CN101788340A - 波长扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种光谱测量技术领域的波长扫描装置，包括：步进电机、联轴器、转盘、多面反射镜、光栅座、光栅、光源、会聚透镜、分束镜组或整形镜、位置敏感探测器和处理电路，其中：步进电机的转轴与联轴器固定连接，联轴器依次与转盘和光栅座相连接，多面反射镜固定在转盘外侧面的圆周上，光栅固定设置于光栅座上，光栅的刻划面的中心位于转轴的轴线上，光源、会聚透镜和分束镜组或整形镜依次先后设置并朝向多面反射镜，位置敏感探测器设置于光源经多面反射镜反射的反射光路上并与处理电路相连接以接收反射光斑。本发明通过对光栅的运动情况进行进行高精度测量，实现既高精度又快速的波长扫描测量要求。

Description

波长扫描装置

技术领域

本发明涉及的是一种光谱测量技术领域的装置，具体是一种波长扫描装置。

背景技术

光谱的波长测量范围、分辨率、波长准确性和重复性、以及测量速度等是光谱仪器重要的性能指标，其中，波长测量范围、分辨率和测量速度之间往往相互制约，存在矛盾。如何实现更宽波长范围、更高分辨率和更快速度的光谱测量是光谱学及光谱仪器测量学研究的难点之一。

现有色散型空间分光光谱仪器，从结构上主要分为两种类型：一种是采用单元探测器的机械扫描式，进行逐点探测和扫描，另一种是采用阵列探测器的非机械扫描式，进行全谱同时快速探测。机械扫描式的光谱仪器普遍地采用步进电机加丝杆或凸轮的结构。机械扫描式光谱仪的优点是：扫描精度高、成本相对较低。缺点是，由于丝杆自身结构的限制导致其扫描速度慢，并且由于丝杆往复运动不可避免因机械摩擦产生的各种误差和空回误差，造成波长重复性下降。例如：这类型的分光光度计的典型参数为：光谱波长范围200nm～800nm，波长准确度±0.5nm，重复性≤0.3nm。在保证最大精度和最好重复性的要求下，它的扫描速度仅为30nm/min。而采用阵列探测器的非扫描型光谱仪器，一般用PDA阵列探测器或CCD阵列探测器来进行光谱的采集。其主要优势是扫描速度很快，波长重复性好，但是由于阵列探测器自身尺寸的限制，波长范围和分辨率是一对矛盾，或者波长范围较小，或者分辨率不高。例如：该类型光谱仪的典型参数为：光谱波长范围200nm～850nm，波长准度±1.5nm，但它的扫描速度可达每秒1000幅光谱图。

此外，在一些波长扫描精度要求不是很高的情况下，最近也出现了用步进电机经细分直接带动光栅转动的扫描方法，这种方法由于不需要丝杆等机构既减小了结构尺寸，从理论上也可以较大幅度提高扫描的速度，并且成本也比阵列式的更低。但由于细分驱动器性能和电机本身的机械运动特点的限制，往往存在并步、跳步或失步现象，加上震动等原因，其扫描精度和重复性不能达到高精度的要求。

针对上述问题，国外已有将基于莫尔条纹技术的圆形光栅尺精密角度传感反馈机构用于光栅转角测量的做法。运用了光栅尺后，扫描速度得到提高，波长扫描精度甚至超过一般丝杆扫描结构的水平，但其价格过于昂贵。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1373351A，公开日2002-10-9，记载了一种“用线阵CCD测光栅转角定波长的装置”及中国专利文献号CN2593172Y公开日2003-12-17，记载了一种“线阵CCD测量光栅转角测谱仪”，提出了用线阵CCD测光栅转角定波长的装置。由光源、反光镜、分光光栅、测谱线阵CCD、线阵CCD测光栅转角系统、A/D数据采集卡和计算机构成。克服了普通光谱仪因转动机构及转动量测量机构所带来的附加误差，使光谱仪测谱的精度更高、速度更快。但是该现有技术由于受到CCD长度及像元数有限的限制，扫描精度有限。

进一步检索发现，CN101135589A，公开日2008-3-5，记载了一种“快速探测宽谱面光谱的方法”，提出将多个CCD器件拼接用于探测光栅摄谱仪宽阔谱面的光谱、同步并行数据采集技术和三维显示不同时段光谱的技术。能够探测不同时间段光谱的变化和同一时刻谱面各光谱的强度。该现有技术提供了一种扩展光谱测量范围以及实现多个光谱同时测量的方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种波长扫描装置，通过对光栅的运动情况进行高精度测量，实现既高精度又快速的波长扫描测量要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：光栅转动部分以及与之相对设置的光栅转动角度测量部分，其中：

所述的光栅转动部分包括：步进电机、联轴器、转盘、多面反射镜、光栅座和光栅，其中：步进电机的转轴与联轴器固定连接，联轴器依次与转盘和光栅座相连接，多面反射镜固定在转盘外侧面的圆周上，光栅固定设置于光栅座上，光栅的刻划面的中心位于转轴的轴线上。

