CN103424241A - 凹面光栅衍射特性检测装置 - Google Patents

Abstract

一种凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于，包括：单色光发射部；检测对象安装部，被设置在所述单色光的光路上；探测部，用于探测所述单色光经过所述凹面光栅或所述凹面标准反射镜后所形成的出射光；驱动参数存储部，用于存储决定所述固定部和所述探测器位置的位置参数；驱动部；获取计算机部，用于获取所述探测器探测到的光学参数并且根据所述光学参数来进行采集、记录、分析以及处理；控制部。

Description

凹面光栅衍射特性检测装置

技术领域

本发明涉及光栅光谱检测领域，特别涉及一种电动可调式凹面光栅衍射效率、衍射光谱分辨率、衍射光谱中心线位置等特性的凹面光栅衍射特性检测装置。

背景技术

凹面光栅又称罗兰光栅，是一种既能衍射入射光又能聚焦成像的光学器件。凹面光栅的衍射效率、衍射光谱分辨率和衍射光谱中心线位置偏差等特性将决定凹面光栅光谱仪的精度。如何在凹面光栅光谱仪生产中快速检定凹面光栅的衍射参数，成为当前凹面光栅生产厂商和凹面光栅光谱仪生产厂家迫切需要解决的问题。

专利CN86107454A公开了一种I型凹面光栅分度误差的检测方法，通过两个凹面反射镜的焦点重合，使得凹面光栅反射的正负光谱的衍射光束形成干涉条纹，利用干涉条纹检测凹面光栅的分度精度，其中安装反射镜的工作台可三维运动；专利CN101995327A公开了一种凹面光栅衍射效率的检测光路，通过入射光臂、出射光臂和光栅转台、光电倍增管形成单色仪光路，分时将凹面标准反射镜和凹面光栅放入光栅转台，通过光电倍增管先后接收反射光通量完成衍射效率的测量，入射光臂、出射光臂臂长可调，入射光臂、出射光臂及凹面光栅的光学夹角不能自动调节，测量过程需更换凹面标准反射镜，无法实现全自动测试功能；专利CN201364396Y公开了一种监测全息凹面光栅曝光衍射效率的监测系统，利用He-Ne激光、He-Cd激光、凹面光栅、光功率计测定凹面光栅曝光衍射效率，实现了一种凹面光栅参数的实时测量。上述文献主要给出了凹面光栅单一成像光路、单一测量参数的装置结构和测量方法，对凹面光栅不同成像光路、不同特性参数的测量难以同时完成，不适于多型号凹面光栅的自动化检测需要，也就无法在凹面光栅光谱仪生产中快速测定不同凹面光栅的衍射参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动可调式的凹面光栅衍射效率、衍射光谱分辨率、衍射光谱中心线位置等特性的快速检测装置，满足多型号凹面光栅的快速自动化监测，能在快速测定出不同凹面光栅的衍射参数。

本发明提供的一种基于凹面标准反射镜对凹面光栅的衍射特性进行检测的凹面光栅衍射特性检测装置，具有这样的特征，包括：单色光发射部，用于发射单色光； 检测对象安装部，被设置在单色光的光路上，包含设有凹面标准反射镜和与凹面标准反射镜反侧安装并固定的凹面光栅的固定部、调节固定部与单色光发射部之间距离和单色光与凹面光栅之间角度的第一底架部；探测部，用于探测单色光经过凹面光栅或凹面标准反射镜后所形成的出射光，包含接收衍射光的探测器、能使探测器在与单色光垂直方向上和与单色光水平方向上位置调节的第二底架部；驱动参数存储部，用于存储决定固定部和探测器位置的位置参数；驱动部，用于根据位置参数驱动检测对象安装部、探测部；获取计算机部，用于获取探测器探测到的光学参数并且根据光学参数来进行采集、记录、分析以及处理；控制部，用于控制驱动部、存储部、获取计算机部以及单色光发射部，其中，固定部安装在第一底架部上，且用于接收单色光的光源；探测器安装在第二底架部上。

本发明提供的凹面光栅衍射特性检测装置，还可以具有这样的特征：其中，第一底架部设有一维电动平移台，包含第一支架、安装在第一支架中的第一滚珠丝杠、用于驱动第一滚珠丝杠在第一电机，第一底架部还设有可360°旋转的第一电动转台，第一电动转台安装在第一滚珠丝杠上，固定部安装在第一电动转台上。

