凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置的製作方法
2023-05-31 08:56:11
專利名稱：凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及光學儀器，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採集的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置。
二背景技術：
在有些光譜測量中，需要高速連續地進行光譜採集，一般光電探測器採用光電倍增管的系統，光譜高速採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盤平面上，且該平面與旋轉軸垂直。在光譜成像面為平面(直譜面)的情況，當旋轉盤直徑較大時，旋轉狹縫在較小的運動範圍內(也就是測量的光譜帶寬較窄時)可以近似為直線運動，此時光譜採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的實用新型專利「機械掃描式高速光譜採集裝置」，其結構是採用在轉桶的桶壁上設置多條狹縫，且狹縫與旋轉軸平行，並通過桶內設有的兩塊反射鏡，把桶外的與旋轉狹縫不在同一層面上的光柵的光譜引入旋轉桶內，然後照到旋轉狹縫，再通過光電倍增管接收，這種裝置可適用於凹面光柵產生的圓光譜面的儀器，但其仍存在如下的缺點對於採用曲率半徑較大的凹面光柵的高解析度的光譜儀器，當測量光譜範圍也較大時，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；又由於光路上的光柵、與轉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，這樣增加了儀器調試的難度。
三、實用新型內容本實用新型的主要目的在於克服現有產品存在的上述缺點，而提供一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，採用小尺寸的平面反射鏡，把入射狹縫射出的光引入旋轉桶內，這樣使光柵、旋轉狹縫和光電倍增管設在同一層面上，不但使裝置的結構設計緊湊，而且降低儀器的調試難度和製造成本；能夠達到在高速、高精度數據採集的情況下，獲得高解析度的寬光譜範圍的數據採集結果，特別適合於採用差分吸收光譜法的空氣微量汙染物的長光程監測系統和汙染源在線連續監測系統。
本實用新型的目的是由以下技術方案實現的。
本實用新型凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，包括光路上設置的反射鏡、光柵、與轉動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉動桶設有固定軸，並通過套設在固定軸和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位於轉動桶外側；其特徵在於，所述反射鏡為入射光反射鏡並安置在轉動桶桶壁內側的固定軸端面上；所述光柵為凹面光柵，光譜面成像在羅蘭圓上，光柵與狹縫、光電倍增管位於同一層面上。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其中凹面光柵固定在位於轉動桶內側的桶軸的軸端平面上，凹面光柵的背面與轉動桶桶壁內側設有間距。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其中凹面光柵固定在轉動桶外的支架上，其凹面與轉動桶桶壁外側設有間距。
前述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其中光電倍增管前加設聚焦光學器。
四
圖1是本實用新型一實施例的立體結構示意圖。
圖2是本實用新型另一實施例的立體結構示意圖。
圖中標號說明1固定軸、2凹面光柵、3轉動桶、4狹縫、5羅蘭圓、6聚焦光學器、7光電倍增管、8反射鏡、9電機、10固定支架、11傳動帶。
五具體實施方式
