CN108181238A - 一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法和校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱仪分光系统领域,涉及一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法和校准装置。本发明的调整方法利用中阶梯光栅的衍射理论,结合分光模块光学系统的具体参数,精确计算中阶梯光栅多个衍射级次的光斑成像在中阶梯光栅姿态调整校准装置上的相对位置,并做出相应标记,据此通过中阶梯光栅固定结构调整中阶梯光栅的三维姿态。本发明的校准装置基于中阶梯光栅衍射理论与光学系统具体参数设计而成,计算精确,易于实现,可操作性强,能够精确实现中阶梯光栅在光谱仪中的姿态调整;同时,该中阶梯光栅姿态调整校准装置装适用性强,当光学系统相关光学参数发生变化时,仅需重新计算设计中阶梯光栅各衍射级次的光斑对应位置即可。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪分光系统领域,涉及一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法和校准装置。
背景技术
中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅搭配棱镜交叉色散,在像面上形成二维光谱,该结构使中阶梯光栅光谱仪同时实现了高分辨率和宽波段的瞬态测量。中阶梯光栅光谱仪以其高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性优异的特性广泛应用于原子发射、原子吸收或LIBS激发光源等系列元素光谱分析技术中。而中阶梯光栅作为光谱仪中最主要的分光元件,其使用姿态对系统的成像质量非常敏感,直接影响中阶梯光栅光谱仪的系统性能。
图1是中阶梯光栅光谱仪光学系统示意图。光束通过狭缝11照射到准直镜12上,经准直镜12反射后透过棱镜13,照射到中阶梯光栅表面14,经中阶梯光栅衍射14后照射到聚焦镜15上,光束经聚焦镜15反射后聚焦至探测器16,由探测器16接收光电信号。为了使光谱仪的系统性能达到设计要求,则要求中阶梯光栅在光谱仪中的使用姿态(即三维姿态,包括俯仰、倾斜和滚转)与设计要求精准一致。现有的中阶梯光栅的装调方式有中阶梯光栅替换平面反射镜的方式和寻找衍射光斑最亮点的方式。但是,上述方式均存在装调复杂、不易实现及难以保证精度等缺点,难以保证中阶梯光栅的三维姿态达到设计要求,这将影响元素光谱分析仪器的整机性能。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的是提供一种操作简单、易于实现的光谱仪的中阶梯光栅姿态精准装调的调整方法,实现中阶梯光栅姿态的精准装调,从而提高中阶梯光栅光谱仪的光谱分辨率和灵敏度,降低检出限,提高光谱分析仪器的整机性能。
本发明的另一个目的是提供一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整校准装置。
为了实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
本发明的设计思想在于利用中阶梯光栅的衍射理论,已知波长的激光入射到中阶梯光栅表面,经中阶梯光栅衍射后,会衍射出激光器对应波长的多个衍射级次的光斑。通过光学软件可以精确模拟中阶梯光栅的各个衍射级次光斑的成像位置。根据色散原理,结合中阶梯光栅光谱仪光学系统的具体参数,精确计算中阶梯光栅多个衍射级次的光斑成像在中阶梯光栅姿态调整校准装置上的相应位置。
一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法,该方法包括如下步骤:
a、在对中阶梯光栅进行精准装调前,中阶梯光栅光谱仪光学系统中的狭缝11、准直镜12和棱镜13均安装在设计位置并调整到设计状态;中阶梯光栅14通过具有三维姿态可调功能的光栅固定机构安装;
将中阶梯光栅姿态调整校准装置固定安装在中阶梯光栅光谱仪光学系统中的聚焦镜15的位置上;所述中阶梯光栅姿态调整校准装置包括固定板和与该固定板呈固定夹角的校准面板,在所述校准面板上,沿其长度方向从上至下依次刻有多个十字叉丝,每个十字叉丝分别为一个根据光学系统精确计算所得的已知波长激光衍射级次的光斑的设计位置;
