CN1026820C - 分光光度计 - Google Patents

Abstract

一种分光光度计，包括：光源切换装置，用以摆动光源反射镜来切换多个光源；滤光片选择装置；衍射光栅转动机构；以及控制器，用以利用衍射光栅转动机构的粗略原点传感器和光度计确定三个驱动机构的动作原点。控制器的工作是：使滤光片架的一端与止动件接触，从而确定滤光片运动的原点；用粗略原点传感器确定衍射光栅的大致原点；检测光度计测出最大光强时的位置，由此确定光源反射镜运动的原点和衍射光栅运动的精确原点。

Description

本发明涉及一种自动设定目标波长或自动扫描预定波长范围的分光光度计，更具体地说，涉及一种用以确定分光光度计若干驱动机构的动作原点的机构。

一般分光光度计中，目标波长或波长范围是自动设定，或者由计算机控制的电动机自动扫描预定的波长范围的。这种自动设定和扫描不仅需要有带动分光元件（例如衍射光栅或棱镜）高度精确转动的机构，而且还需要有其它一些配合分光元件转动机构工作的机构。

用于紫外光和可见光光谱范围的分光光度计通常有两个光源，一个是可见光光源，另一个是紫外光光源。在这类分光光度计中，光源切换机构根据目标波长或波长扫描范围选择其中一个光源，并将其安置在光路上。光源切换机构是利用转动会聚镜或移动光源来切换光源的。

用衍射光栅作为分光元件时，设计分光光度计的光学系统使得只有衍射强度最大的（正或负的）一级衍射光通过出射狭缝发射出去。但衍射光栅的原理不仅容许出射狭缝发射一级光，而且还容许发射二级或更高级次的衍射光。因此，普通的分光光度计通常都采用滤光片来消除不需要的二级或更高级次的衍射光。许多分光光度计中设有若干短波长截止或带通有色玻璃滤光片，并且由滤光片选择机构根据所运行的光的波长选择其中一个滤光片，安 置在光路上。滤光片选择机构配置在衍射光栅之前或之后。

这三个驱动机构，即a）带动衍射光栅转动的驱动机构，b）切换两个光源的驱动机构，和c）选择滤光片的驱动机构，是分光范围包括可见光和紫外光、能自动设定和扫描目标波长或波长范围的分光光度计所必不可少的组件。这些驱动机构通常采用步进电机作为驱动源，这是因为步进电机较小，易用微型计算机控制，而且无需减速装置就能低速运转，在分光光度计中，各驱动机构的步进电机在微型计算机的控制下根据目标波长或扫描波长彼此联锁地配合工作。各步进电机通常是以开环系统的方式控制的。

图9示出了一般现有技术的分光光度计，它采用摆动式会聚反射镜3切换两个光源，和凹面衍射光栅9作为分光元件。光源切换机构4摆动会聚镜3，以选择紫外光源1或可见光源2。滤光片选择机构7用来安置适当的滤光片6以截止光通路中更高级次的光。衍射光栅9由衍射光栅转动机构10带动转动。通过入射狭缝13射来的白光由凹面衍射光栅9反射、衍射和会聚，并且入射狭缝13的单色图象聚焦在出射狭缝14上，出射狭缝14上的图象波长与衍射光栅9的位置有关。通过出射狭缝14出射的单色光通过试样16，由光学系统15聚焦到光度计12上，再由光度计12进行测定。

正常工作时，用作各机构4、7和10的驱动源的步进电机可以开环系统的方式妥善加以控制而无需使用反馈传感器。但在接通光度计并将各电机接上电源的时刻，各步进电机的转动位置是不定的，会聚镜3的位置，衍射光栅9的位置和安置在光路中的滤光片6的种类也都是不定的。因此，如果不确定各电机的动作原点，分光光度计的控制器（微型计算机）就不可能根据预定程序妥善控制各步进电机。

