CN105043540B - 一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构 - Google Patents

Abstract

一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构，属于光谱仪分光系统技术领域，包括：固定架、挡片、压圈、螺栓、转接板、底座、调节机构；转接板将底座和调整机构连接在一起，固定架用于放置光栅；压片和压圈用于固定光栅和遮挡边缘，底座固定在光路系统中。通过调节螺纹副和弹簧能够实现光栅俯仰、倾斜及相对系统滚转等方位±3°范围内的连续微动调节，消除加工、组装等工序可能引入的误差，使光路达到设计要求；同时，光栅固定架的挡片和压圈能够保证光栅相对位置稳定，避免单点受力带来光栅形变，同时遮挡光栅边缘，减少杂光的引入。

Description

一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构

技术领域

本发明属于光谱仪分光系统技术领域，特别是涉及一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构。

背景技术

原子发射光谱仪利用原子发射特征谱线所提供的信息进行元素分析，具有多元素同时、快速、直接测定的优点，在冶金、石油化工、机械制造、地质矿冶等工业生产中发挥着巨大作用，是材料领域中应用最为广泛的元素分析方法之一。在冶金分析领域，测样量需求巨大、被测元素种类多样、成份含量各有差异，要求测试仪器的研发不断追求更宽的光谱范围、更高的光谱分辨率、更优的灵敏度及检出限。以中阶梯光栅为核心分光器件的光谱仪分光系统，具有波段范围宽、分辨率高、灵敏度高、全谱瞬态测量、检出限低等优点，可实现多元素快速同时测量，已成为原子发射光谱仪的主流发展趋势，ICP光谱仪、火花光谱仪、激光光谱仪、原子吸收光谱仪均可采用中阶梯光栅系统作为分光单元。

作为光谱仪器的核心器件，光栅的姿态设置决定了光线入射角度，直接影响系统的分光性能。而对于中阶梯光栅，姿态的保证尤为重要。中阶梯光栅通常工作在Littrow结构中，与棱镜或平面光栅组成交叉色散分光光路，结合面阵探测器得到高色散、宽谱段、全波闪耀的完整光谱。这种分光结构要求光栅的衍射角与入射角相等，且接近光栅的闪耀角，同时，考虑实际光路放置的空间，入射光线和出射光线在垂直法线面方向上需要设置适当的偏离角度。因此，中阶梯光栅的三维姿态均需要严格保证，以实现系统的最优分光性能。

图1是中阶梯光栅光谱仪的分光系统，其核心分光器件中阶梯光栅在俯仰、倾斜、水平(相对于系统的滚转)维度上都有严格的要求。为了使中阶梯光栅光谱仪达到设计的分光性能，需要光栅的三维姿态与设计要求精确吻合。现有的光栅固定方式多为点胶或压片固定在特定的光栅架上，通常会在法线面维度上保留一定的调整量，以实现光栅定位。但是，在光栅架加工、固定以及光栅装配、点胶等过程中，无法避免机械件加工和装配的偏差，难以保证光栅的三维姿态准确，这将对光谱仪、特别是中阶梯光栅光谱仪的性能产生直接影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构，克服上述已有技术存在的在光栅架加工、固定以及光栅装配、点胶等过程中，无法避免机械件加工和装配的偏差，难以保证光栅的三维姿态准确的缺陷。

本发明包括：固定架1、挡片2、压圈3、螺栓4、转接板5、底座6、调节机构；转接板5将底座6和调整机构连接在一起，固定架1用于放置光栅；压片2和压圈3用于固定光栅和遮挡边缘，底座6固定在光路系统中；调节机构包括调节机构壳体7、顶板8、螺栓4、水平维调节横柱12、水平维调节纵柱13、水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19、倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15、弹簧16；调节机构壳体7与顶板8通过螺栓4连接在一起，俯仰维调节柱9、倾斜维调节柱10、水平维调节横柱12、水平维调节纵柱13及水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19和倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15分别安装到壳体7上相应位置，俯仰维调节柱9、倾斜维调节柱10、倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15与顶板底面紧密接触，弹簧以水平方向安装在壳体7与顶板8之间。

通过水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19和弹簧能够实现光栅俯仰、倾斜及相对系统滚转方位的微动调节，各维度调节范围可达±3°，其中，倾斜维和水平维调节范围可达±3.5°，消除加工、组装等工序可能引入的误差，使光路达到设计要求。

在实现三维微动调节的情况下，光栅固定架的挡片和压圈能够保证光栅相对位置稳定，避免单点受力带来光栅形变，同时遮挡光栅边缘，减少杂光的引入。

附图说明

图1以中阶梯光栅为分光元件的光谱仪分光系统示意图。

图2为具有三维姿态可调功能的光栅固定机构外观示意图。

图3为三维姿态调节结构(不包括壳体)示意图。

图中的标号：固定架1、挡片2、压圈3、螺栓4、转接板5、底座6、调节机构壳体7、顶板8、俯仰维调节柱9、倾斜维调节柱10、水平维调节挡片11、水平维调节横柱12、水平维调节纵柱13、倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15、弹簧16、水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19。

