專利名稱：單色儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將組合光分散成光譜的光學(xué)儀器，尤其是一種用于分光 光度計(jì)或類似儀器的單色儀。
背景技術(shù)：
目前單色儀從結(jié)構(gòu)上可以分為兩類單單色儀和雙單色儀。單單色 儀中，只包括一塊光柵和若干塊反向鏡，入射光束在光柵上發(fā)生衍射后 輸出單色光。由于只經(jīng)過一次衍射，所以其分散出的單色光通常不夠純 凈，在某些檢測領(lǐng)域不能達(dá)到所需的精度要求。雙單色儀包括兩塊光柵， 入射光束經(jīng)過第一塊光柵衍射后分散出單色光，再使所需要的單色光入 射到第二塊光柵進(jìn)行再次衍射，由于經(jīng)過兩次衍射，故其所產(chǎn)生的單色 光更加純凈。所以使用雙單色儀檢測通常能達(dá)到更高的精度等級。雙單色儀的結(jié)構(gòu)是把兩個(gè)單單色儀串聯(lián)起來，兩單單色儀通過中央 共用的狹縫連接。光譜線從第一個(gè)單單色儀出射后通過此狹縫進(jìn)入第二 個(gè)單單色儀，最后從第二個(gè)單單色儀的出射狹縫輸出相應(yīng)的單色光束。 這種級聯(lián)的雙單色儀包括色散相加單色儀(見圖l)和色散相減單色儀 (見圖2)。如圖1所示，色散相加雙單色儀的結(jié)構(gòu)包括殼體(圖中未示出)、安裝在殼體上的具有入射狹縫S1的入射板和具有出射狹縫S3的出射板，以及安裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)。其中的光路系統(tǒng)包括依次布置在反射光路上的第一反光鏡l、第一凹面鏡2、第一光柵3、第二凹面鏡4、中間狹 縫S2、第三凹面鏡5、第二光柵6、第三凹面鏡7、第二反光鏡8。其中第 一光柵3和第二光柵6平行布置，并分別由各自的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)在一 定角度范圍內(nèi)，沿著同一方向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在該雙單色儀中，入射狹縫S1、 第一反光鏡l、第一凹面鏡2、第一光柵3、第二凹面鏡4、中間狹縫S2 相當(dāng)于一臺單單色儀；中間狹縫S2、第三凹面鏡5、第二光柵6、第三凹 面鏡7、第二反光鏡8、出射狹縫S3相當(dāng)于另一臺單單色儀。二者共用中 間狹縫S2。通過入射狹縫S1后的光束首先入射到第一反光鏡1上，并由其反射到第一凹面鏡2，經(jīng)匯聚后入射到第一光柵3，光束經(jīng)第一光柵3衍射后 形成的衍射光束即為光譜，該光譜經(jīng)第二凹面鏡4匯聚后，反射到中間狹縫S2附近；啟動(dòng)第一光柵3的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置使其轉(zhuǎn)過某一角度，停止在某一特定位置，在該位置只有預(yù)定波長的單色光能通過中間狹縫S2， 而其他波長的單色光被擋?。煌ㄟ^中間狹縫S2的單色光入射到第三凹面 鏡5，經(jīng)匯聚后反射到第二光柵6再次衍射，再次衍射后的光譜由第三凹 面鏡7匯聚后經(jīng)第二反光鏡8反射，最后單色光中最純凈的部分由出射狹 縫S3輸出。上述掃描過程中，在第一光柵3轉(zhuǎn)過某一角度的同時(shí)，第二光柵6也 要相應(yīng)地轉(zhuǎn)過相同角度。即使用這種雙單色儀進(jìn)行掃描時(shí)，必須使兩塊 光柵同時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向必須一致，使組成該雙單色儀的兩臺單 單色儀的光譜相互對應(yīng)。如果兩臺單單色儀中的兩塊光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)不能嚴(yán) 格保持一致，則被第一塊光柵分解后的單色光束就不能全部從出射狹縫 射出，甚至?xí)恢虚g狹縫全部擋住，那么該雙單色儀就沒有任何使用價(jià) 值了。如圖2所示，色散相減雙單色儀的結(jié)構(gòu)與色散相加雙單色儀結(jié)構(gòu)的 不同之處僅在于兩塊光柵不是平行的，而呈軸對稱布置。其他相同部分 不再贅述。使用該色散相減雙單色儀進(jìn)行掃描時(shí)，為了保證兩臺單單色 儀的光譜相互對應(yīng)，必須使兩塊光柵同時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向必須相 反，稍有偏差該雙單色儀可能就無法使用。綜上所述，無論是色散相加雙單色儀，還是色散相減雙單色儀，在 使用過程中，都必須嚴(yán)格保證兩塊光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)一致性。