專利名稱：凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，尤其涉及一種對凹面光柵的圓光譜面通過機械掃描進行高速光譜采集的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置。
背景技術(shù)：
在有些光譜測量中，需要高速連續(xù)地進行光譜采集，一般光電探測器采用光電倍增管的系統(tǒng)，光譜高速采集常使用機械多狹縫掃描式方法。常用的裝置是多條狹縫分布在一個旋轉(zhuǎn)盤平面上，且該平面與旋轉(zhuǎn)軸垂直。在光譜成像面為平面(直譜面)的情況，當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤直徑較大時，旋轉(zhuǎn)狹縫在較小的運動范圍內(nèi)(也就是測量的光譜帶寬較窄時)可以近似為直線運動，此時光譜采集精度和速度都很高；但此裝置對凹面光柵成像為圓光譜面的情況不合適，這是因為，該狹縫的運動軌跡是在平面上，與圓光譜面存在較大的位置誤差。公開號為2454767的發(fā)明專利“機械掃描式高速光譜采集裝置”，其結(jié)構(gòu)是采用在轉(zhuǎn)桶的桶壁上設(shè)置多條狹縫，且狹縫與旋轉(zhuǎn)軸平行，并通過桶內(nèi)設(shè)有的兩塊反射鏡，把桶外的與旋轉(zhuǎn)狹縫不在同一層面上的光柵的光譜引入旋轉(zhuǎn)桶內(nèi)，然后照到旋轉(zhuǎn)狹縫，再通過光電倍增管接收，這種裝置可適用于凹面光柵產(chǎn)生的圓光譜面的儀器，但其仍存在如下的缺點對于采用曲率半徑較大的凹面光柵的高分辨率的光譜儀器，當(dāng)測量光譜范圍也較大時，必然需要較大尺寸的高精度的平面反射鏡，而這種反射鏡加工困難、價格昂貴；又由于光路上的光柵、與轉(zhuǎn)動桶隨動的出射狹縫、光電倍增管不在同一層面上，因此光路中需要增加兩塊反射鏡折光，這樣增加了儀器調(diào)試的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點，而提供一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，采用小尺寸的平面反射鏡，把入射狹縫射出的光引入旋轉(zhuǎn)桶內(nèi)，這樣使光柵、旋轉(zhuǎn)狹縫和光電倍增管設(shè)在同一層面上，不但使裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，而且降低儀器的調(diào)試難度和制造成本；能夠達到在高速、高精度數(shù)據(jù)采集的情況下，獲得高分辨率的寬光譜范圍的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，特別適合于采用差分吸收光譜法的空氣微量污染物的長光程監(jiān)測系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
本發(fā)明凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，包括光路上設(shè)置的反射鏡、光柵、與轉(zhuǎn)動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉(zhuǎn)動桶設(shè)有固定軸，并通過套設(shè)在固定軸和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位于轉(zhuǎn)動桶外側(cè)；其特征在于，所述反射鏡為入射光反射鏡并安置在轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)的固定軸端面上；所述光柵為凹面光柵，光譜面成像在羅蘭圓上，光柵與狹縫、光電倍增管位于同一層面上。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其中凹面光柵固定在位于轉(zhuǎn)動桶內(nèi)側(cè)的桶軸的軸端平面上，凹面光柵的背面與轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)設(shè)有間距。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其中凹面光柵固定在轉(zhuǎn)動桶外的支架上，其凹面與轉(zhuǎn)動桶桶壁外側(cè)設(shè)有間距。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其中光電倍增管前加設(shè)聚焦光學(xué)器。