因此，采用步进电机的各驱动机构需要有确定动作原点的机构。在图9所示的普通分光光度计中，各驱动机构（光源切换机构4、滤光片选择机构7和衍射光栅转动机构10）的动作原点是由相应的原点检测传感器5、8和11检测的。原点检测传感器是光电传感器或微动开关，它检测在驱动机构的运动（转动或移动）部件上形成的孔或短轴，并确定运动部件当时的位置，作为步进电机（或驱动机构）的动作原点。这种结构要求三个驱动机构的每一个都有一个检测器，这引起种种问题。部件数目的增加使各机构和整个控制系统复杂化。要求检测器本身的精密度和可靠性具有与分光光度计所要求的同样高的水平。这些问题和其它问题提高了分光光度计的造价，而且降低生产效率。

例如，采用光电传感器作为原点检测传感器时，需要许多其它的辅助部件，这包括：将传感器接到控制器的电缆;固定传感器的构件;有待传感器检测的短轴;和将信号从传感器传送到微型计算机的控制电路。微动开关也需要许多辅助部件，而且长期使用时其可靠性会因机械接触而变差。

动作原点的再现性或精确度与每个原点检测器的精密度有关。通常这类传感器的精密度对要求高度精确设定波长的一般分光光度计来说是不够高的。为达到一般分光光度计所要求的再现性或精确度，高价优质的传感器、复杂的机构和熟练的调节技巧是必不可少的。

因此，本发明总的目的是提供一种改进的分光光度计，本发明的具体目的是提供一种带有确定三个驱动机构动作原点的结构简单的检测机构的分光光度计。

上述和其它有关目的是由本发明的分光光度计实现的，它包括：

a）至少两个光源（例如，紫外光光源和可见光光源）;

b）光源切换机构，用以摆动光源反射镜，使其中一个光源射来的光反射到分光光度计的入射狭缝上;

c）分光元件（例如，衍射光栅或棱镜），用以将通过入射狭缝来的光分离成一系列单色分量的光;

d）分光元件驱动机构，用以转动分光元件，使分离出来的光投射到分光光度计的出射狭缝上，该分光元件驱动机构包括粗略原点检测器，用以检测分光元件运动的大致原点;

e）滤光片架，装有多个滤光片（例如，采用衍射光栅作为分光元件时截止高级次衍射光用的短波长截止滤光片或带通滤光片）;

f）滤光片选择机构，用以将其中一个滤光片安置到分光光度计的光路上，该滤光片选择机构包括限制滤光片架运动范围的止动件;

g）光度计，用以测定从出射狭缝射出的光;和

h）控制器，用以

ⅰ）使滤光片架的一端接触止动件，从而确定滤光片运动的原点;

ⅱ）利用粗略原点检测器确定分光元件的大致原点;和

ⅲ）测定光度计检测到最大光强时所处的位置，从而确定光源反射镜运动的原点和分光元件机构运动的精确原点。

光源反射镜运动的原点可按下列步骤确定：

ⅰ）接通其中一个光源;

ⅱ）摆动光源反射镜;然后

ⅲ）确定光度计检测到最大光强时光源反射镜的位置。

分光元件运动的精确原点可按下列程序确定：

ⅰ）根据光源反射镜的运动原点将光源反射镜安置到光源的最强光照射分光元件的位置;

ⅱ）将分光元件转到利用大致原点使零级衍射光照射到光度计上的位置;

ⅲ）确定在光度计检测出最大光强时分光元件运动的精确原点。

不检测最大光强时的位置而检测由光度计测得的线状光谱图与光源已知的线状光谱图一致时分光元件的位置，也可以确定分光元件运动的精确原点。

从下面对最佳实施例连同附图的详细说明可以清楚了解本发明的上述和其它目的及特点。

图1的平面图示出了实现本发明分光光度计的光源和衍射光栅;

图2是光源切换机构和会聚反射镜的平面图;

图3是图2的光源切换机构的平面图;