這樣，就對 雙單色儀中使光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置提出了較高要求。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置種類有正弦桿機(jī)械裝置、使用步進(jìn)電機(jī)和減速齒輪的開環(huán)回路控制裝置和直流伺服電機(jī)的閉環(huán)加路控制裝置，等 等。所有這些旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)械零件都比較多，對零件本身的要求也 較嚴(yán)格。所以目前的雙單色儀中，兩單單色儀掃描系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)一致性的 有效控制仍比較困難。另外兩塊光柵在每次旋轉(zhuǎn)后的位置重復(fù)性很難得 到可靠的保證，安裝、調(diào)試及后續(xù)的維修都比較繁雜，不利于現(xiàn)場排除雙單色儀機(jī)構(gòu)的變動(dòng)很容易引起有關(guān)零件的相對位 置關(guān)系變化，必須時(shí)刻注意有關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種雙單色儀的光 學(xué)零件和機(jī)械零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。此前，本領(lǐng)域的諸多發(fā)明人針對上述問題，在改進(jìn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電子控制方面，進(jìn)行了大量的研究工作，如公開號為平11-304587的日本專利申請中提出一種單色儀，其中的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置包括線性電機(jī)和位置檢測 器。但所有這些研究工作都是建立在有效控制兩單單色儀掃描系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)一 致性基礎(chǔ)上。目前還沒有一種無需考慮控制兩單單色儀掃描系統(tǒng)動(dòng)態(tài)一致性 的雙單色儀。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種只有一塊光柵但 能實(shí)現(xiàn)兩次衍射的單色儀。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述的單色儀，包括殼體、安裝在殼體上的具有入射狹縫的 入射板和具有出射狹縫的出射板以及安裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)，所述光 路系統(tǒng)包括布置在光路上的一塊光柵和若干塊反射鏡，其中光柵安裝在 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；從入射狹縫的入射光束通過若干塊反射鏡在所述光柵上至少進(jìn)行兩次衍射，最后級次衍射光束中的預(yù)定波長的單色光由出射 狹縫輸出。所述光柵的各次衍射均在光柵的主截面內(nèi)進(jìn)行。 其中從入射狹縫的入射光束以偏離所述光柵主截面方向入射到光其中在光柵上的各次衍射的入射角均相同，入射角指的是入射光束的 主光線在光柵主截面內(nèi)的投影與光柵法線之間的夾角。所述若干塊反射鏡包括準(zhǔn)直鏡、第一平面鏡；入射光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡后 形成的平行光束入射到所述光柵上，形成一次衍射光束，該一次衍射光 束由第一平面鏡反射至所述光柵上，形成二次衍射光束，二次衍射光束 中預(yù)定波長的單色光由出射狹縫輸出。所述第一平面鏡安裝在準(zhǔn)直鏡的下方；具有入射狹縫的入射板位于 光柵的上方或下方。所述若干塊反射鏡包括均與水平面垂直的第一準(zhǔn)直鏡、第一凹面鏡 和第二準(zhǔn)直鏡，入射光束經(jīng)第一準(zhǔn)直鏡后形成的平行光束入射到所述光 柵上，形成一次衍射光束，該一次衍射光束經(jīng)第一凹面鏡匯聚反射到第 二準(zhǔn)直鏡形成平行光束，該平行光束再次反射至所述光柵上，形成二次 衍射光束，二次衍射光束中預(yù)定波長的單色光由出射狹縫輸出。在所述二次衍射光束出射側(cè)設(shè)有第三凹面鏡，用于匯聚并反射二次 衍射光束。在所述第一凹面鏡和第二準(zhǔn)直鏡之間的光路上設(shè)有第二凹面鏡，第 一凹面鏡的出射光束經(jīng)第二凹面鏡匯聚后反射到第二準(zhǔn)直鏡。其中所述具有入射狹縫的入射板、第一準(zhǔn)直鏡、第一凹面鏡沿著依次斜向下方方向布置；第二準(zhǔn)直鏡、第三凹面鏡、具有出射狹縫的出射 板沿著依次斜向上方方向布置。