具体实施方式

如图2光栅固定机构示意图所示，安装时：

第一步：在顶板8上安装水平维调节挡片11，将顶板8与调节机构壳体7通过螺栓4固定在一起；将三个维度调节柱(即俯仰维调节柱9、倾斜维调节柱10、水平维调节横柱12、水平维调节纵柱13)安装到调节机构壳体1中，用螺钉固定；使俯仰维调节柱9和倾斜维调节柱10的顶端与顶板8接触，同时水平维调节横柱12与水平维调节挡片11接触。

光栅固定架1、挡片2、压圈3、螺栓4、转接板5、底座6、调节机构壳体7、顶板8、俯仰维调节柱9、倾斜维调节柱10、水平维调节挡片11、水平维调节横柱12、水平维调节纵柱13、倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15、弹簧16、水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19。

第二步：调节螺栓螺母，使顶板8与调节机构壳体7间距约为2.96mm。在调节机构壳体7中安装倾斜维定位柱14、俯仰维定位柱15，倾斜维定位柱14和俯仰维定位柱15的顶端与顶板8接触。安装水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19用六角扳手反复转动，直至三个维度能够实现流畅无间隙的调节。安装弹簧16。调节水平维调节螺纹副17、倾斜维调节螺纹副18、俯仰维调节螺纹副19，使顶板8底面、侧面分别与调节机构壳体7平行。

第三步：用螺钉将光栅固定架1、调节机构壳体7、转接板5、底座6连接固定。

光栅调整固定架组装完毕之后，将中阶梯光栅放置在光栅固定架1中，在靠近螺纹副的内壁侧放置挡片2，并用顶丝固定。最后，用螺钉将压圈3安装在固定架1顶部，即完成了光栅的安装固定。当忽略加工、组装、光栅固定等过程中引入的误差时，光栅的主平面垂直于底座、法线方向与调整机构顶板垂直。通过调节螺纹副和弹簧能够实现光栅俯仰、倾斜及相对系统滚转方位的微动调节，三个维度螺纹副均可以实现±3°范围内连续可调，其中倾斜维和水平维调节范围可达±3.5°，有利于修正加工与装配误差。在实现三维微动调节的情况下，光栅固定架的挡片和压圈能够保证光栅相对位置稳定，避免单点受力带来光栅形变，同时遮挡光栅边缘，减少杂光的引入。

将安装好光栅的调整架固定在光路系统中，已知波长的细激光束以平行于底座的方向入射到中阶梯光栅表面，接收工装固定放置在相对主平面对称于入射光束的方向上一定距离处，此时，接收工装的表面会呈现该波长的多个级次衍射光斑，根据实际光斑与工装上标记的各级次光斑理论位置之间的差异，可以判断光栅的姿态变化。通过微调倾斜维和水平维螺纹副，可以修正光栅主平面角度误差，实现主平面与系统底面垂直；微调俯仰维螺纹副可以实现光栅法线在主平面内的连续变化，直至衍射光斑位置与工装上的标记点重合，此时，入射角达到理论设计值，可以实现光栅的色散指标。

Claims (3)

1.一种具有三维姿态可调功能的光栅固定结构，其特征在于，包括：固定架(1)、挡片(2)、压圈(3)、螺栓(4)、转接板(5)、底座(6)、调节机构；转接板(5)将底座(6)和调整机构连接在一起，固定架(1)用于放置光栅；压片(2)和压圈(3)用于固定光栅和遮挡边缘，底座(6)固定在光路系统中；调节机构包括调节机构壳体(7)、顶板(8)、螺栓(4)、水平维调节横柱(12)、水平维调节纵柱(13)、水平维调节螺纹副(17)、倾斜维调节螺纹副(18)、俯仰维调节螺纹副(19)、倾斜维定位柱(14)、俯仰维定位柱(15)、弹簧(16)；调节机构壳体(7)与顶板(8)通过螺栓(4)连接在一起，俯仰维调节柱(9)、倾斜维调节柱(10)、水平维调节横柱(12)、水平维调节纵柱(13)及水平维调节螺纹副(17)、倾斜维调节螺纹副(18)、俯仰维调节螺纹副(19)和倾斜维定位柱(14)、俯仰维定位柱(15)分别安装到壳体(7)上相应位置，俯仰维调节柱(9)、倾斜维调节柱(10)和倾斜维定位柱(14)、俯仰维定位柱(15)与顶板底面紧密接触，弹簧以水平方向安装在壳体(7)与顶板(8)之间。

2.根据权利要求1所述的光栅固定结构，其特征在于，通过水平维调节螺纹副(17)、倾斜维调节螺纹副(18)、俯仰维调节螺纹副(19)和弹簧能够实现光栅俯仰、倾斜及相对系统滚转方位的微动调节，滚转维度调节范围为±3°，倾斜和水平维调节范围为±3.5°，消除加工、组装工序引入的误差，使光路达到设计要求。

3.根据权利1或权利2所述的光栅固定结构，其特征在于，在实现三维微动调节的情况下，光栅固定架的挡片和压圈能够保证光栅相对位置稳定，避免单点受力带来光栅形变，同时遮挡光栅边缘，减少杂光的引入。