图4是图2的光源切换机构的侧视图;

图5是滤光片选择机构的正视图;

图6是图5的滤光片选择机构的平面图;

图7是衍射光栅转动机构的正视图;

图8是图7的衍射光栅转动机构的平面图;

图9是现有技术分光光度计的典型结构的原理图;

图10是本发明实施例的分光光度计的控制系统方框图;

图11是确定分光光度计三个驱动机构的动作原点的控制器的控制流程图。

现在参看各附图说明本发明的最佳实施例。本实施例的分光光度计包括两个光源1和2，入射狭缝13，一些可选择的滤光片6，作为分光元件的衍射光栅9，出射狭缝14，固定试样用的试样固定件16，和光度计12，这些部件如图9所示那样配置。两个光源1和2由光源切换装置20进行切换，滤光片6由滤光片选择机构19选择，衍射光栅9则由衍射光栅转动机构18带动转动，所有这些都由图10所示的包括微型计算机的控制器50按一定程序进行控制。每个驱动机构18、19或20采用步进电机作为其驱动源，驱动机构18、19和20的步进电机与控制器50连接，控制器50根据存储在其中的预定程序控制各步进电机（即驱动机构18、19和20）。

图1示出了本实施例的分光光度计包括光源和单色仪在内的部分。鉴于本实施例的分光光度计既在紫外光区也在可见光区工作，因而它有两个灯，一个是紫外光灯1，另一个是可见光灯2。在图1的光学和机械系统中，光源切换机构20、滤光片选择机构19、衍射光栅转动机构18、入射狭缝13和出射狭缝14都装设在公用底座17上。

与图9中所示的现有技术的分光光度计不同，本实施例的分光光度计的所有驱动机构18、19和20中没有原点检测传感器。只有衍射光栅转动机构18有一个粗略原点传感器（光电传感器）21，用以检测衍射光栅9运动（转动）的大致原点。粗略原点传感器21也与控制器50连接。另外两个驱动机构19和20都没有任何这类位置传感器或角度传感器。

现在说明确定机构运动原点的各机构的工作情况。

光源切换机构20摆动会聚反射镜3，并将来自紫外光源1或可见光源2的光通量会聚到单色仪的入射狭缝13上。图2至4示出了光源切换机构20的实例。步进电机22的转动从步进电机22输出轴上的小齿轮28减速传递到切换齿轮23上，切换齿轮23绕固定在光源切换机构20的底座29上的短轴24转动。会聚反射镜3由镜夹持器27夹持着，夹持器27则绕通过凹面会聚反射镜3顶端的垂直线转动。镜夹持器27由公用底座17上的轴承支撑着。开关连杆26固定在镜夹持器27 上，由弹簧（图中未示出）将其推动到竖在切换齿轮23周边上的短轴25上。

小齿轮28和切换齿轮23将步进电机22的转速降低到六分之一，切换齿轮23上的短轴25以步进电机22转速的六分之一作圆周运动。短轴25转动时，被推到短轴25上的开关连杆26绕镜夹持器27的转动中心摆动，会聚镜3也是如此。在本实施例中，切换齿轮23的转动中心和镜夹持器27的转动中心以及开关连杆26的长度被设计得在短轴25转一圈时使开关连杆26的摆动角度（即会聚镜3的摆动角度）大致等于30度。两个光源1和2配置在相对于会聚镜3的摆动中心等于或小于60度角的范围。这样，来自两个光源中任一个光源的光就被会聚镜3反射而会聚在入射狭缝13上。在本实施例中，齿轮28和23的转动及开关连杆26的运动都不受限制，且步进电机22可以不停地转动，从而使开关连杆26和会聚镜3能自由摆动30度角左右。光源切换机构20没有装设检测会聚镜3摆动原点的传感器。