本发明提供的检测装置，还可以具有这样的特征：其中，第二底架部设有二维电动平移台，包含与单色光的光路垂直的垂直杆部、与单色光的光路平行的平行杆部，第二底架部还设有可360°旋转的第二电动转台，探测器安装在第二电动转台上，垂直杆部包含第二支架、安装在第二支架中的第二滚珠丝杠、用于驱动第二滚珠丝杠的第二电机，第二电动转台安装在第二滚珠丝杠上，平行杆部包含第三支架、安装在第三支架中的第三滚珠丝杠、用于驱动第三滚珠丝杠的第三电机，第二支架安装在第三滚珠丝杠上。

本发明提供的凹面光栅衍射特性检测装置，还可以具有这样的特征：其中，第一底架部设有厚垫块，第一电动转台安装在厚垫块上，使第一电动转台的高度和第二电动转台的高度相同。

本发明提供的检测装置，还可以具有这样的特征：其中，获取计算机部包含通信电缆和线阵CCD读取记录计算机，通信电缆与探测器连接，线阵CCD读取记录计算机与通信电缆连接。

本发明提供的凹面光栅衍射特性检测装置，还可以具有这样的特征：其中，位置参数包括单色光的波长、凹面光栅的曲率半径、正被检测的凹面光栅与单色光发射部之间的入射距离、单色光与凹面光栅的第一法线之间的第一夹角、出射光与凹面光栅的第一法线之间的第二夹角、探测器与正被检测的凹面光栅之间的出射距离、探测器的第二法线与单色光之间的第三夹角。

本发明提供的凹面光栅衍射特性检测装置，还可以具有这样的特征，还包括：显示告知部，用于显示控制部、获取计算机部的信息和告知凹面光栅的合格参数。

本发明的效果在于：针对不同的入射光的光波长度和不同型号的凹面光栅，通过固定装置在一维电动平移台上的滑动和定位，光纤出光孔与被测凹面光栅、凹面标准反射镜之间的入射光臂的长度可以自动调节，并且，又由于线阵CCD探测器可以在二维电动平移台上的滑动和定位，在第一电动转台和第二电动转台的360°旋转驱动下，那么出射光臂的长度、入射光与凹面光栅的第一法线之间的第一夹角以及出射光与凹面光栅的第一法线之间的第二夹角都可以根据要求也可以自由调节。线阵CCD探测器可以调节接受出射光的角度，即、探测器的第二法线与入射光之间的第三夹角实现自由调节，实现了接受光谱的平场化处理，为衍射光谱分辨率、衍射光谱中线位置等参数提供检测数据采集基础。因为二维电动平移台、一维电动平移台、第一电动转台以及第二电动转台都实现在线检测、自动化操作并且重复定位精度高，所以可以组成多种成像光路，快速、方便以及精准的进行凹面光栅的衍射效率、衍射光谱分辨率以及衍射光谱中心线位置等参数的在线测量，能够广泛应用在凹面光栅的检测领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中实施例中凹面光栅衍射特性检测装置的结构框图；

图2是本发明中实施例的装置示意图；

图3是本发明中实施例的局部放大图；

图4是本发明中实施例的一维电动平移台的剖视图；

图5是本发明中实施例的第一底架部的立体图；

图6是本发明中实施例的第二底架部的立体图；

图7是本发明中实施例的驱动参数存储部中位置参数的结构说明图。

具体实施案例

图1是本发明中实施例的凹面光栅衍射特性检测装置的结构框图。

如图1所示，本发明提供的一种凹面光栅衍射特性检测装置100，设有控制部1，用于总体上控制驱动参数存储部2、驱动部3、获取计算机部4、单色光发射部5，其中驱动部3会根据驱动参数存储部2的参数来对探测部6和检测对象安装部7进行控制驱动，单色光发射部5也可根据控制部的命令对检测安装部7发射不同信号，探测部6还与获取计算机部4连接，获取计算机部4通过探测部进行采集、记录、分析以及处理。