在所述第二凹面鏡的焦點(diǎn)位置附近設(shè)有光闌。其中還包括設(shè)置在出射狹縫之前的用于改變光路方向的第二平面鏡。所述光柵是平面光柵或者凹面光柵。本發(fā)明所述的單色儀的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明中，只有一塊光柵和 一套旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，與現(xiàn)有儀器相比，減少了一塊光柵及其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。 這不僅有利于降低儀器成本，更重要的是在掃描過程中，無論旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 怎樣驅(qū)動(dòng)光柵，在同一光柵上發(fā)生的多次衍射的光譜都是嚴(yán)格一致的，對于 掃描系統(tǒng)的有效控制非常容易。即本發(fā)明減化了掃描控制過程；同時(shí)降低了加工和調(diào)試難度，可維護(hù)性強(qiáng)。通過以下參照附圖對優(yōu)選實(shí)施例的說明，本發(fā)明的上述以及其它目的、 特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖1是現(xiàn)有的色散相加雙單色儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有的色散相減雙單色儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中，多次入射光柵的入射光束的主光線與主截面的夾角不同時(shí)的原理示意圖；圖4是本發(fā)明中，為立體角g(即入射光束的主光線與主截面的夾角)分別取5°、 3°、 3。和5。，光柵從豎直面與平面鏡正對的位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，表示出射波長X與轉(zhuǎn)角CO的關(guān)系的示意圖；圖5是本發(fā)明中，波長與轉(zhuǎn)角正弦的關(guān)系的示意圖； 圖6是本發(fā)明的單色儀的第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖7是本發(fā)明的單色儀的第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明的單色儀的第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下圖中1.第一反光鏡；2.第一凹面鏡；3.第 一光柵；4.第二凹面鏡；5.第三凹面鏡；6.第二光柵；7.第三凹面鏡；8.第二反光鏡；10.光柵；11.20.24.準(zhǔn)直鏡；12.第一平面鏡；14.第一準(zhǔn)直鏡；15.第一凹面鏡；16.第二凹面鏡；17.第二準(zhǔn)直鏡；18.第三凹面鏡；19.第二平面鏡；21.22.23.平面鏡。
具體實(shí)施方式
下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施例只 用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。本發(fā)明中，入射光束的主光線指的是入射光束的對稱軸位置處的光線； 衍射光束的主光線指的是衍射光束的對稱軸位置處的光線；光柵可以是平面 光柵，也可以是凹面光柵。光柵的主截面指的是垂直于光柵刻線并位于光柵 中心軸處的截面。每塊光柵具有唯一的一個(gè)主截面。本發(fā)明的單色儀是僅在一塊光柵上進(jìn)行多次衍射的新型單色儀，其原理 如下1、光柵方程傳統(tǒng)的單色儀中，入射光束的主光線、衍射光束的主光線與法線處于光 柵的主截面內(nèi)；而本發(fā)明的單色儀中，入射光束是以偏離光柵主截面方向入射到光柵的，也就是入射光束與光柵主截面之間成一角度，從而入射光束的 主光線、衍射光束的主光線與法線所在的平面與光柵主截面之間具有一夾 角。通常該種入射方式稱為空間入射，也稱斜入射，它滿足空間入射光線的 光柵方程d c。s《(sin ~ + sin &)=附A 其中，d為光柵常數(shù)；《為入射光束的主光線與主截面的夾角，即立體角；^和&分別為入射光束的主光線和衍射光束的主光線在主截面內(nèi)的投影 與光柵法線之間的夾角；m為衍射級次；X為光的波長。 2、光柵方程的各種形式由于入射光束多次入射光柵的方式不同時(shí)，單色儀輸出的光譜特性有所不同。當(dāng)所有不同次數(shù)的入射光以相同的《和^入射到光柵上時(shí)，光柵方程的形式較為簡單，而不同次數(shù)的入射光以不同的《或々入射時(shí)，光柵方程的 形式較為復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的超越方程。