CN107131954B - 一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 - Google Patents
一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107131954B CN107131954B CN201710343262.1A CN201710343262A CN107131954B CN 107131954 B CN107131954 B CN 107131954B CN 201710343262 A CN201710343262 A CN 201710343262A CN 107131954 B CN107131954 B CN 107131954B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- slit
- value
- group
- width
- exit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 27
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 238000011161 development Methods 0.000 description 8
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 8
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 7
- 239000000306 component Substances 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0237—Adjustable, e.g. focussing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/04—Slit arrangements slit adjustment
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/06—Scanning arrangements arrangements for order-selection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/04—Slit arrangements slit adjustment
- G01J2003/045—Sequential slits; Multiple slits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/06—Scanning arrangements arrangements for order-selection
- G01J2003/062—Scanning arrangements arrangements for order-selection motor-driven
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/06—Scanning arrangements arrangements for order-selection
- G01J2003/066—Microprocessor control of functions, e.g. slit, scan, bandwidth during scan
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法，包括中间狭缝组和出射狭缝组，中间狭缝组和出射狭缝组分别设置狭缝宽度，入射光经过中间狭缝组过滤后进入分光系统进行分光，分选得到的光经过反射聚焦系统聚焦后进入出射狭缝组，出射狭缝组的出射光进入聚焦探测系统；实时对中间及出射狭缝组的步进电机进行转动计数，并以此作为反馈，闭环控制驱动中间狭缝组和出射狭缝组，通过调节中间狭缝组的狭缝宽度从而阻挡杂散光进入，通过调节出射狭缝组的狭缝宽度以改变光谱分辨带宽和进入聚焦探测系统的光能量，以实现光谱分辨带宽的调节和杂散光的抑制。本发明选用双狭缝组代替推动狭缝的两个刀片横向分离运动从而实现狭缝宽度可变，具有结构简单，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法。
背景技术
目前，光纤通信技术由于具有传输容量大、传输速率高、抗电磁干扰、保密性强等优点，已经在军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域得到了飞速发展和广泛应用。光栅旋转型光谱分析仪是光纤通信系统中最通用的光频率域测量仪器，光谱分辨带宽是光栅旋转型光谱分析仪核心技术指标之一，狭缝是光栅分光单元的重要组成部分，其是由一对刀口在光通路上形成的缝隙，狭缝的宽度直接影响光谱分析仪的光谱分辨带宽指标。光谱分辨带宽δλ与狭缝像的空间宽度δL的关系为：