b、激光器光束通过狭缝11照射到准直镜12上,经准直镜12反射后透过棱镜13,照射到中阶梯光栅14表面,中阶梯光栅14衍射出激光器对应波长的多个衍射级次的光斑照射在中阶梯光栅姿态调整校准装置的校准面板上,通过中阶梯光栅固定机构调整中阶梯光栅14的三维姿态,使各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅14的姿态与设计的使用状态一致。
所述步骤b包括粗调步骤和精调步骤;
粗调:通过中阶梯光栅固定机构的俯仰调节柱1和倾斜调节柱2将中阶梯光栅14衍射出的已知波长激光的最亮光斑调整到与其对应的衍射级次的十字叉丝的交点重合位置;观察其它衍射级次的光斑是否精确地与所对应的十字叉丝的交点重合;如果各衍射级次的光斑不能精确地与所对应的十字叉丝的交点重合,说明中阶梯光栅目前的使用状态仍存在偏差,需要进行精调;
精调:通过中阶梯光栅固定机构的滚转调节柱3调整中阶梯光栅的滚转状态,结合俯仰调节柱1和倾斜调节柱2的调节,直至将各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅的姿态与设计的使用状态一致。
所述中阶梯光栅光谱仪光学系统的光室底部平整光滑,保证中阶梯光栅姿态调整的准确性。
一种应用于上述方法的中阶梯光栅姿态调整校准装置,所述装置包括固定板和与该固定板呈固定夹角的校准面板,在所述校准面板上,沿其长度方向从上至下依次刻有多个十字叉丝,每个十字叉丝分别为一个根据光学系统精确计算所得的已知波长激光衍射级次的光斑的设计位置。
所述装置固定安装在中阶梯光栅光谱仪光学系统中的聚焦镜15的位置上。
所述固定板与校准面板之间的夹角为90±0.2°。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明的中阶梯光栅姿态调整校准装置基于中阶梯光栅衍射理论与光学系统具体参数设计而成,计算精确;中阶梯光栅姿态调整校准装置独立于光学系统内各光学元件,避免受制于系统内光学元件的姿态影响,保证其的精准度;与聚焦镜在光室底部的固定方式一致且位置相同,装调方便,同时降低了设计难度;
2、本发明易于实现,可操作性强,能够精确实现中阶梯光栅在光谱仪中的姿态调整;
3、本发明实用性强,当光学系统相关光学参数发生变化时,仅需重新计算设计中阶梯光栅各衍射级次的光斑对应位置即可。
附图说明
图1为中阶梯光栅光谱仪光学系统示意图;
图2为具有三维姿态可调功能的光栅固定机构的结构示意图;
图3为本发明中阶梯光栅姿态调整校准装置的结构示意图。
其中的附图标记为:
1 俯仰调节柱
2 倾斜调节柱
3 滚转调节柱
4 m-4衍射级次的十字叉丝
5 m-3衍射级次的十字叉丝
6 m-2衍射级次的十字叉丝
7 m-1衍射级次的十字叉丝
8 m衍射级次的十字叉丝
9 m+1衍射级次的十字叉丝
10 m+2衍射级次的十字叉丝
11 狭缝
12 准直镜
13 棱镜
14 中阶梯光栅
15 聚焦镜
16 探测器
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法,包括如下步骤:
a、在对中阶梯光栅进行精准装调前,中阶梯光栅光谱仪光学系统中的狭缝11、准直镜12和棱镜13均安装在设计位置并调整到设计状态;中阶梯光栅14通过具有三维姿态可调功能的光栅固定机构(如图2所示)安装。
将如图3所示的中阶梯光栅姿态调整校准装置固定安装在中阶梯光栅光谱仪光学系统中的聚焦镜15的位置上;所述中阶梯光栅姿态调整校准装置包括水平固定板和与该固定板垂直的校准面板,在所述校准面板上,沿其竖直方向从上至下依次刻有多个十字叉丝,每个十字叉丝分别为一个根据光学系统精确计算所得的已知波长激光衍射级次的光斑的设计位置。
b、激光器光束通过狭缝11照射到准直镜12上,经准直镜12反射后透过棱镜13,照射到中阶梯光栅14表面,中阶梯光栅衍14射出激光器对应波长的多个衍射级次的光斑照射在中阶梯光栅姿态调整校准装置的校准面板上,通过调整中阶梯光栅固定机构的俯仰调节柱1、倾斜调节柱2和滚转调节柱3,使各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅14的姿态与设计的使用状态一致。
所述步骤b包括粗调步骤和精调步骤;