四

圖1是本發(fā)明一實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明另一實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號說明1固定軸、2凹面光柵、3轉(zhuǎn)動桶、4狹縫、5羅蘭圓、6聚焦光學(xué)器、7光電倍增管、8反射鏡、9電機、10固定支架、11傳動帶。
五具體實施例方式
參閱圖1所示，本發(fā)明凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置的一實施例，其設(shè)計結(jié)構(gòu)包括光路上設(shè)置的反射鏡8、光柵2、與轉(zhuǎn)動桶3隨動的狹縫4、光電倍增管7；其中，所述反射鏡為入射光反射鏡并安置在轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)的固定軸端面上；轉(zhuǎn)動桶3設(shè)有固定軸，并通過套設(shè)在轉(zhuǎn)動桶3和電機9上的傳動帶11與電機連動，光電倍增管7位于轉(zhuǎn)動桶3外側(cè)；所述光柵2為凹面光柵，光譜面成像在羅蘭圓5上，光柵2與狹縫4、光電倍增管7位于同一層面上；狹縫4等距平行排列設(shè)置在轉(zhuǎn)動桶3上，狹縫4的軌跡面即為轉(zhuǎn)動桶3的桶壁內(nèi)表面，每條狹縫4的寬度相等，轉(zhuǎn)動桶3上最多可設(shè)置的狹縫4的數(shù)量由儀器的光譜范圍、分辨率和光柵的曲率半徑?jīng)Q定；凹面光柵2固定在位于轉(zhuǎn)動桶3內(nèi)的固定軸1的軸端平面上，該凹面光柵2的背面與轉(zhuǎn)動桶3的內(nèi)桶壁設(shè)有距離；當(dāng)測量的光譜范圍較大時，也就是所測量的光譜展開尺寸大于光電倍增管7的接收面口徑時，光電倍增管7與轉(zhuǎn)動桶3之間需加入聚焦光學(xué)器6。本裝置產(chǎn)生的光譜都成像在羅蘭圓5上。狹縫4的軌跡面與羅蘭圓5相交于光譜面的測量光譜段，對于采用曲率半徑更大的凹面光柵的光譜儀器，由于羅蘭圓5變大，使狹縫4的軌跡面與羅蘭圓5在光譜面的測量光譜段基本重合，因此測量精度非常高。
本實施例的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置用于采集光譜范圍200nm至480nm時，其實驗參數(shù)如下反射鏡8的面積為20×20mm2，轉(zhuǎn)動桶3的桶壁上設(shè)有10個狹縫4，每個狹縫寬度都為0.05mm，凹面光柵2采用曲率半徑為226mm、刻線數(shù)為1200線/毫米的全息凹面光柵，該凹面光柵2的背面與轉(zhuǎn)動桶3內(nèi)壁(即狹縫軌跡)相距約1mm，狹縫軌跡面的內(nèi)徑設(shè)為238mm(等于凹面光柵的曲率半徑加12mm)，由于光柵2的設(shè)置，使羅蘭圓5的圓心與狹逢軌跡的圓心相距6mm，兩圓的交點P位于光譜面的340nm位置，轉(zhuǎn)動桶3的轉(zhuǎn)速約14轉(zhuǎn)/秒，聚焦光學(xué)器6的通光口徑設(shè)為72mm，接收光電探測器采用光電倍增管7。
使用時，接通電源，轉(zhuǎn)動桶3通過套設(shè)傳動帶11被電機9帶動，圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)；光柵的入射光，是經(jīng)由轉(zhuǎn)動桶3外的入射狹縫，傳到轉(zhuǎn)動桶3內(nèi)的固定軸端平面上的反射鏡8而引入到轉(zhuǎn)動桶內(nèi)，然后射入到凹面光柵2上，凹面光柵2對光除產(chǎn)生衍射外，還兼具有準(zhǔn)直和聚焦作用，本裝置產(chǎn)生的光譜都成像在羅蘭圓5上；當(dāng)狹縫4掃過羅蘭圓5上的被測光譜段時，光經(jīng)狹縫4進入聚焦光學(xué)器6，然后會聚到光電倍增管7，此時給出采樣起始信號，然后以固定頻率采樣，也可以由安裝在轉(zhuǎn)動桶3上的同軸的光電編碼器(圖中未示)精確給出每一個采樣信號，這樣光電倍增管7將接收到的光譜信息轉(zhuǎn)變成電信號，即得到光譜數(shù)據(jù)。由于反射鏡8只是引入入射狹縫的光，故可用較小的尺寸，因此加工容易、價格低廉；更主要的是由于光路上設(shè)置的光柵、旋轉(zhuǎn)狹縫和光電倍增管都在同一層面上，這樣可以大大降低儀器的調(diào)試難度；特別是對于采用曲率半徑更大的凹面光柵的高分辨率的光譜儀器，這一效果會更加明顯。由于凹面光柵的曲率半徑越大，羅蘭圓5的直徑隨著增大，由于狹縫軌跡面的內(nèi)徑等于凹面光柵的曲率半徑加12mm，因此該狹縫軌跡面的內(nèi)徑也隨著增大，而羅蘭圓5的圓心與狹縫軌跡的圓心距離不變(仍為6mm)，因此羅蘭圓5與狹縫軌跡面在光譜面的測量光譜段的重合性越好，使測量精度可以進一步提高；也就是說，本裝置更適合于光譜測量范圍寬、光柵分辨率高、光譜采集速率高的情況。