以下討論均在主截面內(nèi)進(jìn)行，即把 各種入射和衍射光投影到該面內(nèi)。(1)以相同的《和^多次入射光柵(或以^入射)這種情況下，將光柵方程^M"sin"+si^》^做一個(gè)變形，假設(shè)光柵 在主截面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為co，入射光束的主光線和衍射光束的主光線在主截 面內(nèi)的投影間的角度為S，當(dāng)入射光束和出射光束的方向確定時(shí)，光柵方程 可變?yōu)橄铝行问紸 =——cos《cos _sm< w 2—COS f COS——由于w 2為一個(gè)常數(shù)，所以得出"波長X與sin(o成線性關(guān)系"的結(jié) 論，從而波長X與co之間具有某種確定的關(guān)系，于是我們就可以通過正弦機(jī) 構(gòu)對相應(yīng)波長進(jìn)行掃描，從而得到所需分光后單色光的波長。這種類型的方案包含三種情況(a) 入射角^相同；(b) 下一次入射光以衍射光的相反方向入射；(c) 入射方向和出射方向?yàn)橥恢本€，即入射光線的主光線和出射光 線的主光線在主截面內(nèi)的投影為同一直線。以下討論均在主截面內(nèi)進(jìn)行，即把各種入射和衍射光線投影到該面內(nèi)"。<formula>formula see original document page 10</formula> 則(a)和(b)的光柵方程為 附 b 2 ;而(c)的光柵方程<formula>formula see original document page 10</formula>。(2)以不同的《或^多次入射光柵多次入射光柵的示意圖如圖3所示。當(dāng)入射光束以不同的《或^入射時(shí)，不同的《符合反射對稱原理。以不同的《或~多次入射光柵滿足的光柵方程組如下<formula>formula see original document page 10</formula>(n)其中，m為衍射級次，co為光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，a為零級時(shí)對應(yīng)的入射角，《為入射光線的主光線與主截面的夾角，e為衍射光束的主光線在主截面內(nèi)的投影與光柵法線的夾角。不同的《由下式確定<formula>formula see original document page 11</formula>其中，《1為第一次入射時(shí)對應(yīng)的立體角，S為平面鏡與豎直方向的夾角 當(dāng)入射光第三次入射光柵時(shí)，其表達(dá)式為-<formula>formula see original document page 11</formula>我們可以通過解這個(gè)超越方程得到波長與光柵轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 如果入射光柵的次數(shù)較多，表達(dá)式就更為繁瑣，可以借助軟件來求出它 們之間的關(guān)系。由于這種方程為復(fù)雜的超越方程，并且采用迭代的方式進(jìn)行 求解，入射次數(shù)越多，需要迭代的次數(shù)就越多?，F(xiàn)在我們采用軟件對四次任意角度入射的情況進(jìn)行了研究，以便得到一些基本特征。圖4為立體角《分 別取5°、 3°、 3°和5°，且光柵從豎直面與平面鏡正對的位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出 射波長X與轉(zhuǎn)角①的關(guān)系。從圖4中可以看出，在光柵由零度轉(zhuǎn)到47.59度的過程中，對應(yīng)的波長 由0到1200nm逐漸增大，并且呈現(xiàn)一種起始階段近似線性單調(diào)遞增的關(guān)系。 說明這種多次入射光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與輸出的波長之間的關(guān)系具有唯一性和 確定性，對于我們實(shí)際的應(yīng)用具有重要意義。如圖5所示，我們也研究了在四次任意角度入射情況下波長與轉(zhuǎn)角正弦 的關(guān)系，從圖5中明顯看出，此時(shí)波長與轉(zhuǎn)角正弦基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，我們 對這種線性關(guān)系進(jìn)行了研究，其誤差為0.0015nm，對于實(shí)際應(yīng)用來說，已經(jīng) 完全能夠達(dá)到所需的要求。