粗调:通过中阶梯光栅固定机构的俯仰调节柱1和倾斜调节柱2将中阶梯光栅衍14射出的已知波长激光的最亮光斑调整到与m衍射级次的十字叉丝8的交点重合位置。此时,观察其它衍射级次的光斑是否精确地与所对应的m-4衍射级次的十字叉丝4、m-3衍射级次的十字叉丝5、m-2衍射级次的十字叉丝6、m-1衍射级次的十字叉丝7、m+1衍射级次的十字叉丝9和m+2衍射级次的十字叉丝10的交点重合。如果各衍射级次的光斑不能精确地与所对应的十字叉丝的交点重合,说明中阶梯光栅目前的使用状态仍存在偏差,需要进行精调。
精调:通过中阶梯光栅固定机构的滚转调节柱3调整中阶梯光栅的滚转状态,结合俯仰调节柱1和倾斜调节柱2的调节,直至将各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅的姿态与设计的使用状态一致。
所述中阶梯光栅光谱仪光学系统的光室底部平整光滑,保证中阶梯光栅姿态调整的准确性。
实施例
下面以对某一中阶梯光栅光谱仪进行中阶梯光栅的姿态调整为例,对本发明的中阶梯光栅进行姿态调整进一步详细说明。但该实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,选择汞灯特征波长但不限于313.155nm,313.183nm,404.656nm,579.066nm。
中阶梯光栅光谱仪的系统参数如表1所示,汞灯特征波长的位置如表2所示,汞灯的4条特征波长在在中阶梯光栅色散方向上的位置x的相对间隔与理论相对间隔像差≤1像素,完全满足中阶梯光栅光谱仪的测试需求,说明本发明方法能够实现中阶梯光栅的精准装调。
表1中阶梯光栅光谱仪的系统参数
表2汞灯特征波长位置
Claims (6)
1.一种光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:
a、在对中阶梯光栅进行精准装调前,中阶梯光栅光谱仪光学系统中的狭缝(11)、准直镜(12)和棱镜(13)均安装在设计位置并调整到设计状态;中阶梯光栅(14)通过具有三维姿态可调功能的光栅固定机构安装;
将中阶梯光栅姿态调整校准装置固定安装在中阶梯光栅光谱仪光学系统中的聚焦镜(15)的位置上;所述中阶梯光栅姿态调整校准装置包括固定板和与该固定板呈固定夹角的校准面板,在所述校准面板上,沿其长度方向从上至下依次刻有多个十字叉丝,每个十字叉丝分别为一个根据光学系统精确计算所得的已知波长激光衍射级次的光斑的设计位置;
b、激光器光束通过狭缝(11)照射到准直镜(12)上,经准直镜(12)反射后透过棱镜(13),照射到中阶梯光栅(14)表面,中阶梯光栅(14)衍射出激光器对应波长的多个衍射级次的光斑照射在中阶梯光栅姿态调整校准装置的校准面板上,通过中阶梯光栅固定机构调整中阶梯光栅(14)的三维姿态,使各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅(14)的姿态与设计的使用状态一致。
2.根据权利要求1所述的光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法,其特征在于:所述步骤b包括粗调步骤和精调步骤;
粗调:通过中阶梯光栅固定机构的俯仰调节柱(1)和倾斜调节柱(2)将中阶梯光栅(14)衍射出的已知波长激光的最亮光斑调整到与其对应的衍射级次的十字叉丝的交点重合位置;观察其它衍射级次的光斑是否精确地与所对应的十字叉丝的交点重合;如果各衍射级次的光斑不能精确地与所对应的十字叉丝的交点重合,说明中阶梯光栅目前的使用状态仍存在偏差,需要进行精调;
精调:通过中阶梯光栅固定机构的滚转调节柱(3)调整中阶梯光栅的滚转状态,结合俯仰调节柱(1)和倾斜调节柱(2)的调节,直至将各衍射级次的光斑与校准面板上相对应的十字叉丝的交点重合,此时,中阶梯光栅的姿态与设计的使用状态一致。
3.根据权利要求1所述的光谱仪的中阶梯光栅姿态调整方法,其特征在于:所述中阶梯光栅光谱仪光学系统的光室底部平整光滑,保证中阶梯光栅姿态调整的准确性。
4.一种应用于权利要求1所述的方法的中阶梯光栅姿态调整校准装置,其特征在于:所述装置包括固定板和与该固定板呈固定夹角的校准面板,在所述校准面板上,沿其长度方向从上至下依次刻有多个十字叉丝,每个十字叉丝分别为一个根据光学系统精确计算所得的已知波长激光衍射级次的光斑的设计位置。
5.根据权利要求4所述的中阶梯光栅姿态调整校准装置,其特征在于:所述装置固定安装在中阶梯光栅光谱仪光学系统中的聚焦镜(15)的位置上。
6.根据权利要求4所述的中阶梯光栅姿态调整校准装置,其特征在于:所述固定板与校准面板之间的夹角为90±0.2°。
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