所述的光栅转动角度测量部分包括：光源、会聚透镜、位置敏感探测器、处理电路以及分束镜组或整形镜，其中：光源、会聚透镜以及分束镜组或整形镜依次先后设置并朝向多面反射镜，位置敏感探测器设置于光源经多面反射镜反射的反射光路上并与处理电路相连接以接收反射光斑。

所述的光源为激光或发光二极管。

所述的分束镜组包括：分束镜和平面反射镜，其中：分束镜设置于光源和光经透镜的光路上并正对多面反射镜，平面反射镜位于分束镜的分束光路上并将反射光指向多面反射镜。

所述的整形镜为半柱面镜结构。

所述的多面反射镜为双层结构，每一层包括若干块大小相同的的平面反射镜，平面反射镜依次相接设置于转盘外侧面的圆周上。

所述的平面反射镜的镜面均平行于转轴且相邻平面反射镜的夹角相等。

所述的双层结构是指：两层平面反射镜的镜面相互交错叠放。

所述的多面反射镜由玻璃、有机玻璃、塑料、硅片或金属制成。

本发明显著地提高了扫描精度，相比现有技术采用位置敏感探测器来间接地测量光栅的角度，位置敏感探测器的位置分辨率很高，再加上采用了多面镜扫描，进一步提高了精度，在扫描范围一定的情况下，若采用N面镜则波长精度大致可以提高N倍。本发明与现有机械扫描技术相比还显著地提高了扫描速度，原因是本发明采用的是步进电机直接驱动光栅转动的扫描方式。

附图说明

图1为实施例1光栅转动部分示意图。

图2为实施例1光栅转动角度测量部分示意图。

图3为实施例1多面反射镜示意图。

图4为实施例1波长定标及光谱测量装置示意图。

图5为实施例1光路示意图。

图6为实施例2光路示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：如图1的光栅转动部分和如图2所示的光栅转动角度测量部分，其中：

所述的光栅转动部分包括：步进电机1、两个联轴器2和5、转盘3、多面反射镜4、光栅座6和光栅7，其中：步进电机1的转轴与联轴器2固定连接，联轴器2通过转盘5的转轴与联轴器5相连接，多面反射镜4固定在转盘5的外边缘上，光栅座6与联轴器5相连接，光栅7固定设置于光栅座6上，光栅7的刻划面的中心位于转轴的轴线上。

如图2所示，所述的光栅转动角度测量部分包括：光源8、会聚透镜9、分束镜组12、2个位置敏感探测器10和14以及处理电路11，其中：光源8、会聚透镜9和光束分束镜组12依次先后设置并朝向多面反射镜4，两个位置敏感探测器10和14分别设置于光源8经多面反射镜4反射的反射光路上并与处理电路11相连接以接收反射光斑。

所述的光源8为激光或发光二极管。

如图3所示，所述的多面反射镜4为双层结构，每一层包括若干块大小相同的的平面反射镜，平面反射镜依次相接设置于转盘3外侧面的圆周上，相邻两镜面的夹角相等，镜面均平行于转轴，所述的双层结构的多面镜的镜面相互交错叠放，该多面反射镜4由玻璃、有机玻璃、塑料、硅片或金属制成。

所述的位置敏感探测器10和14为一种对光斑重心位置敏感的光电器件。

所述的处理电路11包括：电流电压转换电路、调整电路和位置运算电路等，用来进一步处理从位置敏感探测器10和14输出的信号，得到光斑重心位置信号。

实施例2

如图6所示，本实施例中将所述的分束镜组12替换为整形镜13，该整形镜13具体设置于光源8和光经透镜9的光路上并正对多面反射镜4。

所述的整形镜13为半柱面镜结构，将入射光点展开成直线，同时覆盖并照在多面反射镜的上下两层镜面上，由于两层镜面的角度不同，反射后出射方向不同，分别以线状光斑照在两块位置敏感探测器上，得到两组位置信号，综合这两组位置信号，可以克服扫描过程中从一面反射镜过渡到另一面反射镜产生的扫描盲区。

上述实施例通过以下方式实现波长扫描：

第一步、定标：

1、如图4所示给出了一种由凹面光栅构成的光谱仪结构，光谱光源15、入射狭缝16、光栅7、出射狭缝17和光电探测器18组成光谱仪系统，光谱光源15采用线光源如汞灯，开始扫描，光栅转动部分在步进电机1的驱动下光栅7转动到一设定初始角度位置，由光电探测器18对光栅7分光后输出的光谱信号进行测量，与此同时，光源8发出的光经透镜9会聚和分束镜组12后分成两束，分别打到多面反射镜4的上下两层镜面上，两束反射光分别照射在位置敏感探测器10和14上，并产生光电信号，此光电信号经处理电路11处理后，得到光斑在位置敏感探测器10和14上的位置信号。光谱信号、光栅7的角度位置以及光斑在位置敏感探测器10和14上的位置之间一一对应。采用分束棱镜19和平面反射镜20构成光束分束镜组12的光栅转动角度测量装置示意图如图5所示。采用整形镜13的光栅转动角度测量装置示意图如图6所示。

