CN101275869B - 单色仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种将组合光分散成光谱的单色仪，包括壳体、安装在壳体上的具有入射狭缝的入射板和具有出射狭缝的出射板以及安装在壳体内的光路系统。光路系统包括布置在光路上的一块光栅和若干块反射镜，其中光栅安装在旋转驱动机构上；从入射狭缝的入射光束通过若干块反射镜在所述光栅上至少进行两次衍射，最后级次衍射光束中的预定波长的单色光由出射狭缝输出。本发明与现有仪器相比，减少了一块光栅及其旋转驱动装置。在扫描过程中，无论旋转驱动装置怎样驱动光栅，在同一光栅上发生的多次衍射的光谱都是严格一致的，对于扫描系统的有效控制非常容易。即本发明减化了扫描控制过程；同时降低了加工和调试难度，可维护性强。

Description

单色仪

技术领域

本发明涉及一种将组合光分散成光谱的光学仪器，尤其是一种用于分光光度计或类似仪器的单色仪。

背景技术

目前单色仪从结构上可以分为两类：单单色仪和双单色仪。单单色仪中，只包括一块光栅和若干块反向镜，入射光束在光栅上发生衍射后输出单色光。由于只经过一次衍射，所以其分散出的单色光通常不够纯净，在某些检测领域不能达到所需的精度要求。双单色仪包括两块光栅，入射光束经过第一块光栅衍射后分散出单色光，再使所需要的单色光入射到第二块光栅进行再次衍射，由于经过两次衍射，故其所产生的单色光更加纯净。所以使用双单色仪检测通常能达到更高的精度等级。

双单色仪的结构是把两个单单色仪串联起来，两单单色仪通过中央共用的狭缝连接。光谱线从第一个单单色仪出射后通过此狭缝进入第二个单单色仪，最后从第二个单单色仪的出射狭缝输出相应的单色光束。这种级联的双单色仪包括色散相加单色仪(见图1)和色散相减单色仪(见图2)。

如图1所示，色散相加双单色仪的结构包括壳体(图中未示出)、安装在壳体上的具有入射狭缝S1的入射板和具有出射狭缝S3的出射板，以及安装在壳体内的光路系统。其中的光路系统包括依次布置在反射光路上的第一反光镜1、第一凹面镜2、第一光栅3、第二凹面镜4、中间狭缝S2、第三凹面镜5、第二光栅6、第三凹面镜7、第二反光镜8。其中第一光栅3和第二光栅6平行布置，并分别由各自的旋转驱动装置驱动在一定角度范围内，沿着同一方向同步转动。在该双单色仪中，入射狭缝S1、第一反光镜1、第一凹面镜2、第一光栅3、第二凹面镜4、中间狭缝S2相当于一台单单色仪；中间狭缝S2、第三凹面镜5、第二光栅6、第三凹面镜7、第二反光镜8、出射狭缝S3相当于另一台单单色仪。二者共用中间狭缝S2。

通过入射狭缝S1后的光束首先入射到第一反光镜1上，并由其反射到第一凹面镜2，经汇聚后入射到第一光栅3，光束经第一光栅3衍射后形成的衍射光束即为光谱，该光谱经第二凹面镜4汇聚后，反射到中间狭缝S2附近；启动第一光栅3的旋转驱动装置使其转过某一角度，停止在某一特定位置，在该位置只有预定波长的单色光能通过中间狭缝S2，而其他波长的单色光被挡住；通过中间狭缝S2的单色光入射到第三凹面镜5，经汇聚后反射到第二光栅6再次衍射，再次衍射后的光谱由第三凹面镜7汇聚后经第二反光镜8反射，最后单色光中最纯净的部分由出射狭缝S3输出。

上述扫描过程中，在第一光栅3转过某一角度的同时，第二光栅6也要相应地转过相同角度。即使用这种双单色仪进行扫描时，必须使两块光栅同时同步转动，且转动方向必须一致，使组成该双单色仪的两台单单色仪的光谱相互对应。如果两台单单色仪中的两块光栅的转动不能严格保持一致，则被第一块光栅分解后的单色光束就不能全部从出射狭缝射出，甚至会被中间狭缝全部挡住，那么该双单色仪就没有任何使用价值了。