图5和图6示出了滤光片选择机构19。滤光片选择机构19的底座31上固定有带入射狭缝13的薄狭缝板和步进电机30。多个根据分光光度计的波长范围制备的高级次光截止滤光片6由滤光片架33固定住，滤光片架33可绕固定在底座31上的短轴38转动。扇形齿轮32用螺钉（图中未示出）固定到滤光片架33上，滤光片架33则与固定在步进电机30的输出轴上的小齿轮37啮合。齿轮37和32的齿轮比被设计得使步进电机30的转速减少到十分之一。在用于可见和紫外光谱的分光光度计的一般配置中，滤光片6由三个通过较长波长的短波长截止滤光片和两个通过较短波长的带通滤光片组成。除五个滤光片6外，滤光片架33还有一个孔眼36。这五个滤光片6和孔眼36被安排得绕扇形齿轮32的转动中心排成弧形，从而使得步进电机30带动滤光片架33连同扇形齿轮32一起转动时，滤光片6中的一个或孔眼36遮住入射狭缝13。在本实施例中，滤光片6和孔眼36相隔15度等间距配置。由于步进电机30的转速减到十分之一，因而步进电机30的输出轴转150度就足以将一个滤光片切换到另一个滤光片（或孔眼36）。这里设孔眼36，为的是使通过入射狭缝13的最强光直接射到分光元件上，并在测量中利用最大光能。在极短波长的范围，不存在适当的带通玻璃滤光片且高级次光不进入光路的情况，可以使用孔眼36。

底座31上形成有两个止挡，用作限制滤光片架33连同扇形齿轮32（这个组合件以下称之为扇形齿轮/滤光片架组合件）转动的止动件35a和35b。图5中，当顺时针驱动扇形齿轮32使其超出预定范围时，扇形齿轮/滤光片架组合件的一端40（实际上是滤光片架33的一端）与止动件35a接触。另一方面，逆时针驱动扇形齿轮32使其超出预定范围时，扇形齿轮/滤光片架组合件的另一端39（实际上是扇形齿轮32的一端）与另一个止动件35b接触。止动件35a和35b的位置以及扇形齿轮/滤光片架组合件的端部40和39被设计得确保滤光片架33的转动角度足以使五个滤光片6和孔眼36能安置在通过入射狭缝13的光路上。由于五个滤光片6和孔眼36按15度的间隔配置，所以扇形齿轮32需要的转动角为15×（6-1）＝75度。扇形齿轮32的实际转角取78度，比要求的最小角大3度。

接通分光光度计的电源时，扇形齿轮32和滤光片架33的位置是不定的。在本实施例如此结构的机构中，驱动步进电机30直到扇形齿轮/滤光片架组合件的任一端与止动件35b或35a接触为止，这时无需使用特定的传感器就可以确定滤光片选择机构19的动作原点（或滤光片架33的运动原点）。扇形齿轮32顺时针或逆时针转过预定的角度（即78度角）时，扇形齿轮/滤光片架组合件的端部39或40与止动件35a或35b接触。当齿轮37和32的减速比为1/10时，步进电机30使滤光片架转动78度所需要的转角为780度（两转加60度）。若步进电机30被驱动到满780度，则在端部39或40接触止动件35a或35b之后，步进电机30进入紊乱状态。如果步进电机30的转矩和转速选择得正确，使加到步进电机30上的负荷和作用到齿轮37和32的齿上的压力小，则上述情况不会产生实际问题。此外，原点确定程序只在步进电机的启动时间执行一次，在以后的正常运转期间，步进电机30不会进入这种紊乱状态，因为正常运转是在如此确定的原点的基础上进行的。最好取滤光片6和孔眼36的尺寸充分大于所通过光束尺寸。在这种情况下，对滤光片选择机构 19的动作原点精确度的要求就会比对衍射光栅转动机构18或光源切换机构20的相应要求低。