也就是說，我們可以對光柵進(jìn)行正弦機(jī)構(gòu)的掃描 設(shè)置，或在原來正弦機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次入射光柵的操作，從而方便了對掃描機(jī)構(gòu)的有效控制。同時(shí)，我們對四次以上的入射情況進(jìn)行了研究，結(jié)果它們的特征都近似 于四次入射的情況，波長與光柵轉(zhuǎn)角都呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系。不過，隨著入 射次數(shù)的增加，轉(zhuǎn)動(dòng)同樣角度所對應(yīng)的波長呈現(xiàn)減小的趨勢。也即入射次數(shù) 增加，波長隨光柵轉(zhuǎn)角的變化速度變得越來越快。總之，采用多次入射光柵 得到對應(yīng)波長單色光的這個(gè)方案是可行的，它能夠充分利用光柵，實(shí)現(xiàn)一些 光學(xué)特征。3、色散率本發(fā)明的單色儀由于采用光線多次入射光柵形式，所以符合多次色散系 統(tǒng)的色散率的表達(dá)式<formula>formula see original document page 12</formula>如果進(jìn)行兩次色散，則色散率為:<formula>formula see original document page 12</formula>旦由于本發(fā)明的單色儀中，光線始終是通過同一個(gè)光柵，所以有 于是色散率為1、t/義力可見，色散率的增大使儀器的分辨率隨之增大。4、雜散光分析由于采用空間入射的方式，入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、反射鏡等基本呈依次斜 向上方或依次斜向下方布置，而不會(huì)像現(xiàn)有儀器那樣水平布置。這樣，第一 次衍射后的衍射光束射向準(zhǔn)直鏡時(shí)，就不會(huì)像現(xiàn)有儀器那樣有部分衍射光打 到準(zhǔn)直鏡上，因此，避免了由此而產(chǎn)生的雜散光。另外，由于多次入射光柵，發(fā)生多次衍射，故單色儀的分辨率得到較大幅度提高，在同一個(gè)出射狹縫的 情況下光譜帶寬減小，從而提高了輸出光的單色純度，降低了雜散光。本發(fā)明的單色儀，從入射狹縫S1的入射光束通過若干塊反射鏡在所述 光柵IO上至少進(jìn)行兩次衍射，最后級次衍射光束中的預(yù)定波長的單色光 通過若干塊反射鏡由出射狹縫S3輸出。其中在光柵IO上的的各次衍射 均可以在光柵10的主截面內(nèi)進(jìn)行。但此時(shí)的雜散光比較多。如果從入射狹縫Sl的入射光束通過若干塊反射鏡以偏離所述光柵10主截面方向入 射到光柵10。此時(shí)的雜散光可大大降低。如果在在光柵10上進(jìn)行的各次衍射的入射角均相同，則可以最大程度地簡化光柵方程。其中的入射 角指的是入射光束的主光線在光柵主截面內(nèi)的投影與光柵法線之間的夾角。如圖6所示，本發(fā)明的第一種實(shí)施例，原理結(jié)構(gòu)包括殼體(圖中未示出)、 安裝在殼體上的具有入射狹縫S1的入射板和具有出射狹縫S3的出射板以及 安裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)。其中光路系統(tǒng)包括準(zhǔn)直鏡11、光柵10、位于準(zhǔn) 直鏡11下方的第一平面鏡12和位于光柵IO斜上方的較小的第二平面鏡19。 第一平面鏡12安裝在準(zhǔn)直鏡11的下方，具有入射狹縫Sl的入射板位于光 柵10的上方，也可以位于光柵10的下方。其中的光柵10安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu)(圖中未示出)上，該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有很多種眾所周知的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明 采用這些已知機(jī)構(gòu)中的任何一種均可。準(zhǔn)直鏡ll、第一平面鏡12和第二平 面鏡19均以傳統(tǒng)的方式固定安裝在殼體內(nèi)。該原理結(jié)構(gòu)遵循方程w 9 2 ，表示以相同的《和^多次入射光柵的情況。 通過入射狹縫S1的入射光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡11后形成的平行光束入射到光柵 IO上進(jìn)行衍射，形成一次衍射光束，該一次衍射光束由第一平面鏡12再次 反射至光柵10上，經(jīng)光柵10衍射形成二次衍射光束，該二次衍射光束經(jīng)準(zhǔn) 直鏡11后形成的平行光入射到第二平面鏡19，再反射至出射狹縫S3，預(yù)定 波長的單色光由出射狹縫S3輸出。