图2是本发明中实施例的装置示意图。

如图2所示，本发明提供的一种凹面光栅衍射特性检测装置，其中，单色光发射部5包含波长可设定的光纤单色仪5a、光纤5b以及光纤出光孔5c。

在光学平板8上安装有被测对象安装部6、探测部7，

其中，被测对象安装部6设有固定装置9、一维电动平移台10以及第一电动转台11，一维电动平移台10的运动路径与单色光12的光线平行。

探测部6设有线阵CCD探测器13、二维电动平移台14以及第二电动转台15，二维电动平移台14设有与单色光13垂直的垂直杆部16、与单色光13平行的平行杆部17。

线阵CCD探测器13安装在第二电动转台15上，固定装置9安装在第一电动转台10上。

图3是本发明中实施例的局部放大图。

如图3所示， 第一电动转台11设有第一台面11a、可以驱动第一台面11a360°旋转的第四电机11b，固定装置9安装在第一台面11a上，用于固定被测的凹面光栅18和凹面标准反射镜19。其中，被测凹面光栅18和凹面标准反射镜19是背对背设置的，并且被测凹面光栅18和凹面标准反射镜19关于第一台面11a的中心对称，即、在第四电机11b的驱动下，通过第一台面11a的180°旋转，被测的凹面光栅18的位置和凹面标准反射镜19的位置可以达到互换。根据被测凹面光栅18的不同需要匹配不同的凹面标准反射镜19，因此被测的凹面光栅18和凹面标准反射镜19可以从固定装置9中方便快速的安装或者取下。

第二电动转台15设有第二台面15a、可以驱动第二台面15a360°旋转的第五电机15b，线阵CCD探测器13被安装在第二台面15a上。

图4是本发明中实施例的一维电动平移台的原理示意图。

如图4所示，一维电动平移台10中包含了第一支架10a、安装在第一支架10a中的第一螺杆10b、驱动第一螺杆10b转动的第一电机10c以及与第一螺杆10b匹配的第一螺母部件10d，当第一螺杆10b转动时，第一螺母部件10d就会沿着第一螺杆10b的方向来回运动和定位。

图5是本发明中实施例的第一底架部的立体图。

如图5所示，第一底架部200包含一维电动平移台10和第一电动转台11，第一电动转台11安装在一维电动平移台10上，其中设有一厚垫块20，第一电动转台11安装在厚垫块20上，用于增加第一电动转台11的高度，消除二维电动平移台14与一维电动平移台10之间的高度差，使得第一电动转台11和第二电动转台15处于同一高度内。在第一电机10c的驱动下，第一电动转台11可以沿着一维电动平移台10的方向来回滑动和定位。

图6是本发明中实施例的第二底架部的立体图。

如图6所示，第二底架部300包含二维电动平移台14和第二电动转台15，第二电动转台15安装在二维电动平移台14上，同样的，二维电动平移台14中的垂直杆部16、平行杆部17与一维电动平移台10的结构原理相同。

垂直杆部16包含第二支架16a、安装在第二支架16a中的第二滚珠丝杠16b、用于驱动第二滚珠丝杠16b的第二电机16c。平行杆部17包含第三支架17a、安装在第三支架17a中的第三滚珠丝杠17b、用于驱动第三滚珠丝杠17b的第三电机17c。

由于第二支架16a是安装在第三滚珠丝杠17b上的，即、垂直杆部16可以沿着平行杆部17的方向自由滑动和定位，并且垂直杆部16始终保持与平行杆部17垂直。

图7是本发明中实施例的驱动参数存储部2中位置参数的结构说明图。

如图7所示，驱动参数存储部2内以列表的形式存储有针对不同单色光波长、不同型号的凹面光栅的位置参数，例如单色光的波长λ21、凹面光栅的曲率半径X22、正被检测的凹面光栅与单色光发射部的入射距离M23、单色光与凹面光栅的第一法线之间的第一夹角α角24、出射光与凹面光栅的第一法线之间的第二夹角β角25、探测器与正被检测的凹面光栅之间的出射距离N26、探测器的第二法线与单色光之间的第三夹角γ角27。驱动参数存储部中存储有针对不同入射光波长、不同曲率半径的凹面光栅所对应的一组组数据。

如图1-7所示，本实施例中，光学平板8采用上海联谊光纤器械厂的OM-SP-28光学平板，材料为航空铝材，尺寸为500mm*600mm*19mm。光纤单色仪5a采用海洋光学公司的MonoScan2000光纤光学扫描式单色仪，光纤5b采用海洋光学公司的QP200-2-UV-VIS光纤，满足300-800nm的最大通光效率需求，通过光纤5b将波长441.6nm的单色光导入光纤出光孔5c，光纤出光孔5c采用海洋光学公司的GERSHUN管具对光纤出射光孔进行限制，光纤出射端面的数值孔径为0.22。