參閱圖2所示，本發(fā)明凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置的另一實施例，其設(shè)計結(jié)構(gòu)包括光路上設(shè)置的反射鏡8、光柵2、與轉(zhuǎn)動桶3隨動的狹縫4、光電倍增管7；其中，所述反射鏡為入射光反射鏡并安置在轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)的固定軸端面上；轉(zhuǎn)動桶3設(shè)有固定軸，并通過套設(shè)在轉(zhuǎn)動桶3和電機9上的傳動帶11與電機連動，光電倍增管7位于轉(zhuǎn)動桶3外側(cè)；所述光柵2為凹面光柵，光譜面成像在羅蘭圓5上，光柵2與狹縫4、光電倍增管7位于同一層面上；狹縫4等距平行軸向排列設(shè)置在轉(zhuǎn)動桶3的桶壁外面上，狹縫4的軌跡面即為轉(zhuǎn)動桶3的桶壁外表面，每條狹縫4的寬度相等，轉(zhuǎn)動桶3上最多可設(shè)置的狹縫4的數(shù)量由儀器的光譜范圍、分辨率和光柵的曲率半徑?jīng)Q定；其結(jié)構(gòu)的不同點是凹面光柵2固定在位于轉(zhuǎn)動桶3桶壁外側(cè)的固定支架10上，該凹面光柵2的凹面與轉(zhuǎn)動桶3的桶壁外側(cè)設(shè)有約1mm距離；由于在光譜數(shù)據(jù)采集期間，凹面光柵與狹縫之間的光路上不能有任何遮擋物，因此要在轉(zhuǎn)動桶3上與每個狹縫對應(yīng)處開一個通光缺口。由于此時羅蘭圓5圓心與狹逢軌跡的圓心相距的距離縮小為0.5mm，所以羅蘭圓5與狹縫的軌跡面在光譜面的測量光譜范圍的重合性非常好，光譜采集精度很高，這是本實施例的有益效果。特別對于采用曲率半徑更大的凹面光柵的高分辨率的光譜儀器，由于羅蘭圓的變大，將使羅蘭圓與狹縫的軌跡面在光譜面的測量光譜段的重合性更好，因此光譜采集的精度非常高。其代價是本實施例結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)動桶桶壁上開設(shè)有通光缺口，使轉(zhuǎn)動桶桶壁3上最多可設(shè)置的狹縫4的數(shù)量減少，同等情況下，狹縫4的數(shù)量是上述實施例的二分之一以下，也就是單位時間的采樣遍數(shù)減少了一倍多；但是對于曲率半徑較大的凹面光柵的高分辨率的光譜儀器，由于羅蘭圓的直徑增大，轉(zhuǎn)動桶的直徑也加大，桶壁上可設(shè)置的狹縫的數(shù)量雖然減半，但絕對數(shù)量較多，因此并不會影響高速測量的效果；也就是說，本裝置也非常適合于光譜測量范圍寬、光譜分辨率與采集速率高的情況。
下面結(jié)合給定的實驗數(shù)據(jù)，對本實施例作進一步描述。
參見圖2，本實施例的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置采用曲率半徑為226mm、刻線數(shù)為1200線/毫米的全息凹面光柵，采集光譜范圍200nm至376nm，入射光反射鏡8的面積為20×20mm2，轉(zhuǎn)動桶3的桶壁上設(shè)有4個狹縫4，每個狹縫寬度都為0.05mm，轉(zhuǎn)動桶3上與每個狹縫對應(yīng)處開一個88mm通光缺口。該凹面光柵2的凹面與轉(zhuǎn)動桶3的桶壁外側(cè)設(shè)有約1mm距離，狹縫軌跡面的直徑設(shè)為225mm(等于凹面光柵的曲率半徑減1mm)，羅蘭圓5的圓心與狹逢軌跡的圓心相距0.5mm，兩圓的交點P位于光譜面的288nm位置，轉(zhuǎn)動桶3的轉(zhuǎn)速約30轉(zhuǎn)/秒，聚焦光學(xué)器6的通光口徑設(shè)為45mm，接收光電探測器采用光電倍增管7。
使用時，接通電源，轉(zhuǎn)動桶3通過套設(shè)傳動帶11被電機9帶動，圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)；光柵的入射光，是經(jīng)由轉(zhuǎn)動桶3外的入射狹縫，傳到轉(zhuǎn)動桶3內(nèi)的固定軸端平面上的反射鏡8而引入到轉(zhuǎn)動桶內(nèi)，然后通過轉(zhuǎn)動桶3上的一個88mm通光缺口射入到凹面光柵2上，凹面光柵2產(chǎn)生衍射光再通過轉(zhuǎn)動桶3上的一個88mm通光缺口把光譜面聚焦在羅蘭圓5上，并由轉(zhuǎn)動桶3上的與通光缺口對應(yīng)的狹逢4掃描；光經(jīng)狹縫4進入聚焦光學(xué)器6，然后會聚到光電倍增管7，光電倍增管7在采樣信號控制下進行光譜數(shù)據(jù)的采集。