參閱圖1所示，本實用新型凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置的一實施例，其設計結構包括光路上設置的反射鏡8、光柵2、與轉動桶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並安置在轉動桶桶壁內側的固定軸端面上；轉動桶3設有固定軸，並通過套設在轉動桶3和電機9上的傳動帶11與電機連動，光電倍增管7位於轉動桶3外側；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位於同一層面上；狹縫4等距平行排列設置在轉動桶3上，狹縫4的軌跡面即為轉動桶3的桶壁內表面，每條狹縫4的寬度相等，轉動桶3上最多可設置的狹縫4的數量由儀器的光譜範圍、解析度和光柵的曲率半徑決定；凹面光柵2固定在位於轉動桶3內的固定軸1的軸端平面上，該凹面光柵2的背面與轉動桶3的內桶壁設有距離；當測量的光譜範圍較大時，也就是所測量的光譜展開尺寸大於光電倍增管7的接收面口徑時，光電倍增管7與轉動桶3之間需加入聚焦光學器6。本裝置產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相交於光譜面的測量光譜段，對於採用曲率半徑更大的凹面光柵的光譜儀器，由於羅蘭圓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採集裝置用於採集光譜範圍200nm至480nm時，其實驗參數如下反射鏡8的面積為20×20mm2，轉動桶3的桶壁上設有10個狹縫4，每個狹縫寬度都為0.05mm，凹面光柵2採用曲率半徑為226mm、刻線數為1200線/毫米的全息凹面光柵，該凹面光柵2的背面與轉動桶3內壁(即狹縫軌跡)相距約1mm，狹縫軌跡面的內徑設為238mm(等於凹面光柵的曲率半徑加12mm)，由於光柵2的設置，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位於光譜面的340nm位置，轉動桶3的轉速約14轉/秒，聚焦光學器6的通光口徑設為72mm，接收光電探測器採用光電倍增管7。
使用時，接通電源，轉動桶3通過套設傳動帶11被電機9帶動，圍繞固定軸旋轉；光柵的入射光，是經由轉動桶3外的入射狹縫，傳到轉動桶3內的固定軸端平面上的反射鏡8而引入到轉動桶內，然後射入到凹面光柵2上，凹面光柵2對光除產生衍射外，還兼具有準直和聚焦作用，本裝置產生的光譜都成像在羅蘭圓5上；當狹縫4掃過羅蘭圓5上的被測光譜段時，光經狹縫4進入聚焦光學器6，然後會聚到光電倍增管7，此時給出採樣起始信號，然後以固定頻率採樣，也可以由安裝在轉動桶3上的同軸的光電編碼器(圖中未示)精確給出每一個採樣信號，這樣光電倍增管7將接收到的光譜信息轉變成電信號，即得到光譜數據。由於反射鏡8隻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；更主要的是由於光路上設置的光柵、旋轉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試難度；特別是對於採用曲率半徑更大的凹面光柵的高解析度的光譜儀器，這一效果會更加明顯。由於凹面光柵的曲率半徑越大，羅蘭圓5的直徑隨著增大，由於狹縫軌跡面的內徑等於凹面光柵的曲率半徑加12mm，因此該狹縫軌跡面的內徑也隨著增大，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，本裝置更適合於光譜測量範圍寬、光柵解析度高、光譜採集速率高的情況。
參閱圖2所示，本實用新型凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置的另一實施例，其設計結構包括光路上設置的反射鏡8、光柵2、與轉動桶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並安置在轉動桶桶壁內側的固定軸端面上；轉動桶3設有固定軸，並通過套設在轉動桶3和電機9上的傳動帶11與電機連動，光電倍增管7位於轉動桶3外側；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位於同一層面上；狹縫4等距平行軸向排列設置在轉動桶3的桶壁外面上，狹縫4的軌跡面即為轉動桶3的桶壁外表面，每條狹縫4的寬度相等，轉動桶3上最多可設置的狹縫4的數量由儀器的光譜範圍、解析度和光柵的曲率半徑決定；其結構的不同點是凹面光柵2固定在位於轉動桶3桶壁外側的固定支架10上，該凹面光柵2的凹面與轉動桶3的桶壁外側設有約1mm距離；由於在光譜數據採集期間，凹面光柵與狹縫之間的光路上不能有任何遮擋物，因此要在轉動桶3上與每個狹縫對應處開一個通光缺口。由於此時羅蘭圓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範圍的重合性非常好，光譜採集精度很高，這是本實施例的有益效果。特別對於採用曲率半徑更大的凹面光柵的高解析度的光譜儀器，由於羅蘭圓的變大，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，因此光譜採集的精度非常高。其代價是本實施例結構由於轉動桶桶壁上開設有通光缺口，使轉動桶桶壁3上最多可設置的狹縫4的數量減少，同等情況下，狹縫4的數量是上述實施例的二分之一以下，也就是單位時間的採樣遍數減少了一倍多；但是對於曲率半徑較大的凹面光柵的高解析度的光譜儀器，由於羅蘭圓的直徑增大，轉動桶的直徑也加大，桶壁上可設置的狹縫的數量雖然減半，但絕對數量較多，因此並不會影響高速測量的效果；也就是說，本裝置也非常適合於光譜測量範圍寬、光譜解析度與採集速率高的情況。