当单色光12的波长设定为441.6nm、凹面光栅18的曲率半径经过设定为80mm。单色光12投射到被测凹面光栅18上，被测的凹面光栅18可以为刻线数不同的不同型号的常规凹面光栅，由厂家提供。

一维电动平移台10将输送固定装置9在单色光12入射光路上达到要求的距离，正被检测的所述凹面光栅18与所述单色光发射部5之间的入射距离为72.02mm。一维电动平移台10的运动轴线与单色光12平行，并且单色光12、被测的凹面光栅18、凹面标准反射镜19以及线阵CCD探测器13处于同一个平面内。其中，一维电动平移台10采用上海联谊光纤器械厂的ALB-m-150 1X，可提供一维150mm行程运动、2um的重复定位精度。

第一电动转台11旋转带动位于第一台面上11a的固定装置9旋转，使单色光12与凹面光栅18的第一法线28之间的第一夹角为2.164°当单色光12经过被测凹面光栅18发生衍射后形成衍射光；当单色光12经过凹面标准反射镜19后形成反射光。

由凹面光栅成像关系可以得出此时被测凹面光栅的成像焦平面位置，根据驱动参数存储部2的位置参数，二维电动平移台14通过调节垂直杆部16、平行杆部17将输送CCD探测器13处于成像焦平面位置，CCD探测器13与正被检测的所述凹面光栅18之间的出射距离为68.13mm，使出射光与凹面光栅18的第一法线28之间的第二夹角为31.63°。其中，二维电动平移台采用上海联谊光纤器械厂ALB-m-150 2XY，提供二维150mm行程运动、2um的重复定位精度。

第二电动转台15旋转带动位于第二台面15a上的CCD探测器13旋转，使得线阵CCD探测器13的第二法线29与单色光12之间的第三夹角为40.10°。其中，第二电动转台15采用上海联谊光纤器械厂的TRB-m-1-1-N一维转台，可360°自由旋转，重复定位精度0.05°，使得线阵CCD探测器13处于成像焦平面位置，线阵CCD探测器13选用TOSHIBA的TCD1304DG线阵CCD芯片，探测器像素尺寸为8um*200um、像元数3648，驱动、通信电路自制。此时，线阵CCD探测器13正好处于出射光的光谱成像面上，通过线阵CCD探测器13的旋转实现对衍射光谱的平场化。线阵CCD探测器13拍摄此时成像的衍射光谱，经通信电缆4a传入线阵CCD读取记录计算机4b，线阵CCD读取记录计算机4b对衍射光谱进行采集、记录、分析和处理，可以得到衍射光谱分辨率、衍射光谱的位置以及光谱中心线位置等参数。其中，通信电缆4a采用超五类网线，线阵CCD读取记录计算机4b选用常规工控机，运行软件自编。

需要得到被测凹面光栅18的衍射效率时，只需要驱动第一电动转台11，第一电动转台11采用上海联谊光纤器械厂的TRB-m-1-1-N一维转台，可360°自由旋转，重复定位精度0.05°，使得与被测凹面光栅18相背设置的标准凹面反射镜19旋转到当前被测凹面光栅18所处的角度位置，被测凹面光栅18的位置和凹面标准反射镜19的位置可以互换。其中，凹面标准反射镜19与凹面光栅18尺寸参数、材料相同，由厂家提供。同样的，与检测被测凹面光栅18时位于同一位置的线阵CCD探测器13来接收凹面标准反射镜19的反射光通量，通过凹面光栅衍射效率公式计算后，可得到凹面光栅衍射效率，即将被测凹面光栅18的衍射光通量与标准凹面反射镜19的反射光通量比就可得到被测凹面光栅18的衍射效率。

发明的作用与效果

本发明的作用和效果在于：

在控制部总体控制下，针对不同的入射光波长和不同型号的凹面光栅，入射光的入射距离达到自动调节。

出射光的出射距离、入射光与凹面光栅的第一法线之间的第一夹角以及出射光与凹面光栅的第一法线之间的第二夹角都可以根据要求也可以自由调节。

而且，探测部的第二法线与入射光之间的第三夹角的自由调节，实现了接受光谱的平场化处理，为衍射光谱分辨率、衍射光谱中线位置等参数提供检测数据采集基础。

因为二维电动平移台、一维电动平移台、第一电动转台以及第二电动转台都可以在线检测、自动化操作并且重复定位精度高，所以可以组成多种成像光路，快速、方便以及精准的进行凹面光栅的衍射效率、衍射光谱分辨率以及衍射光谱中心线位置等参数的在线测量，能够广泛应用在凹面光栅的检测领域。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。本发明中的第一底架部、第二底架部不仅限为优选案例中的一维电动平移台、二维电动平移台的构造，也可以为能使入射距离可调，并且使被测对象部和探测器的相对位置、角度能自由定位的其他构造。

