CN101387551A - 光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法,装置的构成包括光源、光阑、第一会聚镜、单色系统、准直透镜组和第二半透半反镜、参考光路、测量光路、第三半透半反镜、第二会聚镜、待测样品、信号接收系统和计算机,其特点在于:所述的测量光路对水平地放置的待测样品进行测量;所述的计算机具有控制软件,该计算机通过信号线分别与第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、单色系统、二维电动平移台和信号接收系统相连,本发明实现了光学元件的透射光谱测量,可测量的光学元件的最大尺寸为400mm×600mm;利用计算机的控制软件的控制实现了光学元件的自动面扫描测量。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量,特别是一种能够测量大尺寸光学元件的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法。
背景技术
分光光度计是光学元件光谱特性测量最常见的测量仪器,它可以测量光学元件的反射率、透射率、吸收等光谱特性。
现有的分光光度计的光路图如图1所示,光源04由卤素灯01、氘灯03和第一半透半反镜02构成,第一半透半反镜02的旋转轴与主光路成22.5°,氘灯03的光轴与第一半透半反镜02的旋转轴成22.5°;光源04发出的光经单色系统07后成为单色光,单色光经第二半透半反镜09后分成透射光束和反射光束,水平的透射光束用作测量光束,反射光束用作参考光束,样品10竖直地置于测量光路中。像一些大型光学系统中使用的光学元件,由于元件尺寸和质量都较大,现有分光光度计的样品室无法放置,并且如果元件竖直放置,不能保证测量元件的安全,所以,现有的分光光度计不能满足大尺寸光学元件光谱测量的需要。另外,现有分光光度计只能进行光学元件的单点的光谱测量,不能对光学元件进行二维自动面扫描测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法,该装置能测量大尺寸光学元件透射光谱,并且对大尺寸光学元件自动进行二维面扫描透射光谱测量。
本发明的解决方案如下:
一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置,其构成包括光源、光阑、第一会聚镜、单色系统、准直透镜组和第二半透半反镜、参考光路、测量光路、第三半透半反镜、第二会聚镜、待测样品、信号接收系统和计算机,其特点在于:
所述的测量光路由第二半透半反镜反射的竖直光路和依次设置的待测样品、第一反射镜、第三半透半反镜和第二会聚镜构成;所述的待测样品置于样品台上,该样品台由样品架、燕尾式滑动导轨和二维电动平移台构成,所述的待测样品水平地放置在所述的样品台的样品架上,所述的待测样品随着二维电动平移台进行二维移动;
所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜的水平光路和依次设置的第二反射镜、第三半透半反镜和第二会聚镜构成;
所述的计算机的输入端接所述的信号接收系统的输出端,该计算机具有控制软件,该计算机通过信号线分别与所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、单色系统和二维电动平移台相连,所述的计算机通过控制软件控制所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、单色系统和二维电动平移台的运动。
所述的光源由卤素灯、第一半透半反镜和氘灯构成,在一条直线上的所述的卤素灯、第一半透半反镜、光阑、第一会聚镜、单色系统、准直透镜组和第二半透半反镜构成主光路,所述的第一半透半反镜的旋转轴与所述的主光路成22.5°,所述的氘灯的光轴与所述的第一半透半反镜的旋转轴成22.5°。
所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜都是一绕其垂直的旋转轴旋转的圆片,该圆片的一半为通光孔,另一半是反光的半圆片。
所述的信号接收系统由光电倍增管和A/D转换器构成。
利用所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置进行光学元件透射光谱自动面扫描测量的方法,其特征在于包括下列步骤:
①首先在所述的计算机上设置测量光谱范围λstart、λend,测量波长间隔Δλ,测量元件尺寸xscale、yscale以及面扫描测量的点数N;