其中dl/dλ为光栅的线色散率，由下式决定：
式中，m为光谱级次，f2为聚焦系统的焦距，β为衍射角，d为光栅常数，σ为焦面相对垂直平面的倾角。
在近场和像差矫正较好的条件下，取σ＝0，将式(2)带入式(1)中有：
狭缝像的宽度是狭缝像的几何宽度a1′和衍射宽度a′2的和，其中：
式中，f1为准直系统的焦距，a1为狭缝宽度，α为入射角，λ为入射光波长，D为光栅的尺度。由于衍射宽度远远小于狭缝像的几何宽度，取a′2≈0，则狭缝像的宽度a′为：
a′＝a1′+a′2≈a1′＝δL (6)
带入式(3)有：
可见，对于衍射光栅和系统焦距确定的光谱分析仪，其光谱分辨带宽主要是由分光单元中的狭缝宽度所决定的。另外，狭缝的宽窄也控制着分光系统中有效光强度的大小，狭缝宽度越窄，意味着到达探测器的光强度越弱，同时，进入探测器的杂散光也越少，对于要求光谱分辨带宽可变的光谱分析仪，要求狭缝宽度必须是可变的，因此，解决高分辨带宽与弱光强度之间的矛盾，合理的选择狭缝宽度至关重要。
目前，能够实现可变狭缝的主要方法有两种。一种是单边非对称宽度调节，基本结构如图1所示。某一边刀口固定，另外一边刀口采用直线步进电机带动传动机构在导轨上运动，推动狭缝的两个刀片横向分离运动从而实现狭缝宽度可变，使用固定在步进电机轴上的编码器配合光电耦合器进行位置细分和初始位置定位，电机驱动电路驱动步进电机转动，同时接收编码盘上的位置信息，传输给反馈控制电路，反馈控制电路将当前位置和目标位置做比较，比较差值作为反馈信息传输给电机驱动电路从而调节步进电机转动步数，形成闭环控制。该方法能够实现狭缝宽度的连续可调，其调节精度主要取决于传动机构的加工精度、步进电机和编码盘的分辨率，因此为达到较高的宽度调节精度和重复性，必须具有复杂的传动控制结构和高精度的电机及编码器，调试难度较大且系统的成本较高；另外，单边可调调节范围有限，因为调节过程中无法保证谱线的中心位置对称性，对后端探测成像系统也提出较高要求。另外一种是双边对称宽度调节，其基本结构如图2所示，和第一种方法不同的是，该方法无固定刀口，调节时左右两边刀口对称移动，并且左右步进电机共用一套电机驱动和反馈控制电路，这样保证左右刀口移动的误差也具有对称性。但为保证在开启范围内平稳的来回调节，从而保证两刀口的平行度，调节狭缝左右刀片横向距离的两套启停传动机构都要有较高的精度，从而提高了整套系统的成本。
因此，现有技术目前存在如下几个方面的缺点：
现有方法装置采用直线步进电机带动刀口移动从而实现狭缝宽度调节，为保证在开启范围内能平稳来回调节，要求步进电机和编码盘精度较高，一方面增加了研制和维修成本，另一方面增加了伺服驱动控制电路的研制难度。
现有方法装置在重复设定同一狭缝宽度时，其宽度的重复精度很难保证，实际使用中为保证重复精度，需要设计并加工高精度复杂的传动控制结构，并且每次使用均需要先调零，因此装置结构复杂，操作繁琐，调试难度大。
综上，光谱分辨带宽是光栅旋转型光谱分析仪核心技术指标之一，分光系统中狭缝的宽度、光栅的光栅常数和系统的焦距是决定光谱分辨带宽的主要因素，对于衍射光栅和系统焦距确定的光谱分析仪，其光谱分辨带宽主要是由狭缝宽度所决定的。如果光谱分析仪要求光谱分辨带宽能根据实际需要进行调节，则需要狭缝宽度可变。而目前常用的实现可变狭缝宽度的方法是采用电机带动传动机构进行单边非对称或双边对称调节狭缝左右刀片的横向距离，推动狭缝的两个刀片横向分离运动从而实现狭缝宽度可变，但该方法结构复杂，成本高且调试难度大，对传动机构的加工精度、控制精度和运动线性度及电机的分辨率要求较高，同时，同一狭缝宽度反复设定时，其宽度的重复精度很难保证。
针对上述问题，亟需研究一种结构简单，控制难度小，调试简单，成本低且重复性好的可变狭缝装置及调试方法用于光栅旋转型光谱分析仪的研制开发及性能提高。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法，本发明具有可以实现光谱分辨带宽的调节和杂散光的抑制，且调试更加简单方便的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统，包括中间狭缝组和出射狭缝组，中间狭缝组和出射狭缝组分别设置狭缝宽度，入射光经过中间狭缝组过滤后进入分光系统进行分光，分选得到的光经过反射聚焦系统聚焦后进入出射狭缝组，出射狭缝组的出射光进入聚焦探测系统；
实时对中间及出射狭缝组的步进电机进行转动计数，并以此作为反馈，闭环控制驱动中间狭缝组和出射狭缝组，通过调节中间狭缝组的狭缝宽度从而阻挡杂散光进入，通过调节出射狭缝组的狭缝宽度以改变光谱分辨带宽和进入聚焦探测系统的光能量，以实现光谱分辨带宽的调节和杂散光的抑制。