通過調(diào)整準(zhǔn)直鏡11、平面鏡12的角度使 上述光柵10的兩次衍射的入射角相同。本實(shí)施例中也可以不設(shè)置第二平面鏡19。這時(shí)，經(jīng)準(zhǔn)直鏡ll后形成的平行光束直接入射到出射狹縫S3，由出射狹縫S3輸出預(yù)定波長的單色光。本實(shí)施例中，在同一個(gè)單色儀內(nèi)，在同一個(gè)光柵上進(jìn)行兩次色散，大大增加 了單色儀的分辨率，同時(shí)降低了雜散光。如圖7所示，本發(fā)明的第二種實(shí)施例結(jié)構(gòu)包括殼體(圖中未示出)、安 裝在殼體上的具有入射狹縫S1的入射板和具有出射狹縫S3的出射板以及安 裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)。其中光路系統(tǒng)包括第一準(zhǔn)直鏡14、入射光柵10、 第一凹面鏡15、設(shè)置在光柵下方作為光路方向轉(zhuǎn)換使用的第二凹面鏡16、 第二準(zhǔn)直鏡17、第三凹面鏡18和第二平面鏡19。在第二凹面鏡16的焦點(diǎn) 位置附近設(shè)有一個(gè)用于消除像差的光闌(圖中未示出)。入射狹縫S1的入 射板、第一準(zhǔn)直鏡14、第一凹面鏡15沿著依次斜向下方方向布置；第二準(zhǔn) 直鏡17、第三凹面鏡18、具有出射狹縫S3的出射板沿著依次斜向上方方向 布置。這樣交替層疊布置，可以有效消除雜散光。通過入射狹縫Sl的入射 光束經(jīng)第一準(zhǔn)直鏡14后形成的平行光入射到光柵10上，形成一次衍射光束， 該一次衍射光束經(jīng)第一凹面鏡15、第二凹面鏡16匯聚并改變光路方向后入 射到第二準(zhǔn)直鏡17形成平行光束，該平行光束再次反射至光柵10上，形成 二次衍射光束，該二次衍射光束經(jīng)第三凹面鏡18匯聚后反射到第二平面鏡 19，再由第二平面鏡19反射到出射狹縫S3，由出射狹縫S3輸出預(yù)定波長 的單色光。上述實(shí)施例2中，光柵10及各反射鏡均與水平面垂直。安裝時(shí)，在保 證各反射鏡與水平面垂直條件下，調(diào)節(jié)各反射鏡的角度，以保證光路沿著預(yù) 定的方向傳遞并通過調(diào)整15、 16、 17的角度，確保在光柵10上發(fā)生的兩次 衍射的入射角相同。另外，在該實(shí)施例2結(jié)構(gòu)中，由入射狹縫S1入射到第 一準(zhǔn)直鏡14入射光線、第一準(zhǔn)直鏡14反射到光柵10的光線、由光柵10衍 射到第一凹面鏡15的光線位于同一豎直平面內(nèi)。在上述優(yōu)選的條件下，保證了入射光線的主光線和出射光線的主光線在同一豎直平面內(nèi)，這時(shí)入射光 與出射光在主截面內(nèi)的投影為同一直線，也就是它們之間的夾角為0，使光義=—C0S《S1，柵方程簡化為 w ，從而大大簡化了軟件控制程序。本實(shí)施例2中，兩次入射光柵10的入射點(diǎn)位于一條水平線上，并且距 離從每個(gè)入射點(diǎn)到光柵10的邊沿的距離相等。從入射點(diǎn)到光柵10的邊沿的 距離優(yōu)選為光柵10寬度的1/4。這樣可以充分利用光柵IO，并且方便安裝、調(diào)試。本實(shí)施例2中，也可以不設(shè)置第三凹面鏡18和第二平面鏡19，這時(shí)， 經(jīng)光柵10衍射形成的二次衍射光束直接入射到射狹縫S3，由出射狹縫S3 輸出預(yù)定波長的單色光。在第一凹面鏡15和第二準(zhǔn)直鏡17之間也可以不設(shè) 置第二凹面鏡16，第一凹面鏡15的出射光束直接反射到第二準(zhǔn)直鏡17。采 用一個(gè)光柵在同一主截面內(nèi)進(jìn)行二次衍射的問題主要是難以消除反射帶來 的雜光以及引起的像差。為此，我們采用了空間入射的方式，即偏離主截面 方向入射，并采用多種鏡片組合的方式，使光束由匯聚與平行的傳播方式在 各鏡片之間發(fā)生多次反射，同時(shí)在光路中附加光鬧。采取了上述措施后，基 本消除了雜散光和像差，本實(shí)施例的技術(shù)方案是完全可以實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)施例2中，光線自上而下斜入射光柵，然后又自下而上通過光柵從 出射狹縫輸出，光路呈現(xiàn)層疊狀態(tài)。相比傳統(tǒng)的雙單色儀，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)緊 湊，體積大為減小。并且在性能上，提高了分辨率，降低了雜散光。同時(shí)， 由于本發(fā)明中僅使用一個(gè)光柵，這樣對于掃描系統(tǒng)的有效控制比較容易。將以上兩個(gè)實(shí)施例中的凹面鏡換成平面鏡也可實(shí)現(xiàn)同樣的結(jié)果，并且通 過增加反射鏡的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)在同一塊光柵上進(jìn)行更多次數(shù)的衍射。