②在所述的样品台上先不放置待测样品,对测量装置进行校零;根据预先设置的测量光谱范围,通过第一半透半反镜的旋转选择卤素灯或氘灯作为光源,将所述的单色系统的波长调节至λstart,光源发出的光经光阑和第一会聚镜后进入单色系统,单色系统出射的单色光经准直透镜组变成平行光束,然后入射到第二半透半反镜上,该第二半透半反镜将入射光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为参考光束,经第二反射镜反射至第三半透半反镜,反射光束作为测量光束,穿过所述的样品台经第一反射镜反射至第三半透半反镜,该第三半透半反镜将参考光束和测量光束合成一束,经第二会聚镜后进入光电倍增管检测并输出模拟信号,A/D转换器将光电倍增管的模拟信号转换成数字信号输入所述的计算机,该计算机通过所述的控制软件控制所述的第二半透半反镜和第三半透半反镜同步旋转,采集所述的A/D转换器的数据,获得当前波长的测量光路的透过率T1(λ)和参考光路的透过率T1′(λ),并分别将信号保存在数组T1[num]、T1′[num]中,然后控制软件将所述的单色系统的波长调节为λ+Δλ,重复上述步骤,直至获得所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T1(λstart),……,T1(λend)和参考光路的全部透过率信息:T1′(λstart),……,T1′(λend),校零完毕;
③在样品台上放置待测样品,重复第②步的操作对所述的待测样品进行测量,得到所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T2(λstart),……,T2(λend)和参考光路的全部透过率信息T2′(λstart),……,T2′(λend);
④计算机进行数据处理T(λ)=(T2′(λ)×T1(λ))/(T2(λ)×T1′(λ)),其中λ的范围为λstart到λend,即获得待测样品一个测量点的透过率T(λ);
⑤计算机(21)根据面扫描测量的点数N,通过所述的二维电动平移台(13)将待测样品(10)驱动到下一个测量点位置,然后重复第③、④步的测量,完成该测量点的测量;
⑥重复第⑤步,直至完成测量范围内待测样品(10)所有设定的测量点的透射光谱测量。
本发明的技术效果:
①本发明所述的待测样品水平地放置在所述的样品台的样品架上,因此可以测量大尺寸光学元件的透射光谱,与传统的分光光度计相比,最大被测元件尺寸大大增加;
②本发明采用二维电动平移台,利用控制软件实现了光学元件的透射光谱的自动面扫描测量,测量过程中无需人工介入。
③本发明将待测大尺寸元件水平放置,确保待测元件的安全性。
④本发明的计算机在Win9x/NT/XP操作系统下全自动控制本发明装置自动运行,命令输入操作方便。
本发明实现了大尺寸光学元件的透射光谱测量,可测量的光学元件的最大尺寸为400mm×600mm;利用计算机的控制软件的控制实现了光学元件的自动面扫描测量。
附图说明
图1是现有分光光度计的原理图和主光路图
图2是本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置的结构示意图
图3是本发明中半透半反镜的平面结构图
图4是本发明中控制软件的流程图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图2,图2是本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置的结构示意图,也是本发明一个实施例的结构示意图,由图可见,本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置,其构成包括光源04、光阑05、第一会聚镜06、单色系统07、准直透镜组08和第二半透半反镜09、参考光路、测量光路、第三半透半反镜17、第二会聚镜18、样品10、信号接收系统22和计算机21,所述的测量光路由第二半透半反镜09反射的竖直光路和依次设置的待测样品10、第一反射镜15、第三半透半反镜17和第二会聚镜18构成;
所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜09的水平光路和依次设置的第二反射镜16、第三半透半反镜17和第二会聚镜18构成;
所述的待测样品10置于样品台14上,该样品台14由样品架12、燕尾式滑动导轨11和二维电动平移台13构成,所述的待测样品10水平地放置在所述的样品台14的样品架12上,所述的待测样品10随着二维电动平移台13进行二维移动;
所述的计算机21的输入端接所述的信号接收系统22的输出端,该计算机21具有控制软件,该计算机21通过信号线分别与所述的第一半透半反镜02、第二半透半反镜09、第三半透半反镜17、单色系统07和二维电动平移台13相连,所述的计算机21通过控制软件控制所述的第一半透半反镜02、第二半透半反镜09、第三半透半反镜17、单色系统07和二维电动平移台13的运动。
所述的光源04由卤素灯01、第一半透半反镜02和氘灯03构成,在一条直线上的所述的卤素灯01、第一半透半反镜02、光阑05、第一会聚镜06、单色系统07、准直透镜组08)和第二半透半反镜09构成主光路,所述的第一半透半反镜02的旋转轴与所述的主光路成22.5°,所述的氘灯03的光轴与所述的第一半透半反镜02的旋转轴成22.5°。
所述的第一半透半反镜02、第二半透半反镜09和第三半透半反镜17都是一绕其垂直的旋转轴旋转的圆片,参见图2,该圆片的一半为通光孔,另一半是反光的半圆片。