进一步的，所述中间狭缝组包括步进电机、狭缝盘和光电耦合器，所述步进电机的输出轴带动狭缝盘旋转，狭缝盘一侧设置有光电耦合器以采集狭缝盘的零点位置。
进一步的，所述出射狭缝组包括步进电机、狭缝盘和光电耦合器，所述步进电机的输出轴带动狭缝盘旋转，狭缝盘一侧设置有光电耦合器以采集狭缝盘的零点位置。
进一步的，所述中间狭缝组或/和出射狭缝组的狭缝盘圆周均匀分布有不同宽度的狭缝，通过转动狭缝盘实现不同宽度的狭缝进入主光路，从而间接实现狭缝宽度的改变。
进一步的，所述狭缝盘上下两侧设置有狭缝盘压板，通过压套将狭缝盘压板与狭缝盘压紧固定在步进电机的输出轴轴套上。
进一步的，每条狭缝的长度相同，宽度不同，狭缝的刀口平行，所有狭缝分布在内圆周上，每条狭缝中心直线距离相同，狭缝宽度非连续变化，以满足设置不同光谱分辨带宽的需要。
进一步的，所述狭缝盘的正下方有一个零位豁口，其作用是定义物理零位，当该豁口转动到光电耦合器位置处，光电耦合器产生通断信号发送给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置。
进一步的，所述狭缝盘右下方一定角度处有一个方孔，其尺寸较大，作用是调试狭缝位置时能够尽快出光，快速定位。
进一步的，所述中间狭缝组的狭缝盘上的狭缝宽度尽量窄，以尽可能多的阻挡杂散光进入分光系统。
进一步的，所述闭环控制通过控制系统实现，所述控制系统包括电机驱动电路、倍频计数电路和光电耦合器控制电路，电机驱动电路驱动中间狭缝组和出射狭缝组的步进电机，步进电机转动角度由倍频计数电路得出并反馈给电机驱动电路进行调节，光电耦合器控制电路控制光电耦合器的通断并将光电耦合器的输出信号传输给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置。
基于上述系统的调试方法，包括以下步骤：
(1)对中间狭缝组和出射狭缝组进行狭缝的整体偏移，即调整狭缝盘的零点位置，从狭缝盘的最大狭缝处，逐步增加狭缝盘的整体偏移量，转动并记录每一次光谱曲线和峰值电平值，取中间值作为偏移结果；
(2)根据要求的不同分辨带宽进行粗调，即选择合适的狭缝号，直到测量值和设定的光谱分辨带宽值最为接近；
(3)根据确定的狭缝进行细调，调节出射狭缝的缝距，将半高宽值最接近设定的光谱分辨带宽值所对应的缝距作为最终调节值。
所述步骤(1)的具体过程为，接入标准光源，将中间及出射狭缝盘都转动到最大狭缝位置处；然后调节中间狭缝盘，逐步增加中间狭缝盘的整体偏移量，每增加一步测量一次光谱曲线，并记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降；最后在初始值基础上逐步减小整体偏移量，每减小一步测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降，得到峰值电平几乎相等的一组偏移量；最终选择该组的中间值作为最终的偏移量结果，调试完成后继续调节出射狭缝盘，调试步骤同中间狭缝盘。
所述步骤(2)的具体过程为，依次对狭缝盘的每条狭缝编号，保持中间狭缝盘在宽度最大的狭缝对应的狭缝号位置处，接入标准光源，使用光谱分析仪测量该光源的半高宽值来代表分辨带宽；使出射狭缝盘的不同的狭缝进入主光路，测量该光源的半高宽值，直到测量值和设定的光谱分辨带宽值最为接近；保持出射狭缝缝号，逐个减小中间狭缝缝号，每减小一次测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到使用下一个缝号时，峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围停止调试；记录这时的中间及出射狭缝缝号作为最终的选择值。
所述步骤(3)的具体过程为，选定合适的缝号后，如果测量的光源半高宽值和设定的光谱分辨带宽值差值仍超出指标要求范围，则还需要调节出射缝号的缝距，接入标准光源，逐步增加该缝号的偏移量，测量并记录测量的光源半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；然后在初始值的基础上逐步减小该缝号的偏移量，仍然记录测量的半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；最后选择半高宽值最接近设定的光谱分辨带宽值所对应的缝距作为最终调节值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明选用双狭缝组代替推动狭缝的两个刀片横向分离运动从而实现狭缝宽度可变，具有结构简单，可靠性高的优点；
(2)本发明设计具有多种不同宽度狭缝的双狭缝盘，即完全可以满足光谱分辨带宽调节的需求，又可以极大的抑制光噪声水平；
(3)本发明的狭缝盘不需要十分精确的调节到每个狭缝纵向的正中央，在保证重复精度的前提下降低了对步进电机分辨率和控制系统的要求，极大的降低了研制和维修成本；