2、光栅转动部分在步进电机1的驱动下光栅7继续转动到下一个角度位置，与第一步相同，一方面，由光电探测器18对光谱进行测量，与此同时，由于多面镜也转过了与光栅7相同的角度，导致反射光斑在位置敏感探测器10和14上的位置发生移动，可由位置敏感探测器10和14的输出信号得到此时光斑在位置敏感探测器10和14上的位置。依此继续，直到结束位置为止，实现光栅7角度的连续改变(即扫描)和与光栅7角度位置相对应的光斑位置以及对应的光谱信号的测量。

3、由光谱信号呈现的特征谱可以确定波长，这样，就可以确定光谱波长与光斑在位置敏感探测器10和14上的位置信号之间的一一对应关系，完成定标。

第二步、扫描：

1、与上述定标过程相似，只是光谱光源15采用待测光源或分光光度计自带光源，扫描开始，光栅转动部分在步进电机1的驱动下光栅7转动到一设定初始角度位置，一方面，由光电探测器18对光栅7分光输出的光谱信号进行测量，与此同时，光源8发出的光经透镜会聚和分束后成两束，分别打到多面反射镜4的上下两层镜面上，两束反射光分别照射在位置敏感探测器10和14上，并产生光电信号，此光电信号经处理电路11处理后，得到光斑在位置敏感探测器10和14上的位置信号。

2、光栅转动部分在步进电机1的驱动下光栅7继续转动到下一个角度位置，同样地，一方面，由光电探测器18对光谱进行测量，与此同时，由于多面镜4也转过了与光栅7相同的角度，导致反射光斑在位置敏感探测器10和14上的位置发生移动，由位置敏感探测器10和14的输出信号得到此时光斑在位置敏感探测器10和14上的位置。依此继续，直到结束位置为止，实现光栅7角度的连续改变(即扫描)和与光栅7角度位置相对应的光斑位置以及对应的光谱信号的测量。

3、由定标过程确定的光谱波长与光斑在位置敏感探测器10和14上的位置信号之间的对应关系，可以得到不同波长处的光谱能量信号，完成光谱的扫描即测量。

在实际运用中，激光器用半导体激光器，波长650nm，考虑到整个扫描系统的精度要求，采用半径约为6cm的转盘5，在对应转盘5圆心角约30°的一段圆弧上均匀贴有两层各5片宽度6mm高度10mm的平面反射镜。在整个扫描过程中，由多面反射镜4产生的反射光斑将在PSD探测器上往返5个周期，PSD的有效光敏面1mm×8mm。

经过对于汞灯谱线的定标以及反复测量，得到此系统的波长扫描范围为200nm至900nm，全谱测量时间20s，波长扫描准确度±0.20nm，重复性≤0.20nm。

Claims (8)

1.一种波长扫描装置，包括：光栅转动部分以及与之相对设置的光栅转动角度测量部分，其特征在于：

所述的光栅转动部分包括：步进电机、联轴器、转盘、多面反射镜、光栅座和光栅，其中：步进电机的转轴与联轴器固定连接，联轴器依次与转盘和光栅座相连接，多面反射镜固定在转盘外侧面的圆周上，光栅固定设置于光栅座上，光栅的刻划面的中心位于转轴的轴线上；

所述的光栅转动角度测量部分包括：光源、会聚透镜、位置敏感探测器、处理电路以及分束镜组或整形镜，其中：光源、会聚透镜以及分束镜组或整形镜依次先后设置，并朝向多面反射镜，位置敏感探测器设置于光源经多面反射镜反射的反射光路上并与处理电路相连接以接收反射光斑。

2.根据权利要求1所述的波长扫描装置，其特征是，所述的光源为激光或发光二极管。

3.根据权利要求1所述的波长扫描装置，其特征是，所述的分束镜组包括：分束镜和平面反射镜，其中：分束镜设置于光源和光经透镜的光路上并正对多面反射镜，平面反射镜位于分束镜的分束光路上并将反射光指向多面反射镜。

4.根据权利要求1所述的波长扫描装置，其特征是，所述的整形镜为半柱面镜结构。

5.根据权利要求1所述的波长扫描装置，其特征是，所述的多面反射镜为双层结构，每一层包括若干块大小相同的的平面反射镜，平面反射镜依次相接设置于转盘外侧面的圆周或部分圆周上。

6.根据权利要求5所述的波长扫描装置，其特征是，所述的平面反射镜的镜面均平行于转轴且相邻平面反射镜的夹角相等。

7.根据权利要求5所述的波长扫描装置，其特征是，所述的双层结构是指：两层平面反射镜的镜面相互交错叠放。

8.根据权利要求5或6或7所述的波长扫描装置，其特征是，所述的多面反射镜由玻璃、有机玻璃、塑料、硅片或金属制成。

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