驱动形式也不仅限为优选案例中的电动可调式，也可采用其他例如机械式定位等。

本发明中还可以包括显示告知部，用于显示所述控制部、获取计算机部的详细信息和告知所述凹面光栅的详细参数、是否合格。

本发明中驱动参数存储部不仅限于存储上述位置参数，还可以存储有其他参数，例如被测的凹面光栅刻线数量等。

另外，光纤单色仪采用海洋光学公司的MonoScan2000光纤光学扫描式单色仪可以输出300-700nm、通光带2-3nm的单色光，如果需要其他波段，可利用宽带光源、分光器件自做。

Claims (7)

1.一种基于凹面标准反射镜对凹面光栅的衍射特性进行检测的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于，包括：

单色光发射部，用于发射单色光；

检测对象安装部，被设置在所述单色光的光路上，包含设有所述凹面标准反射镜和与所述凹面标准反射镜反侧安装并固定的所述凹面光栅的固定部、调节所述固定部与所述单色光发射部之间距离和所述单色光与所述凹面光栅之间角度的第一底架部；

探测部，用于探测所述单色光经过所述凹面光栅或所述凹面标准反射镜后所形成的出射光，包含接收所述衍射光的探测器、能调节所述探测器在与所述单色光相垂直的方向上和与所述单色光相平行的方向上位置的第二底架部；

驱动参数存储部，用于存储决定所述固定部和所述探测器位置的位置参数；

驱动部，用于根据所述位置参数驱动所述检测对象安装部、所述探测部；

获取计算机部，用于获取所述探测器的参数并且进行记录、分析以及处理；

控制部，用于控制所述驱动部、存储部、获取计算机部以及单色光发射部，

其中，所述固定部安装在所述第一底架部上，且用于接收所述单色光的光源；所述探测器安装在所述第二底架部上。

2.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于：

其中，所述第一底架部设有一维电动平移台，包含第一支架、安装在所述第一支架中的第一滚珠丝杠、用于驱动所述第一滚珠丝杠在第一电机，所述第一底架部还设有可360°旋转的第一电动转台，所述第一电动转台安装在所述第一滚珠丝杠上，所述固定部安装在所述第一电动转台上。

3.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于：

其中，所述第二底架部设有二维电动平移台，包含与所述单色光的光路垂直的垂直杆部、与所述单色光的光路平行的平行杆部，所述第二底架部还设有可360°旋转的第二电动转台，所述探测器安装在所述第二电动转台上，

所述垂直杆部包含第二支架、安装在所述第二支架中的第二滚珠丝杠、用于驱动所述第二滚珠丝杠的第二电机，所述第二电动转台安装在所述第二滚珠丝杠上，

所述平行杆部包含第三支架、安装在所述第三支架中的第三滚珠丝杠、用于驱动所述第三滚珠丝杠的第三电机，所述第二支架安装在所述第三滚珠丝杠上。

4.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于：

其中，所述第一底架部设有厚垫块，所述第一电动转台安装在所述厚垫块上，使所述第一电动转台的高度和所述第二电动转台的高度相同。

5.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于：

其中，所述获取计算机部包含通信电缆和线阵CCD读取记录计算机，所述通信电缆与所述探测器连接，所述线阵CCD读取记录计算机与所述通信电缆连接。

6.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于：

其中，所述位置参数包括所述单色光的波长、所述凹面光栅的曲率半径、正被检测的所述凹面光栅与所述单色光发射部之间的入射距离、所述单色光与所述凹面光栅的第一法线之间的第一夹角、所述出射光与所述凹面光栅的第一法线之间的第二夹角、所述探测器与正被检测的所述凹面光栅之间的出射距离、所述探测器的第二法线与所述单色光之间的第三夹角。

7.根据权利要求1中所述的凹面光栅衍射特性检测装置，其特征在于，

还包括：显示告知部，用于显示所述控制部、获取计算机部的信息和告知所述凹面光栅的合格参数。

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