(4)本发明装置重复性高，抗干扰性强，具有很强的实用性和通用性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是单边非对称狭缝宽度调节装置结构示意图；
图2是双边对称狭缝宽度调节装置结构示意图；
图3是本发明的双可变狭缝装置及控制系统示意图；
图4是本发明狭缝组结构图；
图5是本发明的狭缝盘结构图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的为保证在开启范围内能平稳来回调节，要求步进电机和编码盘精度较高，一方面增加了研制和维修成本，另一方面增加了伺服驱动控制电路的研制难度、同时在重复设定同一狭缝宽度时，其宽度的重复精度很难保证的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法。
可变狭缝是光栅旋转型光谱分析仪的核心部分，其宽度影响着光谱分析仪的光谱分辨带宽、杂散光水平和到达探测器出射光束的光强度。在光谱分析仪的实际应用中，一定数量固定的不同分辨带宽设置值就可满足用户的使用需求，而无须将分辨带宽设计成连续可调，基于上述事实，本发明提出一种应用于光栅旋转型光谱分析仪的双可变狭缝装置，如图3所示，包括中间狭缝组、光电耦合器控制电路、分光系统、反射聚焦系统、出射狭缝组、电机驱动电路、倍频计数电路及聚焦探测系统，在该装置中，中间狭缝组位于分光系统前端，通过选择合适的狭缝宽度从而主要起到阻挡杂散光进入的作用，入射光经过中间狭缝组过滤后进入分光系统进行分光，满足要求的光经过反射聚焦系统聚焦后进行出射狭缝组，出射狭缝组不同的狭缝宽度决定着光谱分析仪的光谱分辨带宽和最终进入聚焦探测系统的光能量。两套狭缝组共用同一套电机驱动电路进行驱动控制，步进电机转动角度由倍频计数电路得出并反馈给电机驱动电路进行调节，光电耦合器控制电路控制光电耦合器的通断并将光电耦合器的输出信号传输给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置。
本发明装置中的中间狭缝组和出射狭缝组基本结构相同，包括步进电机、步进电机固定座、步进电机轴套、狭缝盘、狭缝盘压板、狭缝盘压套、光电耦合器和光电耦合器连接板等，如图4所示，步进电机带动狭缝盘转动从而选择不同宽度的狭缝进入主光路，本装置中选用的步进电机为四相，步距角为0.9°。步进电机固定在步进电机固定座上并锁紧，使之能够平稳的转动，步进电机转子和步进电机轴套粘合在一起，狭缝盘和上下狭缝盘压板共同组成可变狭缝组件，为尽量的减少因入射光照射到狭缝两侧壁产生漫反射形成杂散光，狭缝盘的厚度很薄，只有25.4μm，因此使用上下狭缝盘压板将狭缝盘压紧，防止狭缝盘在转动的过程中发生偏移引起测量误差甚至损坏。将可变狭缝组件使用对称螺钉紧固在轴套上，并用侧面顶丝顶紧，最上面再使用狭缝盘压套压紧固定。光电耦合器安装在光电耦合器连接板上，用于检测狭缝盘的零点位置，光电耦合器连接板再和步进电机固定座紧固连接。该组中的结构件均进行氧化发黑处理，防止对入射光进行漫反射形成新的杂散光。
狭缝组中不同宽度的狭缝均匀分布在同一个狭缝盘上，通过转动狭缝盘实现不同宽度的狭缝进入主光路，从而间接实现狭缝宽度的改变。狭缝盘是该组件中的核心元器件，其结构如图5所示。狭缝盘采用不锈钢材料刻蚀而成，直径为47mm，表面刻有18条狭缝，每条狭缝的长度相同，宽度不同，刻蚀狭缝的刀口要保证平行，刀口表面要光洁、无划痕、无缺口、无毛刺、无锈斑和油迹；所有狭缝分布在内圆周上，内圆周直径为40mm，每条狭缝中心直线距离相同，长度均为2.5mm，狭缝宽度从0.01mm非连续变化到0.7mm，以满足设置不同光谱分辨带宽的需要；在狭缝盘的中心位置处有一个通孔作为电机轴定位孔，并且均匀分布四个轴套螺钉安装孔使狭缝盘能够紧固安装在步进电机轴套上；在狭缝盘右下方一定角度处有一个2.5mm*2.5mm的方孔，其尺寸较大，作用是调试狭缝位置时能够尽快出光，快速定位；在狭缝盘的正下方有一个零位豁口，其作用是定义物理零位，当该豁口转动到光电耦合器位置处，光电耦合器产生通断信号发送给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置。
本发明装置中的中间狭缝组和出射狭缝组在光路中的主要作用是不同的，在实际使用时，中间狭缝组中的狭缝盘不是决定光谱分析仪光谱分辨带宽的主要因素，而主要起到过滤掉杂散光的作用，因此在不影响光谱分辨带宽和出射光能量的前提下，尽量使用小宽度的狭缝，可以尽可能多的阻挡杂散光进入分光系统；出射狭缝组中的狭缝盘主要作用是改变光谱分析仪的光谱分辨带宽，并保证出射光能量在合适的范围内，因此可以根据需要使用合适缝宽的狭缝。