也就是 說，本發(fā)明的單色儀的結(jié)構(gòu)可以在上述兩個(gè)實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展成各 種各樣的具體結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)采用較大光柵實(shí)現(xiàn)較多次衍射時(shí)，對光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的 控制比較靈活，完全可以依據(jù)上述光柵方程，采用數(shù)學(xué)領(lǐng)域里簡單的軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。圖8是與圖3所示的原理圖相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)原理圖，即四次入射光柵，且 入射角不同的情況。如圖8所示，光束由入射狹縫S1射入單色器，并打在準(zhǔn)直鏡20上。經(jīng)準(zhǔn)直后的平行光束斜向下射入光柵10，經(jīng)光柵IO衍射后的衍射光束打到平面鏡21上，由平面鏡21反射后再次斜向下入射到光柵10上，再次衍射后的二次衍射光束入射到平面鏡22上，然后斜向上第三次反射到光柵IO，經(jīng)衍射后的三次衍射光束入射到平面鏡23上，經(jīng)其反射后斜向上第四次入射到光柵IO，衍射后的四次衍射光束入射到準(zhǔn)直鏡24上，經(jīng)準(zhǔn)直鏡24匯聚后的平行光束中預(yù)定波長的單色光由出射狹縫S3射出。本發(fā)明中，只有一塊光柵和一套旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，與現(xiàn)有儀器相比，減少了一塊光柵及其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。從光柵數(shù)量角度來說，本發(fā)明的單色儀相當(dāng)于傳統(tǒng)的單單色儀；而本發(fā)明中由于在同一塊光柵上發(fā)生兩次衍射，從該角度來說，本發(fā)明的單色儀相當(dāng)于傳統(tǒng)的雙單色儀。也就是，本發(fā)明的單色儀，其結(jié)構(gòu)如同傳統(tǒng)的單單色儀一樣簡單，而分辨率與傳統(tǒng)的雙單色儀相當(dāng)。因此，本發(fā)明對傳統(tǒng)單色儀是一個(gè)重大突破，它不僅體積小，造價(jià)低，而且性能指標(biāo)也有大幅提升，故具有較大的應(yīng)用潛力。雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是 說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而 不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì) 節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利 要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1. 一種單色儀，包括殼體、安裝在殼體上的具有入射狹縫(S1)的入射板和具有出射狹縫(S3)的出射板以及安裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括布置在光路上的一塊光柵(10)和若干塊反射鏡，其中光柵(10)安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；其特征在于從入射狹縫(S1)的入射光束通過若干塊反射鏡在所述光柵(10)上至少進(jìn)行兩次衍射，最后級次衍射光束中的預(yù)定波長的單色光由出射狹縫(S3)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單色儀，其特征在于所述光柵(10)的各 次衍射均在光柵(10)的主截面內(nèi)進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單色儀，其特征在于從入射狹縫(Sl)的 入射光束以偏離所述光柵(10)主截面方向入射到光柵(10)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的單色儀，其特征在于在光柵(10)上的各 次衍射的入射角均相同，入射角指的是入射光束的主光線在光柵主截面內(nèi) 的投影與光柵法線之間的夾角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的單色儀，其特征在于所述若干塊反射 