样品台14的最大载重为50kg,可测量的待测样品10最大尺寸为400mm×600mm。鉴于待测样品10的尺寸和质量都较大,将待测样品10水平放置于样品台14上,可以保证待测样品10的安全性;样品架12的大小可以调节。
第一半透半反镜02、第二半透半反镜09和第三半透半反镜17、单色系统07、二维电动平移台13、A/D转换器20通过数据线和计算机21相连,所述控制软件具有采集单色系统07的数据、对单色系统07的当前波长进行定位以及调节单色系统07波长的功能,还具有采集二维电动平移台13的数据、对二维电动平移台13的位置进行定位以及驱动二维电动平移台13至设定位置的功能,此外还有控制第一半透半反镜02、第二半透半反镜09和第三半透半反镜17的旋转以及转动速率,采集、处理A/D转换器20信号的功能。测量时,计算机在完成一个点的透射率测量之后,控制软件的电动平移台控制模块根据预先设定的测量点数和测量范围,计算两个测量点间的间距,通过二维电动平移台13将样品10驱动到下一个测量位置,然后进行下一设置点的测量,直至完成测量范围内所有设定点的透射光谱测量。
所述第三半透半反镜17将测量光束和参考光束合成一束,经第二会聚镜18,进入光电倍增管19。测量过程中计算机21控制第二半透半反镜09和第三半透半反镜17同步转动,即同时提供透射或者反射的功能,并且在计算时加以区分,这样通过一个信号接收系统22就能探测测量光束和参考光束的光强。
本发明的工作情况如下:
图4所示为本发明控制软件的流程图,利用本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置进行光学元件透射光谱自动面扫描测量的方法,包括下列步骤:
①首先在所述的计算机上设置测量光谱范围λstart、λend,测量波长间隔Δλ,测量元件尺寸xscale、yscale以及面扫描测量的点数N;
②在所述的样品台14上先不放置待测样品10,对测量装置进行校零:根据预先设置的测量光谱范围,通过第一半透半反镜02选择卤素灯01或氘灯03作为光源,将所述的单色系统07的波长调节至λstart,光源发出的光经光阑05和第一会聚镜06后进入单色系统07,由单色系统07出射的单色光经准直透镜组08变成平行光束,然后入射到第二半透半反镜09上,该第二半透半反镜09在计算机21的控制下高速旋转,将入射光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为参考光束,经第二反射镜16反射至第三半透半反镜17,反射光束作为测量光束,穿过所述的样品台14经第一反射镜15反射至第三半透半反镜17,该第三半透半反镜17将参考光束和测量光束合成一束,经第二会聚镜18后进入光电倍增管19检测并输出模拟信号,A/D转换器20将光电倍增管19的模拟信号转换成数字信号输入所述的计算机21,该计算机21通过所述的控制软件控制所述的第二半透半反镜09和第三半透半反镜17同步旋转,采集所述的A/D转换器20的数据,获得当前波长的测量光路的透过率T1(λ)和参考光路的透过率T1′(λ),并分别将信号保存在数组T1[num]、T1′[num]中,然后控制软件将所述的单色系统07的波长调节为λ+Δλ,重复上述步骤,直至获得所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T1(λstart),……,T1(λend)和参考光路的全部透过率信息:T1′(λstart),……,T1′(λend),校零完毕;
③在样品台14上放置待测样品10,重复第②步的操作对所述的待测样品10进行测量,得到所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T2(λstart),……,T2(λend)和参考光路的全部透过率信息T2′(λstart),……,T2′(λend);
④计算机21进行数据处理T(λ)=(T2′(λ)×T1(λ))/(T2(λ)×T1′(λ)),其中λ的范围为λstart到λend,即获得待测样品10一个测量点的透过率T(λ);
⑤计算机21根据面扫描测量的点数N,通过所述的二维电动平移台13将待测样品10驱动到下一个测量点位置,然后重复第③、④步的测量,完成该测量点的测量;
⑥重复第⑤步,直至完成测量范围内待测样品10所有设定的测量点的透射光谱测量。
本发明实现了大尺寸光学元件的透射光谱测量,可测量的光学元件的最大尺寸为400mm×600mm;利用计算机的控制软件的控制实现了光学元件的自动面扫描测量。
Claims (4)
1、一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置,其构成包括光源(04)、光阑(05)、第一会聚镜(06)、单色系统(07)、准直透镜组(08)和第二半透半反镜(09)、参考光路、测量光路、第三半透半反镜(17)、第二会聚镜(18)、待测样品(10)、信号接收系统(22)和计算机(21),其特征在于:
所述的测量光路由第二半透半反镜(09)反射的竖直光路和依次设置的待测样品(10)、第一反射镜(15)、第三半透半反镜(17)和第二会聚镜(18)构成;所述的待测样品(10)水平地放置在所述的样品台(14)的样品架(12)上,该样品台(14)由样品架(12)、燕尾式滑动导轨(11)和二维电动平移台(13)构成,所述的待测样品(10)随着二维电动平移台(13)进行二维移动;
所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜(09)的水平光路和依次设置的第二反射镜(16)、第三半透半反镜(17)和第二会聚镜(18)构成;
所述的计算机(21)的输入端接所述的信号接收系统(22)的输出端,该计算机(21)通过信号线分别与所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三半透半反镜(17)、单色系统(07)和二维电动平移台(13)相连,所述的计算机(21)通过具有的控制软件控制所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三半透半反镜(17)、单色系统(07)和二维电动平移台(13)的运动。
2、根据权利要求1所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置,其特征在于:所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三半透半反镜(17)都是一块绕其垂直的旋转轴旋转的圆片,该圆片的一半为通光孔,另一半是全反光的半圆片。
3、根据权利要求1或2所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置,其特征在于:所述的信号接收系统(22)由光电倍增管(19)和A/D转换器(20)构成。
4、利用权利要求3所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置进行光学元件透射光谱自动面扫描测量的方法,其特征在于包括下列步骤:
①所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置启动后,首先在所述的计算机(21)上设置待测样品(10)的测量光谱范围λstart、λend,测量波长间隔Δλ,测量元件尺寸xscale、yscale以及面扫描测量的点数N;
②在所述的样品台(14)上先不放置待测样品(10),对测量装置进行校零:根据预先设置的测量光谱范围,通过第一半透半反镜(02)选择卤素灯(01)或氘灯(03)作为光源,将所述的单色系统(07)的波长调节至λstart,光源发出的光经光阑(05)和第一会聚镜(06)后进入单色系统(07),单色系统(07)出射的单色光经准直透镜组(08)变成平行光束,然后入射到第二半透半反镜(09)上,所述的计算机(21)通过所具有的控制软件控制所述的第二半透半反镜(09)和第三半透半反镜(17)同步旋转,该第二半透半反镜(09)在所述的计算机(21)的控制下高速旋转,将入射光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为参考光束,经第二反射镜(16)反射至第三半透半反镜(17),反射光束作为测量光束,穿过所述的样品台(14)经第一反射镜(15)反射至第三半透半反镜(17),该第三半透半反镜(17)将参考光束和测量光束合成一束,经第二会聚镜(18)后进入光电倍增管(19)检测并输出模拟信号,A/D转换器(20)将光电倍增管(19)的模拟信号转换成数字信号输入所述的计算机(21),该计算机(21)采集所述的A/D转换器(20)的数据,获得当前波长的测量光路的透过率T1(λ)和参考光路的透过率T1′(λ),并分别将信号保存在数组T1[num]、T1′[num]中,然后控制软件将所述的单色系统(07)的波长调节为+Δλ=λ,重复上述步骤,直至获得所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T1(λstart),……,T1(λend)和参考光路的全部透过率信息:T1′(λstart),……,T1′(λend),校零完毕;
③在样品台(14)上放置待测样品(10),重复第②步的操作对所述的待测样品(10)进行测量,得到所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息:T2(λstart),……,T2(λend)和参考光路的全部透过率信息T2′(λstart),……,T2′(λend);
④计算机(21)进行数据处理T(λ)=(T2′(λ)×T1(λ))/(T2(λ)×T1′(λ)),其中λ的范围为λstart到λend,即获得待测样品(10)一个测量点的透过率T(λ);
⑤计算机(21)根据面扫描测量的点数N,通过所述的二维电动平移台(13)将待测样品(10)驱动到下一个测量点位置,然后重复第③、④步的测量,完成该测量点的测量;
⑥重复第⑤步,直至完成测量范围内待测样品(10)所有设定的测量点的透射光谱测量。
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