本发明装置中的两组狭缝相辅相成，入射光经过中间狭缝组后再分光使得到的光谱更加平滑陡峭，极大的减小了杂峰出现的概率，降低了出射狭缝组的调试难度，更易实现光谱分辨带宽的调节，又可以将光噪声水平抑制在一个很低的范围内，因此调试更加简单易行。并且，由于每组狭缝盘中的所有狭缝均具有一定的长度，不需要十分精确的调节到每个狭缝纵向的正中央，因此在保证重复精度的前提下降低了狭缝盘转动角度的精确度，从而极大降低了对步进电机分辨率和控制系统的要求，本装置中选用了一般精度的步进电机即可满足驱动要求，极大的降低了研制和维修成本。
本发明装置在实际使用时，首先要根据光谱分析仪设定的光谱分辨带宽选择合适的狭缝，具体的调试方法包括下面三个步骤。
(1)狭缝整体偏移。狭缝的位置是相对固定的，即使用相邻狭缝时电机的步进是一致的，为保证狭缝能够有效处于主光路中，首先要进行整体偏移。整体偏移是调节中间及出射狭缝盘的零点位置，即在狭缝盘物理零位的基础上增加一个偏移量。首先接入1550nm的标准光源，将中间及出射狭缝盘都转动到最大狭缝位置处；然后调节中间狭缝盘，在内存中逐步增加中间狭缝盘的整体偏移量，即步进电机逐步转动，每增加一步测量一次光谱曲线，并记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降；最后在初始值基础上反方向逐步转动步进电机，即在内存中逐步减小整体偏移量，每减小一步测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降，这样可以得到峰值电平几乎相等的一组偏移量；最终选择该组的中间值作为最终的偏移量结果，调试完成后继续调节出射狭缝盘，调试步骤同中间狭缝盘。
(2)粗调，选择合适的缝号。整体偏移调节完成后，要根据要求的不同分辨带宽选择不同的缝号，本装置中每个狭缝盘有18条狭缝，分别用1-18号代表不同的狭缝，其中1号狭缝宽度最小，18号最大。首先保持中间狭缝盘在18号狭缝位置处，接入1550nm的标准光源，使用光谱分析仪测量该光源的半高宽值(FWHM)来代表分辨带宽；然后调节转动出射狭缝盘的步进电机使不同的狭缝进入主光路，测量该光源的半高宽值，直到测量值和设定的光谱分辨带宽值最为接近；最后保持出射狭缝缝号，逐个减小中间狭缝缝号，每减小一次测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到使用下一个缝号时，峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围停止调试；记录这时的中间及出射狭缝缝号作为最终的选择值。
(3)细调，调节合适的缝距。选定合适的缝号后，如果测量的光源半高宽值和设定的光谱分辨带宽值差值仍超出指标要求范围，则还需要调节出射缝号的缝距，即在当前缝号和狭缝盘物理零位距离的基础上增加一个偏移量，和整体偏移不同，缝距调节只是调节出射狭缝某一个缝号的偏移值。首先接入1550nm的标准光源，在内存中逐步增加该缝号的偏移量，对应步进电机逐步转动，测量并记录测量的光源半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；然后在初始值的基础上逐步减小该缝号的偏移量，仍然记录测量的半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；最后选择半高宽值最接近设定的光谱分辨带宽值所对应的缝距作为最终调节值。
经过上述步骤的调试，即可保证变换不同的分辨带宽时具有较好的重复精度，而且更加便于后期的维护与维修。
由上述可知，本发明装置中，使用双狭缝组代替调节狭缝左右刀片的横向距离从而实现狭缝宽度可变，具有结构简单，可靠性高的优点，双狭缝组的配合更易实现光谱分辨带宽的调节和杂散光的抑制；本发明装置中狭缝盘表面刻有18条不同宽度的狭缝，完全可以满足光谱分辨带宽调节的需求；本发明装置中狭缝盘所有狭缝均具有一定的长度，不需要十分精确的调节到每个狭缝纵向的正中央，在保证重复精度的前提下降低了对步进电机分辨率和控制系统的要求，极大的降低了研制和维修成本；本发明装置的调试方法能够保证本装置具有重复性高和抗干扰性强的优点，具有很强的实用性和通用性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统，其特征是：包括中间狭缝组和出射狭缝组，中间狭缝组和出射狭缝组分别设置狭缝宽度，入射光经过中间狭缝组过滤后进入分光系统进行分光，分选得到的光经过反射聚焦系统聚焦后进入出射狭缝组，出射狭缝组的出射光进入聚焦探测系统；
每条狭缝的长度相同，宽度不同，狭缝的刀口平行，所有狭缝分布在内圆周上，每条狭缝中心直线距离相同，狭缝宽度非连续变化，以满足设置不同光谱分辨带宽的需要；