如图2所示，色散相减双单色仪的结构与色散相加双单色仪结构的不同之处仅在于两块光栅不是平行的，而呈轴对称布置。其他相同部分不再赘述。使用该色散相减双单色仪进行扫描时，为了保证两台单单色仪的光谱相互对应，必须使两块光栅同时同步转动，且转动方向必须相反，稍有偏差该双单色仪可能就无法使用。

综上所述，无论是色散相加双单色仪，还是色散相减双单色仪，在使用过程中，都必须严格保证两块光栅转动的动态一致性。这样，就对双单色仪中使光栅转动的旋转驱动装置提出了较高要求。

传统的旋转驱动装置种类有：正弦杆机械装置、使用步进电机和减速齿轮的开环回路控制装置和直流伺服电机的闭环加路控制装置，等等。所有这些旋转驱动装置，机械零件都比较多，对零件本身的要求也较严格。所以目前的双单色仪中，两单单色仪扫描系统的动态一致性的有效控制仍比较困难。另外两块光栅在每次旋转后的位置重复性很难得到可靠的保证，安装、调试及后续的维修都比较繁杂，不利于现场排除故障和维修。同时，双单色仪机构的变动很容易引起有关零件的相对位置关系变化，必须时刻注意有关机械结构的稳定性。这种双单色仪的光学零件和机械零件较多，结构复杂，体积较大。

此前，本领域的诸多发明人针对上述问题，在改进旋转驱动装置的机械结构或电子控制方面，进行了大量的研究工作，如公开号为平11-304587的日本专利申请中提出一种单色仪，其中的旋转驱动装置包括线性电机和位置检测器。但所有这些研究工作都是建立在有效控制两单单色仪扫描系统的动态一致性基础上。目前还没有一种无需考虑控制两单单色仪扫描系统动态一致性的双单色仪。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种只有一块光栅但能实现两次衍射的单色仪。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述的单色仪，包括壳体、安装在壳体上的具有入射狭缝的入射板和具有出射狭缝的出射板以及安装在壳体内的光路系统，所述光路系统包括布置在光路上的一块光栅以及均与水平面垂直的第一准直镜、第一凹面镜、第二凹面镜和第二准直镜，其中所述光栅安装在旋转驱动机构上；从所述入射狭缝射入的入射光束经第一准直镜后形成的平行光束以偏离所述光栅主截面方向入射到所述光栅上，形成一次衍射光束，该一次衍射光束经第一凹面镜汇聚后入射到第二凹面镜上，由第二凹面镜出射的光束再次汇聚后入射到第二准直镜形成平行光束，该平行光束再次入射至所述光栅上，形成二次衍射光束，二次衍射光束中预定波长的单色光由所述出射狭缝输出。

其中在光栅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线在光栅主截面内的投影与光栅法线之间的夹角。

在所述二次衍射光束出射侧设有第三凹面镜，用于汇聚并反射二次衍射光束。

其中所述具有入射狭缝的入射板、第一准直镜、第一凹面镜沿着依次斜向下方方向布置；第二准直镜、第三凹面镜、具有出射狭缝的出射板沿着依次斜向上方方向布置。

在所述第二凹面镜的焦点位置附近设有光阑。

其中还包括设置在出射狭缝之前的用于改变光路方向的第二平面镜。

所述光栅是平面光栅或者凹面光栅。

本发明所述的单色仪的优点和积极效果是：本发明中，只有一块光栅和一套旋转驱动装置，与现有仪器相比，减少了一块光栅及其旋转驱动装置。这不仅有利于降低仪器成本，更重要的是在扫描过程中，无论旋转驱动装置怎样驱动光栅，在同一光栅上发生的多次衍射的光谱都是严格一致的，对于扫描系统的有效控制非常容易。即本发明减化了扫描控制过程；同时降低了加工和调试难度，可维护性强。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是现有的色散相加双单色仪的光路结构示意图；