總之，本發(fā)明凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置的特點是，采用小尺寸的平面反射鏡，把入射狹縫射出的光(其光束口徑較小)引入旋轉(zhuǎn)桶內(nèi)，這樣使光柵、旋轉(zhuǎn)狹縫和光電倍增管設(shè)在同一層面上，不但使裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，而且降低儀器的調(diào)試難度和制造成本。由于凹面光柵衍射的光譜都成像在羅蘭圓5上，對于采用曲率半徑更大的凹面光柵的高分辨率的光譜儀器，由于凹面光柵的曲率半徑大，羅蘭圓5的直徑隨著增大，狹縫軌跡面的直徑也隨著增大，而羅蘭圓5的圓心與狹縫軌跡的圓心距離不變，因此羅蘭圓5與狹縫軌跡面在光譜面的測量光譜段的重合性越好，使測量精度提高，也就是說本裝置能達到在高速、高精度數(shù)據(jù)采集的情況下，獲得高分辨率的寬光譜范圍的數(shù)據(jù)結(jié)果的目的。
以上所述，僅是本發(fā)明的兩例具體實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，包括光路上設(shè)置的反射鏡、光柵、與轉(zhuǎn)動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉(zhuǎn)動桶設(shè)有固定軸，并通過套設(shè)在轉(zhuǎn)動桶和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位于轉(zhuǎn)動桶外側(cè)；其特征在于，所述反射鏡為入射光反射鏡并安置在轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)的固定軸端面上；所述光柵為凹面光柵；光柵與狹縫、光電倍增管位于同一層面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其特征在于，所述凹面光柵固定在位于轉(zhuǎn)動桶內(nèi)側(cè)的桶軸的軸端平面上，凹面光柵的背面與轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)設(shè)有間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其特征在于，所述凹面光柵固定在轉(zhuǎn)動桶外的支架上，其凹面與轉(zhuǎn)動桶桶壁外側(cè)設(shè)有間距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其特征在于，所述光電倍增管前加設(shè)聚焦光學(xué)器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜采集裝置，其包括光路上設(shè)置的反射鏡、光柵、與轉(zhuǎn)動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉(zhuǎn)動桶設(shè)有固定軸，并通過套設(shè)在轉(zhuǎn)動桶和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位于轉(zhuǎn)動桶外側(cè)；反射鏡為入射光反射鏡，并安置在轉(zhuǎn)動桶桶壁內(nèi)側(cè)的固定軸端面上；光柵為凹面光柵，其光譜面成像在羅蘭圓上，光柵與狹縫和光電倍增管位于同一層面上；其具有結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，調(diào)試難度和制造成本較低，并且能達到在高速、高精度數(shù)據(jù)采集的情況下，獲得高分辨率的寬光譜范圍的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，特別適合于采用差分吸收光譜法的空氣微量污染物的長光程監(jiān)測系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。
文檔編號G01J3/18GK1580719SQ0313054
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者張帆, 姚建銓 申請人:天津市三博科技有限公司