法达到目的。

技术实现要素：

为解决现有技术中的上述问题，提出了本发明。

根据本发明的四维光学调节镜架、其调节方法和光学系统，在腔体内外有压力差的条件下，既保证了腔体的气密性，又保证了镜片的精确的可调节性。

根据本发明的一方面，提供了一种用于光学振荡腔的四维光学调节镜架。所述四维光学调节镜架包括：支撑框架，其具有前端台座、后端台座和安装在前端台座与后端台座之间的真空波纹管；以及可调节镜框，其安装在支撑框架的后端台座上并且包括安装在可调节镜框上的镜片和驱动机构，其中，真空波纹管在前端台座处与光学振荡腔连接，真空波纹管在后端台座处与可调节镜框连接，使得光学振荡腔、真空波纹管以及安装在可调节镜框上的镜片形成彼此连通且密闭的腔体。

根据本发明腔体与四维光学调节镜架通过真空波纹管“软连接”在一起，四维光学调节镜架的镜框(作为可调节部分)连接在真空波纹管上，镜片装在镜框中，密封垫圈装在镜片背面，镜片靠背面的压盖压紧固定在镜框中，通过驱动旋钮调节镜框的角度来实现镜片角度的调节。通过镜框背部的驱动构件(例如驱动旋钮)可以精确调节镜片在垂直方向、水平方向的角度。通过镜框上方及侧方的驱动构件(例如驱动旋钮)可以实现在上下方向、左右方向的移动。通过上述对可调节镜框中的镜片的角度和移动距离的调节，可实现组成振荡腔的两片凹面反射镜的中心与球心连线与光轴重合。本发明的四维光学调节镜架既可以保证腔体的气密性，又可以实现镜片角度的精确调节。

附图说明

图1是两个四维光学调节镜架与腔体连接时的俯视图；

图2是两个四维光学调节镜架与腔体连接时的侧视图，其中，为了示出四维光学调整镜架的内部结构，右侧的四维光学镜架以局部剖视的状态示出；

图3是图2中的V部分的放大示图；

图4是两个四维光学调节镜架与腔体连接时的仰视图；

图5是根据本发明实施例的一个四维光学调节镜架的立体图；

图6是根据本发明实施例的一个四维光学调节镜架从该四维光学调节镜架的一端镜片背面观看时的正视图。

附图标记说明：

1 支撑框架

11 前端台座 12 后端台座 121 弹簧 13 真空波纹管

111 法兰卡槽 131 法兰接口

2 可调节镜框

20 镜片

21 驱动机构

211 第一驱动构件 212 第二驱动构件

213 第一锁定机构 214 第二锁定机构

22 导气管

23 压盖

231 密封圈

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。实施例仅仅是对本发明的示例性解释，并不是对本发明的限制。关于根据本发明的解决问题的手段，并不一定需要根据下述实施例描述的各方面的全部组合。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

下面，将参照图1到图6详细描述根据本发明实施例的四维光学调节镜架。图1至图4是以将两个四维光学调节镜架与光学振荡腔(也简称为腔体)连接在一起构成光学系统为例进行说明，其中，由于光学振荡腔比较长，因此采用了省略了的画法绘制。图5和图6分别是一个四维光学调节镜架的立体图和正视图。

根据本发明实施例的四维光学调节镜架包括用于对整个镜架进行支撑的支撑框架1，该支撑框架可以具有平坦的底面，以在操作四维光学调节镜架时提供稳定的支撑。此外，该支撑框架可以具有一定的重量，并且还可以包括配设在支撑框架的底面的安装孔，以便于将四维光学调节镜架通过安装孔安装在操作台上。

根据本发明实施例的支撑框架1具有前端台座11、后端台座12和安装在前端台座11与后端台座12之间的真空波纹管13。

根据本发明实施例的四维光学调节镜架还包括安装在支撑框架的后端台座上的可调节镜框2。该可调节镜框2包括安装在可调节镜框上的镜片20和驱动机构21。镜片20的厚度T可以是5-6mm。镜片的直径φ可以是12.5-25mm(0.5-1英寸)，优选为25mm。

根据本发明实施例的可调节镜框2还包括位于顶部的导气管22，用于进气，具体地，用于通入吹扫安装在可调节镜框上的镜片的前表面的洁净气体。例如，当待检测气体样品会污染镜面时，可以由此导气管通入洁净气体，吹扫镜片前表面，以避免镜片表面被样品气体污染；或者用于日常的吹扫维护。导气管22可以采用导气管接头与安装导气管22的底座位置卡接。但是导气管22的固定和安装方式不限于此。

根据本发明实施例的镜片安装在四维光学调节镜架的可调节镜框内，背部用压盖23压紧，压盖23与镜片20之间装有密封垫圈231(例如，硅橡胶密封圈)。上述压盖是中空的，即该压盖中间是空的，使得光束可以穿过，可以将该压盖旋紧在镜框上，用来固定镜片。镜片安装以后，腔体内部形成密闭空间。腔内气压变化时，镜片的位置不会漂移。

根据本发明实施例的真空波纹管13在前端台座11处与光学振荡腔连接，真空波纹管13在后端台座12处与可调节镜框2连接，使得光学振荡腔、真空波纹管以及安装在可调节镜框上的镜片形成彼此连通且密闭的腔体。

具体地，根据本发明实施例的四维光学调节镜架的真空波纹管13末端为标准的法兰接口131，通过此法兰接口131可与光学振荡腔实现密闭连接。更具体地，四维光学调节镜架的支撑框架1的前端台座11设有法兰卡槽111，真空波纹管13法兰接口131与腔体法兰接口(未例示)连接后锁紧在法兰卡槽111内。通过该法兰接口与法兰卡槽的配合，能够实现对腔体的密闭连接。