下面結合給定的實驗數據，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採集裝置採用曲率半徑為226mm、刻線數為1200線/毫米的全息凹面光柵，採集光譜範圍200nm至376nm，入射光反射鏡8的面積為20×20mm2，轉動桶3的桶壁上設有4個狹縫4，每個狹縫寬度都為0.05mm，轉動桶3上與每個狹縫對應處開一個88mm通光缺口。該凹面光柵2的凹面與轉動桶3的桶壁外側設有約1mm距離，狹縫軌跡面的直徑設為225mm(等於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位於光譜面的288nm位置，轉動桶3的轉速約30轉/秒，聚焦光學器6的通光口徑設為45mm，接收光電探測器採用光電倍增管7。
使用時，接通電源，轉動桶3通過套設傳動帶11被電機9帶動，圍繞固定軸旋轉；光柵的入射光，是經由轉動桶3外的入射狹縫，傳到轉動桶3內的固定軸端平面上的反射鏡8而引入到轉動桶內，然後通過轉動桶3上的一個88mm通光缺口射入到凹面光柵2上，凹面光柵2產生衍射光再通過轉動桶3上的一個88mm通光缺口把光譜面聚焦在羅蘭圓5上，並由轉動桶3上的與通光缺口對應的狹逢4掃描；光經狹縫4進入聚焦光學器6，然後會聚到光電倍增管7，光電倍增管7在採樣信號控制下進行光譜數據的採集。
總之，本實用新型凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置的特點是，採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)引入旋轉桶內，這樣使光柵、旋轉狹縫和光電倍增管設在同一層面上，不但使裝置的結構設計緊湊，而且降低儀器的調試難度和製造成本。由於凹面光柵衍射的光譜都成像在羅蘭圓5上，對於採用曲率半徑更大的凹面光柵的高解析度的光譜儀器，由於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、高精度數據採集的情況下，獲得高解析度的寬光譜範圍的數據結果的目的。
以上所述，僅是本實用新型的兩例具體實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本實用新型技術方案的範圍內。
權利要求1.一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，包括光路上設置的反射鏡、光柵、與轉動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉動桶設有固定軸，並通過套設在轉動桶和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位於轉動桶外側；其特徵在於，所述反射鏡為入射光反射鏡並安置在轉動桶桶壁內側的固定軸端面上；所述光柵為凹面光柵；光柵與狹縫、光電倍增管位於同一層面上。
2.根據權利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其特徵在於，所述凹面光柵固定在位於轉動桶內側的桶軸的軸端平面上，凹面光柵的背面與轉動桶桶壁內側設有間距。
3.根據權利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其特徵在於，所述凹面光柵固定在轉動桶外的支架上，其凹面與轉動桶桶壁外側設有間距。
4.根據權利要求1所述的凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其特徵在於，所述光電倍增管前加設聚焦光學器。
專利摘要本實用新型提供了一種凹面光柵光譜儀的多狹縫掃描式高速光譜採集裝置，其包括光路上設置的反射鏡、光柵與轉動桶隨動的狹縫、光電倍增管，轉動桶設有固定軸，並通過套設在轉動桶和電機上的傳動帶與電機連動，光電倍增管位於轉動桶外側；反射鏡為入射光反射鏡，並安置在轉動桶桶壁內側的固定軸端面上；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於同一層面上；其具有結構設計緊湊，調試難度和製造成本較低，並且能達到在高速、高精度數據採集的情況下，獲得高解析度的寬光譜範圍的數據採集結果，特別適合於採用差分吸收光譜法的空氣微量汙染物的長光程監測系統和汙染源在線連續監測系統。
文檔編號G01J3/12GK2641610SQ0325822
公開日2004年9月15日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者張帆, 姚建銓 申請人:天津市三博科技有限公司