鏡包括準(zhǔn)直鏡(11)、第一平面鏡(12);入射光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡(11)后 形成的平行光束入射到所述光柵(10)上，形成一次衍射光束，該一次 衍射光束由第一平面鏡(12)反射至所述光柵(10)上，形成二次衍射 光束，二次衍射光束中預(yù)定波長的單色光由出射狹縫(S3)輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的單色儀，其特征在于所述第一平面鏡(12) 安裝在準(zhǔn)直鏡(ll)的下方；具有入射狹縫(S1)的入射板位于光柵(IO)的上方或下方。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的單色儀，其特征在于所述若干塊反射鏡包 括均與水平面垂直的第一準(zhǔn)直鏡(14)、第一凹面鏡(15)和第二準(zhǔn)直 鏡(17)，入射光束經(jīng)第一準(zhǔn)直鏡(14)后形成的平行光束入射到所述 光柵(10)上，形成一次衍射光束，該一次衍射光束經(jīng)第一凹面鏡(15) 匯聚反射到第二準(zhǔn)直鏡(17)形成平行光束，該平行光束再次反射至所 述光柵(10)上，形成二次衍射光束，二次衍射光束中預(yù)定波長的單色光由出射狹縫(S3)輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的單色儀，其特征在于在所述二次衍射光束出射側(cè)設(shè)有第三凹面鏡(18)，用于匯聚并反射二次衍射光束。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的單色儀，其特征在于在所述第一凹面鏡 (15)和第二準(zhǔn)直鏡(17)之間的光路上設(shè)有第二凹面鏡(16)，第一凹面鏡(15)的出射光束經(jīng)第二凹面鏡(16)匯聚后反射到第二準(zhǔn)直鏡 (17)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的單色儀，其特征在于所述具有入射狹縫 (Sl)的入射板、第一準(zhǔn)直鏡(14)、第一凹面鏡(15)沿著依次斜向下方方向布置；第二準(zhǔn)直鏡(17)、第三凹面鏡(18)、具有出射狹縫 (S3)的出射板沿著依次斜向上方方向布置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7-10之任一項(xiàng)所述的單色儀，其特征在于在所述 第二凹面鏡(16)的焦點(diǎn)位置附近設(shè)有光闌。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6或IO所述的單色儀，其特征在于還包括設(shè)置在 出射狹縫(S3)之前的用于改變光路方向的第二平面鏡(19)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的單色儀，其特征在于所述光柵(10)是 平面光柵或者凹面光柵。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種將組合光分散成光譜的單色儀，包括殼體、安裝在殼體上的具有入射狹縫的入射板和具有出射狹縫的出射板以及安裝在殼體內(nèi)的光路系統(tǒng)。光路系統(tǒng)包括布置在光路上的一塊光柵和若干塊反射鏡，其中光柵安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；從入射狹縫的入射光束通過若干塊反射鏡在所述光柵上至少進(jìn)行兩次衍射，最后級次衍射光束中的預(yù)定波長的單色光由出射狹縫輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有儀器相比，減少了一塊光柵及其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。在掃描過程中，無論旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置怎樣驅(qū)動(dòng)光柵，在同一光柵上發(fā)生的多次衍射的光譜都是嚴(yán)格一致的，對于掃描系統(tǒng)的有效控制非常容易。即本發(fā)明減化了掃描控制過程；同時(shí)降低了加工和調(diào)試難度，可維護(hù)性強(qiáng)。
文檔編號G01J3/12GK101275869SQ20081009721
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者曹育聯(lián), 李廣霞, 禾 田, 趙躍鵬 申請人:北京普析科學(xué)儀器有限責(zé)任公司