图7和图8示出了衍射光栅转动机构18。沿着a线通过入射狭缝13射来的白光为凹面衍射光栅9所反射、衍射和会聚，入射狭缝13的单色光图象聚焦到出射狭缝14上。带动衍射光栅9转动的电机组合件（包括步进电机和减速装置）固定在底座45上。夹持衍射光栅9的衍射光栅夹持件44固定在电机组合件41的输出轴上，并绕通过衍射光栅9顶端的垂直线转动。衍射光栅9被电机组合件41驱动绕垂直线转动时，聚焦到出射狭缝14的单色光的波长处于扫描状态。我们设置，图8中，凹面衍射光栅9顶端处的法线与连接该顶端和出射狭缝14的连线b之间的夹角，在发射出零级光时为26度，并且衍射光栅9的栅格常数为1/900毫米。分光光度计的最大波长为900纳米时，为了使聚焦到出射狭缝14上的从零级光（直接反射）到最大波长光的单色光扫描，衍射光栅9的转动角度约为30度。

光电传感器43检测出从衍射光栅夹持件44突出的短轴42，从而确定衍射光栅9转动的大致原点。传感器43并不是用来确定波长扫描的精确原点，因而其检测的精确度无需过高。

衍射光栅转动机构18是高度精确测定分光光度计波长的一个必不可少的元件，因而要求它有很高的精确度和再现性。例如，在本实施例中，分光光度计的波长范围为0至900纳米，衍射光栅9的转角为30度。为简单起见，假设衍射光栅9的转角与聚焦到出射狭缝上的单色光的波长，它们之间成线性关系。分光光度计的波长精确度在±1纳米的范围时，对衍射光栅转角再现性的要求为±30/900＝±0.033度或更小。设置短轴42的转动半径为15毫米时，传感器43检测出的短轴42位置的精确度和再现性应为：±（15±2π×0.033/360）＝±0.0086毫米＝±8.6微米。用市售的廉价传感器是达不到如此高的精确度的。

相反，本实施例的传感器43，其检测的精确度能降低到这样的程度，即只要衍射光栅9能使单色光聚焦到出射狭缝14上。换句话说，当紫外光源1或可见光源2的光透过入射狭缝13射到衍射光栅9时，如果任何单色光都能透过出射狭缝14射出，则传感器43的精确度就足够了。具体地说，用可见光源时在波长方面所要求的精确度约为200纳米，因而对传感器43要求的精确度约为±0.8毫米，比先前计算的精确度（±8.6微米）要求宽100倍。甚至市售廉价的光电传感器也可以达到这个精确度。

然后用如此确定得出的大致原点来确定衍射光栅转动机构18的精确原点。首先，及时令衍射光栅9转动预定角度，使其达到预置的起始探索位置，这个位置预定在零级光聚焦到出射狭缝14时所在的位置附近。然后从起始探索位置开始，令衍射光栅9慢慢转动一个小角度，同时测定从出射狭缝14射出的光的光强。精确的原点可以根据从出射狭缝14出来的光（零级光或任何单色光）局部最强时衍射光栅9所处的位置来确定。我们可以将光度计检测出的线状光谱图与光源的已知线状光谱图相比较，而无需测定局部的最大光强：检测出的线状光谱图与已知的线状光谱图一致时，即可确定原点。当采用氘灯作为紫外光源时，最大光强检测法或线状光谱图匹配法都可以用，而当采用钨碘可见光源时，实践上只用最大光强法。

如果事先没有大致原点可供参考，可以令衍射光栅转动机构18使衍射光栅转动360度，以找出最大位置。但在本实施例的系统中，由于可以用大致原点计算出最大光强的探索起始点，因而探索时间缩短到最短程度。这样既缩短了精确原点的确定时间，又简化了衍射光栅转动机构18。