所述中间狭缝组和出射狭缝组均包括步进电机、步进电机固定座、步进电机轴套、狭缝盘、狭缝盘压板、狭缝盘压套、光电耦合器和光电耦合器连接板，所述狭缝盘右下方一定角度处有一个方孔，使得调试狭缝位置时能够尽快出光，快速定位，步进电机带动狭缝盘转动从而选择不同宽度的狭缝进入主光路，步进电机固定在步进电机固定座上并锁紧，使之能够平稳的转动，步进电机转子和步进电机轴套粘合在一起，狭缝盘和上下狭缝盘压板共同组成可变狭缝组件，上下狭缝盘压板将狭缝盘压紧，防止狭缝盘在转动的过程中发生偏移引起测量误差甚至损坏，可变狭缝组件使用对称螺钉紧固在轴套上，并用侧面顶丝顶紧，最上面再使用狭缝盘压套压紧固定；光电耦合器安装在光电耦合器连接板上，用于检测狭缝盘的零点位置，光电耦合器连接板再和步进电机固定座紧固连接；所述中间狭缝组和 出射狭缝组中的结构件均进行氧化发黑处理，防止对入射光进行漫反射形成新的杂散光；
还包括倍频计数电路，用于实时对中间及出射狭缝组的步进电机进行转动计数，并以此作为反馈，闭环控制驱动中间狭缝组和出射狭缝组，通过调节中间狭缝组的狭缝宽度从而阻挡杂散光进入，通过调节出射狭缝组的狭缝宽度以改变光谱分辨带宽和进入聚焦探测系统的光能量，以实现光谱分辨带宽的调节和杂散光的抑制；
所述闭环控制通过控制系统实现，所述控制系统包括电机驱动电路、倍频计数电路和光电耦合器控制电路，电机驱动电路驱动中间狭缝组和出射狭缝组的步进电机，步进电机转动角度由倍频计数电路得出并反馈给电机驱动电路进行调节，光电耦合器控制电路控制光电耦合器的通断并将光电耦合器的输出信号传输给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置。
2.如权利要求1所述的一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统，其特征是：所述中间狭缝组或/和出射狭缝组的狭缝盘圆周均匀分布有不同宽度的狭缝，通过转动狭缝盘实现不同宽度的狭缝进入主光路，从而间接实现狭缝宽度的改变。
3.如权利要求1所述的一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统，其特征是：所述狭缝盘的正下方有一个零位豁口，其作用是定义物理零位，当该豁口转动到光电耦合器位置处，光电耦合器产生通断信号发送给倍频计数电路，从而为倍频计数电路的计数值提供零点位置；
或，所述中间狭缝组的狭缝盘上的狭缝宽度尽量窄，以尽可能多的阻挡杂散光进入分光系统。
4.基于如权利要求1-3中任一项所述的系统的调试方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)对中间狭缝组和出射狭缝组进行狭缝的整体偏移，即调整狭缝盘的零点位置，从狭缝盘的最大狭缝处，逐步增加狭缝盘的整体偏移量，转动并记录每一次光谱曲线和峰值电平值，取中间值作为偏移结果；
(2)根据要求的不同分辨带宽进行粗调，即选择合适的狭缝号，直到测量值和设定的光谱分辨带宽值最为接近；
(3)根据确定的狭缝进行细调，调节出射狭缝的缝距，将半高宽值最接近设定的光谱分辨带宽值所对应的缝距作为最终调节值；
所述步骤(1)的具体过程为，接入标准光源，将中间及出射狭缝盘都转动到最大狭缝位置处；然后调节中间狭缝盘，逐步增加中间狭缝盘的整体偏移量，每增加一步测量一次光谱曲线，并记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降；最后在初始值基础上逐步减小整体偏移量，每减小一步测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到峰值波长明显下降，得到峰值电平几乎相等的一组偏移量；最终选择该组的中间值作为最终的偏移量结果，调试完成后继续调节出射狭缝盘，调试步骤同中间狭缝盘；
所述步骤(2)的具体过程为，依次对狭缝盘的每条狭缝编号，保持中间狭缝盘在宽度最大的狭缝对应的狭缝号位置处，接入标准光源，使用光谱分析仪测量该光源的半高宽值来代表分辨带宽；使出射狭缝盘的不同的狭缝进入主光路，测量该光源的半高宽值，直到测量值和设定的光谱分辨带宽值最为接近；保持出射狭缝缝号，逐个减小中间狭缝缝号，每减小一次测量一次光谱曲线，记录峰值电平值，直到使用下一个缝号时，峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围停止调试；记录这时的中间及出射狭缝缝号作为最终的选择值。