图2是现有的色散相减双单色仪的光路结构示意图；

图3是本发明中，多次入射光栅的入射光束的主光线与主截面的夹角不同时的原理示意图；

图4是本发明中，为立体角ξ(即入射光束的主光线与主截面的夹角)分别取5°、3°、3°和5°，光栅从竖直面与平面镜正对的位置开始转动时，表示出射波长λ与转角ω的关系的示意图；

图5是本发明中，波长与转角正弦的关系的示意图；

图6是本发明的单色仪的第一种实施例的结构原理图；

图7是本发明的单色仪的第二种实施例的结构示意图；

图8是本发明的单色仪的第三种实施例的结构原理图。

其中，附图标记说明如下：图中：1.第一反光镜；2.第一凹面镜；3.第一光栅；4.第二凹面镜；5.第三凹面镜；6.第二光栅；7.第三凹面镜；8.第二反光镜；10.光栅；11.20.24.准直镜；12.第一平面镜；14.第一准直镜；15.第一凹面镜；16.第二凹面镜；17.第二准直镜；18.第三凹面镜；19.第二平面镜；21.22.23.平面镜。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

本发明中，入射光束的主光线指的是入射光束的对称轴位置处的光线；衍射光束的主光线指的是衍射光束的对称轴位置处的光线；光栅可以是平面光栅，也可以是凹面光栅。光栅的主截面指的是垂直于光栅刻线并位于光栅中心轴处的截面。每块光栅具有唯一的一个主截面。

本发明的单色仪是仅在一块光栅上进行多次衍射的新型单色仪，其原理如下：

1、光栅方程

传统的单色仪中，入射光束的主光线、衍射光束的主光线与法线处于光栅的主截面内；而本发明的单色仪中，入射光束是以偏离光栅主截面方向入射到光栅的，也就是入射光束与光栅主截面之间成一角度，从而入射光束的主光线、衍射光束的主光线与法线所在的平面与光栅主截面之间具有一夹角。通常该种入射方式称为空间入射，也称斜入射，它满足空间入射光线的光栅方程：

               dcosξ(sini_ξ+sinθ_ξ)＝mλ

其中，d为光栅常数；ξ为入射光束的主光线与主截面的夹角，即立体角；i_ξ和θ_ξ分别为入射光束的主光线和衍射光束的主光线在主截面内的投影与光栅法线之间的夹角；m为衍射级次；λ为光的波长。

2、光栅方程的各种形式

由于入射光束多次入射光栅的方式不同时，单色仪输出的光谱特性有所不同。当所有不同次数的入射光以相同的ξ和i_ξ入射到光栅上时，光栅方程的形式较为简单，而不同次数的入射光以不同的ξ或i_ξ入射时，光栅方程的形式较为复杂，是一个复杂的超越方程。以下讨论均在主截面内进行，即把各种入射和衍射光投影到该面内。

(1)以相同的ξ和i_ξ多次入射光栅(或以θ_ξ入射)

这种情况下，将光栅方程dcosξ(sini_ξ+sinθ_ξ)＝mλ做一个变形，假设光栅在主截面内转动的角度为ω，入射光束的主光线和衍射光束的主光线在主截面内的投影间的角度为δ，当入射光束和出射光束的方向确定时，光栅方程可变为下列形式：

$\mathrm{\λ}=\frac{2d}{m}\cos \mathrm{\ξ}\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \mathrm{\ω}$

由于

为一个常数，所以得出“波长λ与sinω成线性关系”的结论，从而波长λ与ω之间具有某种确定的关系，于是我们就可以通过正弦机构对相应波长进行扫描，从而得到所需分光后单色光的波长。

这种类型的方案包含三种情况：

(a)入射角i_ξ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为同一直线，即入射光线的主光线和出射光线的主光线在主截面内的投影为同一直线。