总起来说，本发明分光光度计的控制器50，如图11中所示的那样，控制三个机构18、19和20，使分光光度计进入初始状态（即确定驱动机构18、19和20各自的原点）。接通分光光度计时，驱动机构18、19和20的各步进电机的转动位置是不定的。控制器50首先带动滤光片选择机构19的滤光片架23转动，直到它接触止动件为止（步骤S1）。这确定了滤光片选择机构19的原点。然后令滤光片架33相对于该原点转动预定的角度，使孔眼转到入射狭缝13的位置（步骤S2）。接着，在衍射光栅转动机构18中用粗略原点传感器21确定大致原点（步骤S3）。根据大致原点，使衍射光栅9转到零级光（即，从入射狭缝13直接反射来的光）聚焦到出射狭缝14时的预定位置（步骤S4）。衍射光栅9的这个位置可以根据分光光度计的几何尺寸预先确定。

这时令光源切换机构20的会聚镜3摆动预定的角度，并确定光源切换机构20对应于其中一个光源的原点，这时，光度计12检测出的光强最大（步骤S5）。以类似的方式确定光源切换机构20对应于另一个光源的另一个原点。这里可以确定两个光源1和2的光源镜3运动的单一的公共原点。最后，同样用光度计12确定衍射光栅转动机构18的精确原点（步骤S6）。

在本发明的系统中，用一个精确度低的角位置传感器就能相当精确地检测出分光光度计的三个驱动机构（即光源切换机构、滤光片选择机构和衍射光转动机构）的动作原点。这样，本发明的系统既简化了驱动机构和控制电路，从而降低成本，提高生产率，又提高了系统的可靠性。本发明最好应用于带凹面衍射光栅的分光光度计上。

Claims (7)

1、一种分光光度计，其特征在于，它包括：

a)至少两个光源；

b)光源切换机构，用以摆动光源反射镜，使从其中一个光源来的光反射到分光光度计的入射狭缝上；

c)分光元件，用以将透过入射狭缝射来的光分离成一系列单色分量的光；

d)分光元件驱动机构，用以带动分光元件转动，使经分离的光投射到分光光度计的出射狭缝上，该分光元件驱动机构包括粗略原点检测器，用以检测分光元件运动的大致原点；

e)包括多个滤光片的滤光片架；

f)滤光片选择机构，用以将其中一个滤光片安置在分光光度计的光路上，该滤光片选择机构包括用以限制滤光片架运动的止动件；

g)光度计，用以测定从出射狭缝射出的光；

h)控制器，用以

i)使滤光片架的一端与止动件接触，从而确定滤光片运动的原点；

ii)利用粗略原点检测器确定分光元件的大致原点；和

iii)测定光度计检测出最大光强时所在的位置，从而确定光源反射镜运动的原点和分光元件机构运动的精确原点。

2、根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，所述分光元件是衍射光栅。

3、根据权利要求2所述的分光光度计，其特征在于，控制器按下列步骤确定光源反射镜的运动原点：

ⅰ）接通其中一个光源;

ⅱ）摆动光源反射镜;

ⅲ）确定光度计检测出最大光强时光源反射镜的位置。

4、根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，控制器按下列步骤确定分光元件运动的精确原点：

ⅰ）根据光源反射镜的运动原点将光源反射镜安置到光源的最强光照射分光元件的位置;

ⅱ）将分光元件转到利用大致原点使零级衍射光照射到光度计上的位置;

ⅲ）确定在光度计检测出最大光强时分光元件运动的精确原点。

5、根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，控制器通过检测光度计测得的线状光谱图与光源的已知线状光谱图一致时光源反射镜的位置来确定光源反射镜运动的原点。

6、根据权利要求4所述的分光光度计，其特征在于，控制器通过检测光度计测出的线状光谱图与光源已知的线状光谱图一致时分光元件的位置来确定分光元件运动的精确原点。

7、根据权利要求6所述的分光光度计，其特征在于，滤光片架包括不带滤光片的孔眼，且控制器使滤光片选择机构在确定光源反射镜运动的原点和分光元件运动的精确原点之前，将孔眼置于分光光度计的光路中。

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