5.如权利要求4所述的调试方法，其特征是：所述步骤(3)的具体过程为，选定合适的缝号后，如果测量的光源半高宽值和设定的光谱分辨带宽值差值仍超出指标要求范围，则还需要调节出射缝号的缝距，接入标准光源，逐步增加该缝号的偏移量，测量并记录测量的光源半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；然后在初始值的基础上逐步减小该缝号的偏移量，仍然记录测量的半高宽值和峰值电平值，直到峰值电平值出现下降，并且下降值超出指标范围；最后选择半高宽值最接近设定的光谱分辨带宽值所对应的缝距作为最终调节值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710343262.1A CN107131954B (zh) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | 一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710343262.1A CN107131954B (zh) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | 一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107131954A CN107131954A (zh) | 2017-09-05 |
| CN107131954B true CN107131954B (zh) | 2019-08-23 |
Family
ID=59732298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710343262.1A Expired - Fee Related CN107131954B (zh) | 2017-05-16 | 2017-05-16 | 一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107131954B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102017130772A1 (de) * | 2017-12-20 | 2019-06-27 | Analytik Jena Ag | Spektrometeranordnung, Verfahren zur Erzeugung eines zweidimensionalen Spektrums mittels einer solchen |
| CN108827467B (zh) * | 2018-06-21 | 2019-12-17 | 清华大学 | 基于dmd的自适应狭缝可调光谱探测方法及系统 |
| TWI737140B (zh) * | 2020-01-22 | 2021-08-21 | 緯創資通股份有限公司 | 檢測裝置 |
| CN113109949B (zh) * | 2021-04-09 | 2022-09-02 | 长春长光格瑞光电技术有限公司 | 宽谱段高分辨中阶梯光栅单色器的针孔装调方法 |
| CN116482867B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-08-22 | 中国科学院上海高等研究院 | 一种光束线站的自动反馈调光系统及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4483590A (en) * | 1981-11-23 | 1984-11-20 | U.S. Philips Corporation | Adjustable slit assembly for a monochromator |
| CN201885800U (zh) * | 2010-11-17 | 2011-06-29 | 上海棱光技术有限公司 | 可自动交换不同宽度狭缝的装置 |
| CN104501954A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-04-08 | 四川大学 | 基于脉冲同步测量技术的光谱特性测试仪 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03118427A (ja) * | 1989-09-29 | 1991-05-21 | Shimadzu Corp | フィルタ，スリット等の切換え装置 |
| JP4032483B2 (ja) * | 1998-02-26 | 2008-01-16 | 株式会社日立製作所 | 分光測定装置 |
| JP2001021414A (ja) * | 1999-07-12 | 2001-01-26 | Nikon Corp | モノクロメータシステム |
-
2017
- 2017-05-16 CN CN201710343262.1A patent/CN107131954B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4483590A (en) * | 1981-11-23 | 1984-11-20 | U.S. Philips Corporation | Adjustable slit assembly for a monochromator |