以下讨论均在主截面内进行，即把各种入射和衍射光线投影到该面内”。

则(a)和(b)的光栅方程为 $\mathrm{\λ}=\frac{2d}{m}\cos \mathrm{\ξ}\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \mathrm{\ω};$ 而(c)的光栅方程为 $\mathrm{\λ}=\frac{2d}{m}\cos \mathrm{\ξ}\sin \mathrm{\ω}.$

(2)以不同的ξ或i_ξ多次入射光栅

多次入射光栅的示意图如图3所示。当入射光束以不同的ξ或i_ξ入射时，不同的ξ符合反射对称原理。

以不同的ξ或i_ξ多次入射光栅满足的光栅方程组如下：

$\sin {\mathrm{\θ}}_1=\frac{\mathrm{m\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_1}-\sin (\mathrm{\ω}-\mathrm{\α})---\left(1\right)$

$\sin {\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{m\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_2}-\sin (2\mathrm{\ω}-{\mathrm{\θ}}_1)---\left(2\right)$

$\sin {\mathrm{\θ}}_3=\frac{\mathrm{m\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_2}-\sin (2\mathrm{\ω}-{\mathrm{\θ}}_2)---\left(3\right)$

$\sin {\mathrm{\θ}}_{n-1}=\frac{\mathrm{m\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_{n-1}}-\sin (2\mathrm{\ω}-{\mathrm{\θ}}_{n-2})---(n-1)$

$\mathrm{\λ}=\frac{d}{m}\cos {\mathrm{\ξ}}_n[\sin (2\mathrm{\ω}-{\mathrm{\θ}}_{n-1})+\sin (\mathrm{\ω}+\mathrm{\α})]---\left(n\right)$

其中，m为衍射级次，ω为光栅转动的角度，α为零级时对应的入射角，ξ为入射光线的主光线与主截面的夹角，θ为衍射光束的主光线在主截面内的投影与光栅法线的夹角。不同的ξ由下式确定：

                  ξ_n＝|ξ₁-2(n-1)δ|

其中，ξ1为第一次入射时对应的立体角，δ为平面镜与竖直方向的夹角。

当入射光第三次入射光栅时，其表达式为：

$\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_3}=\sin 2\mathrm{\ω}{\{1-{\{\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_2}-\sin 2\mathrm{\ω}{\{1-{[\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_1}-\sin (\mathrm{\ω}-\mathrm{\α})]}^2\}}^{\frac{1}{2}}+\cos 2\mathrm{\ω}[\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_1}-\sin (\mathrm{\ω}-\mathrm{\α})\left]\right\}}^2\}}^{\frac{1}{2}}$

$-\cos 2\mathrm{\ω}\{\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_2}-\sin 2\mathrm{\ω}{\{1-{[\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_1}-\sin (\mathrm{\ω}-\mathrm{\α})]}^2\}}^{\frac{1}{2}}+\cos 2\mathrm{\ω}[\frac{\mathrm{\λ}}{d\cos {\mathrm{\ξ}}_1}-\sin (\mathrm{\ω}-\mathrm{\α})\left]\right\}+\sin (\mathrm{\ω}+\mathrm{\α})$

我们可以通过解这个超越方程得到波长与光栅转角的关系。

如果入射光栅的次数较多，表达式就更为繁琐，可以借助软件来求出它们之间的关系。由于这种方程为复杂的超越方程，并且采用迭代的方式进行求解，入射次数越多，需要迭代的次数就越多。现在我们采用软件对四次任意角度入射的情况进行了研究，以便得到一些基本特征。图4为立体角ξ分别取5°、3°、3°和5°，且光栅从竖直面与平面镜正对的位置开始转动时，出射波长λ与转角ω的关系。

从图4中可以看出，在光栅由零度转到47.59度的过程中，对应的波长由0到1200nm逐渐增大，并且呈现一种起始阶段近似线性单调递增的关系。说明这种多次入射光栅转动的角度与输出的波长之间的关系具有唯一性和确定性，对于我们实际的应用具有重要意义。