根据本发明实施例的可调节镜框2通过高强度弹簧拴在支撑框架1后部。通过驱动机构21的驱动而被调节。具体地，驱动机构21至少在两个正交的方向上对可调节镜框2进行驱动，以调节安装在可调节镜框上的镜片在至少两个正交的方向上的角度和移动距离。例如，这两个正交的方向可以是相对于支撑框架1所处水平面的垂直方向和水平方向。更具体地说，相对于支撑框架1所处水平面的垂直方向可以是支撑框架的竖立的方向，相对于支撑框架1所处水平面的水平方向可以是光入射时的方向。

具体地，根据本发明实施例的驱动机构21包括第一驱动构件211。第一驱动构件211穿过支撑框架的后端台座而安装在可调节镜框后侧以调节镜片在相对于支撑框架1所处水平面的垂直方向、水平方向的角度。这里，垂直方向的角度是指可调节镜框俯仰时的俯仰角度；水平方向的角度是指可调节镜框沿垂直的旋转轴(例如，沿垂直于光入射的方向)旋转时的旋转角度。如图6所示，附图6中的位于右上方的第一驱动构件211可以驱动可调节镜框2进行俯仰以调节可调节镜框2的俯仰角度。图6中的位于左下方的第一驱动构件211可以驱动可调节镜框2进行旋转以调节可调节镜框2相对于垂直旋转轴的旋转角度，例如，调节可调节镜框2的一侧边框前进后退，相当于可调节镜框2绕另外一侧边框转动。然而，第一驱动构件211的布置方式不限于此，只要能够实现对可调节镜框2的俯仰角度和水平角度的调节即可。例如，第一驱动构件可以是驱动旋钮，通过驱动旋钮旋转时的前后运动，可以在垂直、水平方向两个方向调节镜框角度。

此外，根据本发明实施例的驱动机构21还包括第二驱动构件212。第二驱动构件212安装在可调节框架的侧面和顶面上以调节镜片在上下方向、左右方向上的移动。这里，上下方向的移动是指可调节镜框竖直地上下移动。左右方向的移动是指可调节镜框在被支撑面上左右地移动。如图6所示，附图6中的位于可调节镜框2上方的第二驱动构件212可以驱动可调节镜框2进行上下移动以调节可调节镜框2的上下移动的距离。图6中的位于右侧的第二驱动构件212可以驱动可调节镜框2左右移动以调节可调节镜框2左右移动的距离。然而，第二驱动构件212的布置方式不限于此，只要能够实现对可调节镜框2的上下方向、左右方向上的移动的调节即可。例如，第二驱动构件可以是驱动旋钮，通过驱动旋钮旋转时的前后运动，可以在上下方向、左右方向上调节镜框的移动。

根据本发明实施例的驱动机构21还包括锁定机构。具体地，驱动机构21还包括：第一锁定机构213，其在第一驱动机构对角度的调节完成后，对第一驱动机构进行锁定；第二锁定机构214，其在第二驱动机构对移动距离的调节完成后，对第二驱动机构进行锁定。

在驱动机构对上述角度或移动距离的调节完成后，将驱动机构锁定，以使腔体结构固定不变。锁定机构213(214)可以设置在可调节镜框2的任意位置，只要能够实现对可调节镜框的锁定即可。例如，如图6所示，在本发明的实施例中，第一锁定机构213设置在可调节镜框2的后侧，即与第一驱动机构211处于同一面上，第一锁定机构213可以是一个或更多个；第二锁定机构214设置在可调节镜框的底面，即位于与处于可调节镜框右侧的第二驱动机构212的对面侧，第二锁定机构213可以是一个或更多个。但是，锁定机构的设置方式不限于此，锁定机构还可以对称地设置，只要能够实现对可调节镜框的锁定即可。

根据本发明实施例的后端台座12包括弹簧121，可调节镜框2通过该弹簧安装在支撑框架的后端台座上。

以光腔衰荡光谱应用为例，入射光由装置一端镜片背面入射，入射光束应当与腔体的轴心重合。选择合适的镜片，精确调节后，光束可以在腔内两片镜片之间反复传播。

振荡腔的调节：通过镜框背部的驱动构件(例如驱动旋钮)可以精确调节镜片在垂直方向、水平方向的角度。通过镜框上方及侧方的驱动构件(例如驱动旋钮)可以实现在上下方向、左右方向的移动。通过上述可调节镜框中的镜片的角度和距离的调节，可实现组成振荡腔的两片凹面反射镜的镜面中心与球心的连线与光轴重合。镜架上装有锁定机构，调节完成后可以将旋钮锁定，使振荡腔结构固定不变。光学系统通常由一组两个镜架加腔体构成。腔体上设有进气、出气口，可以根据需要抽真空或者通入气体样品。

多组光学振荡腔同时使用且共用一个光源时，因为镜框在上下、左右方向可以移动，降低了搭建光路时对各组件安装位置的精度要求，方便光路调节。

综上，根据本发明的四维光学调节镜架既可以保证腔体的气密性，又可以实现镜片角度的精确调节；根据本发明的四维光学调节镜架的调节方法，能够在多组光学振荡腔同时使用且共用一个光源的情况下，降低搭建光路时对各组件安装位置的精度要求，方便光路调节。

上虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的任何等效变型或修改，都应涵盖在本发明的保护范围之内。