| CN201885800U (zh) * | 2010-11-17 | 2011-06-29 | 上海棱光技术有限公司 | 可自动交换不同宽度狭缝的装置 |
| CN104501954A (zh) * | 2014-12-10 | 2015-04-08 | 四川大学 | 基于脉冲同步测量技术的光谱特性测试仪 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107131954A (zh) | 2017-09-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107131954B (zh) | 一种光栅光谱仪可变分辨带宽实现与调试系统及方法 | |
| Straughan | Spectroscopy: Volume Three | |
| DE3419463C1 (de) | Vorrichtung zur Erfassung von Stoffeigenschaften von Probenoberflaechen | |
| DE2430521A1 (de) | Automatisches ellipsometer | |
| CN206847781U (zh) | 一种狭缝盘、采用该狭缝盘的双可变狭缝装置 | |
| DE2816870A1 (de) | Verfahren und geraete zur blutzellenmessung | |
| DE19911671A1 (de) | Schmalbandmodul-Prüfvorrichtung | |
| DE3802538A1 (de) | Vorrichtung zum erfassen von fotomagnetischen signalen | |
| DE2523160A1 (de) | Spektrometer | |
| DE19509157C2 (de) | Optisches System mit großen Meßbereichen | |
| DE2526454C3 (de) | Spektrometer und Verfahren zur Untersuchung der spektralen Lichtzusammensetzung | |
| DE1259621B (de) | Lichtelektrischer Messgenerator | |
| DE102012214019B3 (de) | Messsystem zur Bestimmung von Reflexionscharakteristiken von Solarspiegelmaterialien und Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Spiegelmaterialprobe | |
| DE3048132A1 (de) | Automatisches linsenmessgeraet | |
| DE19510034A1 (de) | Vorrichtung zur Bestimmung von Partikelgrößen und/oder Partikelgrößenverteilungen mittels Lichtbeugung | |
| US7123398B2 (en) | Arrangement and use of a slit diaphragm | |
| DE2604666A1 (de) | Monochromator zur nutzung zweier wellenlaengen | |
| Wyller et al. | URSIES: an Ultravariable Resolution Single Interferometer Echelle Scanner | |
| US2865246A (en) | Spectrophotometer | |
| Dunn | Photometry of the solar chromosphere | |
| CN100504320C (zh) | 宽光谱精密波长扫描方法与装置 | |
| DE3730257A1 (de) | Messgeraet fuer spektralcharakteristiken einer laserstrahlung | |
| CN110174244A (zh) | 一种平面基底变间距光栅的线密度测试系统及测试方法 | |
| US2211628A (en) | Sector photometer | |
| US3244879A (en) | Dual spectrol region scanning monochromator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190823 Termination date: 20210516 |