如图5所示，我们也研究了在四次任意角度入射情况下波长与转角正弦的关系，从图5中明显看出，此时波长与转角正弦基本呈现线性关系，我们对这种线性关系进行了研究，其误差为0.0015nm，对于实际应用来说，已经完全能够达到所需的要求。也就是说，我们可以对光栅进行正弦机构的扫描设置，或在原来正弦机构的基础上进行多次入射光栅的操作，从而方便了对扫描机构的有效控制。

同时，我们对四次以上的入射情况进行了研究，结果它们的特征都近似于四次入射的情况，波长与光栅转角都呈现单调递增的关系。不过，随着入射次数的增加，转动同样角度所对应的波长呈现减小的趋势。也即入射次数增加，波长随光栅转角的变化速度变得越来越快。总之，采用多次入射光栅得到对应波长单色光的这个方案是可行的，它能够充分利用光栅，实现一些光学特征。

3、色散率

本发明的单色仪由于采用光线多次入射光栅形式，所以符合多次色散系统的色散率的表达式

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}={\mathrm{\γ}}_n[{\mathrm{\γ}}_{n-1}{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}\right)}_{n-2}+{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}\right)}_{n-1}+\·\·\·]+{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}\right)}_n$

如果进行两次色散，则色散率为：

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}={\mathrm{\γ}}_2{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}\right)}_1+{\left(\frac{\mathrm{dl}}{d\left(\mathrm{\λ}\right)}\right)}_2$

由于本发明的单色仪中，光线始终是通过同一个光栅，所以有

γ₁＝γ₂＝γ₃＝…γ_n＝1

于是色散率为

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}=n{\left(\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}\right)}_1$

可见，色散率的增大使仪器的分辨率随之增大。

4、杂散光分析

由于采用空间入射的方式，入射狭缝、准直镜、反射镜等基本呈依次斜向上方或依次斜向下方布置，而不会像现有仪器那样水平布置。这样，第一次衍射后的衍射光束射向准直镜时，就不会像现有仪器那样有部分衍射光打到准直镜上，因此，避免了由此而产生的杂散光。另外，由于多次入射光栅，发生多次衍射，故单色仪的分辨率得到较大幅度提高，在同一个出射狭缝的情况下光谱带宽减小，从而提高了输出光的单色纯度，降低了杂散光。

本发明的单色仪，从入射狭缝S1的入射光束通过若干块反射镜在所述光栅10上至少进行两次衍射，最后级次衍射光束中的预定波长的单色光通过若干块反射镜由出射狭缝S3输出。其中在光栅10上的的各次衍射均可以在光栅10的主截面内进行。但此时的杂散光比较多。如果从入射狭缝S1的入射光束通过若干块反射镜以偏离所述光栅10主截面方向入射到光栅10。此时的杂散光可大大降低。如果在在光栅10上进行的各次衍射的入射角均相同，则可以最大程度地简化光栅方程。其中的入射角指的是入射光束的主光线在光栅主截面内的投影与光栅法线之间的夹角。

如图6所示，本发明的第一种实施例，原理结构包括壳体(图中未示出)、安装在壳体上的具有入射狭缝S1的入射板和具有出射狭缝S3的出射板以及安装在壳体内的光路系统。其中光路系统包括准直镜11、光栅10、位于准直镜11下方的第一平面镜12和位于光栅10斜上方的较小的第二平面镜19。第一平面镜12安装在准直镜11的下方，具有入射狭缝S1的入射板位于光栅10的上方，也可以位于光栅10的下方。其中的光栅10安装在旋转驱动机构(图中未示出)上，该旋转驱动机构有很多种众所周知的结构，本发明采用这些已知机构中的任何一种均可。准直镜11、第一平面镜12和第二平面镜19均以传统的方式固定安装在壳体内。该原理结构遵循方程 $\mathrm{\λ}=\frac{2d}{m}\cos \mathrm{\ξ}\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \mathrm{\ω},$ 表示以相同的ξ和i_ξ多次入射光栅的情况。

通过入射狭缝S1的入射光束经准直镜11后形成的平行光束入射到光栅10上进行衍射，形成一次衍射光束，该一次衍射光束由第一平面镜12再次反射至光栅10上，经光栅10衍射形成二次衍射光束，该二次衍射光束经准直镜11后形成的平行光入射到第二平面镜19，再反射至出射狭缝S3，预定波长的单色光由出射狭缝S3输出。通过调整准直镜11、平面镜12的角度使上述光栅10的两次衍射的入射角相同。

本实施例中也可以不设置第二平面镜19。这时，经准直镜11后形成的平行光束直接入射到出射狭缝S3，由出射狭缝S3输出预定波长的单色光。本实施例中，在同一个单色仪内，在同一个光栅上进行两次色散，大大增加了单色仪的分辨率，同时降低了杂散光。

如图7所示，本发明的第二种实施例结构包括壳体(图中未示出)、安装在壳体上的具有入射狭缝S1的入射板和具有出射狭缝S3的出射板以及安装在壳体内的光路系统。其中光路系统包括第一准直镜14、入射光栅10、第一凹面镜15、设置在光栅下方作为光路方向转换使用的第二凹面镜16、第二准直镜17、第三凹面镜18和第二平面镜19。在第二凹面镜16的焦点位置附近设有一个用于消除像差的光阑(图中未示出)。入射狭缝S1的入射板、第一准直镜14、第一凹面镜15沿着依次斜向下方方向布置；第二准直镜17、第三凹面镜18、具有出射狭缝S3的出射板沿着依次斜向上方方向布置。这样交替层叠布置，可以有效消除杂散光。通过入射狭缝S1的入射光束经第一准直镜14后形成的平行光入射到光栅10上，形成一次衍射光束，该一次衍射光束经第一凹面镜15、第二凹面镜16汇聚并改变光路方向后入射到第二准直镜17形成平行光束，该平行光束再次反射至光栅10上，形成二次衍射光束，该二次衍射光束经第三凹面镜18汇聚后反射到第二平面镜19，再由第二平面镜19反射到出射狭缝S3，由出射狭缝S3输出预定波长的单色光。

上述实施例2中，光栅10及各反射镜均与水平面垂直。安装时，在保证各反射镜与水平面垂直条件下，调节各反射镜的角度，以保证光路沿着预定的方向传递并通过调整15、16、17的角度，确保在光栅10上发生的两次衍射的入射角相同。另外，在该实施例2结构中，由入射狭缝S1入射到第一准直镜14入射光线、第一准直镜14反射到光栅10的光线、由光栅10衍射到第一凹面镜15的光线位于同一竖直平面内。在上述优选的条件下，保证了入射光线的主光线和出射光线的主光线在同一竖直平面内，这时入射光与出射光在主截面内的投影为同一直线，也就是它们之间的夹角为0，使光栅方程简化为 $\mathrm{\λ}=\frac{2d}{m}\cos \mathrm{\ξ}\sin \mathrm{\ω},$ 从而大大简化了软件控制程序。

本实施例2中，两次入射光栅10的入射点位于一条水平线上，并且距离从每个入射点到光栅10的边沿的距离相等。从入射点到光栅10的边沿的距离优选为光栅10宽度的1/4。这样可以充分利用光栅10，并且方便安装、调试。

本实施例2中，也可以不设置第三凹面镜18和第二平面镜19，这时，经光栅10衍射形成的二次衍射光束直接入射到射狭缝S3，由出射狭缝S3输出预定波长的单色光。在第一凹面镜15和第二准直镜17之间也可以不设置第二凹面镜16，第一凹面镜15的出射光束直接反射到第二准直镜17。采用一个光栅在同一主截面内进行二次衍射的问题主要是难以消除反射带来的杂光以及引起的像差。为此，我们采用了空间入射的方式，即偏离主截面方向入射，并采用多种镜片组合的方式，使光束由汇聚与平行的传播方式在各镜片之间发生多次反射，同时在光路中附加光阑。采取了上述措施后，基本消除了杂散光和像差，本实施例的技术方案是完全可以实现的。

本实施例2中，光线自上而下斜入射光栅，然后又自下而上通过光栅从出射狭缝输出，光路呈现层叠状态。相比传统的双单色仪，本发明的结构紧凑，体积大为减小。并且在性能上，提高了分辨率，降低了杂散光。同时，由于本发明中仅使用一个光栅，这样对于扫描系统的有效控制比较容易。

将以上两个实施例中的凹面镜换成平面镜也可实现同样的结果，并且通过增加反射镜的数量可以实现在同一块光栅上进行更多次数的衍射。也就是说，本发明的单色仪的结构可以在上述两个实施例的基础上进一步扩展成各种各样的具体结构形式。当采用较大光栅实现较多次衍射时，对光栅转动的控制比较灵活，完全可以依据上述光栅方程，采用数学领域里简单的软件实现相应的功能。

图8是与图3所示的原理图相对应的结构原理图，即四次入射光栅，且入射角不同的情况。如图8所示，光束由入射狭缝S1射入单色器，并打在准直镜20上。经准直后的平行光束斜向下射入光栅10，经光栅10衍射后的衍射光束打到平面镜21上，由平面镜21反射后再次斜向下入射到光栅10上，再次衍射后的二次衍射光束入射到平面镜22上，然后斜向上第三次反射到光栅10，经衍射后的三次衍射光束入射到平面镜23上，经其反射后斜向上第四次入射到光栅10，衍射后的四次衍射光束入射到准直镜24上，经准直镜24汇聚后的平行光束中预定波长的单色光由出射狭缝S3射出。

本发明中，只有一块光栅和一套旋转驱动装置，与现有仪器相比，减少了一块光栅及其旋转驱动装置。从光栅数量角度来说，本发明的单色仪相当于传统的单单色仪；而本发明中由于在同一块光栅上发生两次衍射，从该角度来说，本发明的单色仪相当于传统的双单色仪。也就是，本发明的单色仪，其结构如同传统的单单色仪一样简单，而分辨率与传统的双单色仪相当。因此，本发明对传统单色仪是一个重大突破，它不仅体积小，造价低，而且性能指标也有大幅提升，故具有较大的应用潜力。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种单色仪，包括壳体、安装在壳体上的具有入射狭缝(S 1)的入射板和具有出射狭缝(S3)的出射板以及安装在壳体内的光路系统，所述光路系统包括布置在光路上的一块光栅(10)以及均与水平面垂直的第一准直镜(14)、第一凹面镜(15)、第二凹面镜(16)和第二准直镜(17)，其中所述光栅(10)安装在旋转驱动机构上；其特征在于从所述入射狭缝(S1)射入的入射光束经第一准直镜(14)后形成的平行光束以偏离所述光栅(10)主截面方向入射到所述光栅(10)上，形成一次衍射光束，该一次衍射光束经第一凹面镜(15)汇聚后入射到第二凹面镜(16)上，由第二凹面镜(16)出射的光束再次汇聚后入射到第二准直镜(17)形成平行光束，该平行光束再次入射至所述光栅(10)上，形成二次衍射光束，二次衍射光束中预定波长的单色光由所述出射狭缝(S3)输出。

2.根据权利要求1所述的单色仪，其特征在于在光栅(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线在光栅主截面内的投影与光栅法线之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的单色仪，其特征在于在所述二次衍射光束出射侧设有第三凹面镜(18)，用于汇聚并反射二次衍射光束。

4.根据权利要求3所述的单色仪，其特征在于所述具有入射狭缝(S1)的入射板、第一准直镜(14)、第一凹面镜(15)沿着依次斜向下方方向布置；第二准直镜(17)、第三凹面镜(18)、具有出射狭缝(S3)的出射板沿着依次斜向上方方向布置。

5.根据权利要求1-4之任一项所述的单色仪，其特征在于在所述第二凹面镜(16)的焦点位置附近设有光阑。

6.根据权利要求5所述的单色仪，其特征在于还包括设置在出射狭缝(S3)之前的用于改变光路方向的第二平面镜(19)。

7.根据权利要求6所述的单色仪，其特征在于所述光栅(10)是平面光栅或者凹面光栅。

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