CN109724696B - 一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统 - Google Patents

一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，所述光源出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝，通过调节所述入射狭缝的宽度以改变光束入射所述入射狭缝的角度，经所述入射狭缝的光束入射到所述罗兰光栅，经所述罗兰光栅分光后聚到所述探测器，并通过微调所述出射旋臂的长度和角度，使所述探测器接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率，本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统具有稳定性好、分析结果准确、运行成本低、灵活性高的特点，可实现对罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的精确测量。

Description

一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统。
背景技术
光谱分辨率是光谱仪器的核心指标之一，也是评价光谱仪器性能的重要基准。光谱分辨率是光谱仪可以分开的最小波长差，取决于光栅的分辨本领、系统的有效焦距、狭缝宽度、系统的光学像差等因素。
对于罗兰光栅光谱仪，因具有集光率高、光学结构简单的特点，在冶金、铸造、机械、金属加工等领域有着广泛的应用。但在其研制过程中，由于存在罗兰光栅实际刻线数与罗兰光栅理论刻线数之间的差异，罗兰光栅曲率半径偏差，狭缝宽度与设计值不符，入射角角度和出射角度的偏差等影响，可能造成实际光谱分辨率无法达到设计指标。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种对罗兰光栅光谱仪光谱分辨率进行精确测量的检测系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，所述罗兰光栅光谱仪包括罗兰光栅，包括光源系统、入射系统、分光系统、出射系统、探测系统及计算机，所述光源系统包括光源及连接所述光源的光纤，所述入射系统包括入射狭缝，所述入射狭缝的宽度可调节，所述分光系统包括所述罗兰光栅，所述出射系统包括出射旋臂，所述出射旋臂的长度和角度可调节，所述探测系统包括探测器，所述光源出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝，通过调节所述入射狭缝的宽度以改变光束入射所述入射狭缝的角度，经所述入射狭缝的光束入射到所述罗兰光栅，经所述罗兰光栅分光后聚到所述探测器，并通过微调所述出射旋臂的长度和角度，使所述探测器接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率。
在一些较佳的实施例中，所述光源系统还包括激光器，所述激光器用于将经上述各个光学元件后的光谱处于同一水平面上，且出射光谱的像与所述罗兰光栅的光栅刻线方向平行。
在一些较佳的实施例中，所述光源为汞灯或其他元素灯。
在一些较佳的实施例中，所述入射系统还包括入射狭缝支架及入射旋臂，所述入射狭缝支架用于固定所述入射狭缝，所述入射旋臂用于支撑所述入射狭缝支架，所述入射旋臂的角度可调节，通过调节所述入射旋臂的角度以改变光束入射所述入射狭缝的角度。
在一些较佳的实施例中，所述分光系统还包括连接所述罗兰光栅的调整台，所述调整台可调整所述罗兰光栅的角度及高度，以使所述罗兰光栅的中心位置位于光轴上。
在一些较佳的实施例中，所述出射系统还包括探测器支架，所述出射旋臂支撑所述探测器支架，所述探测器支架用于固定所述探测器。
在一些较佳的实施例中，所述探测系统还包括电性连接所述探测器的电路板，所述电路板通过数据线连接所述计算机，所述电路板用于接收经所述探测器后探测的光信号。
在一些较佳的实施例中，所述探测器为线阵探测器。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，所述光源出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝，通过调节所述入射狭缝的宽度以改变光束入射所述入射狭缝的角度，经所述入射狭缝的光束入射到所述罗兰光栅，经所述罗兰光栅分光后聚到所述探测器，并通过微调所述出射旋臂的长度和角度，使所述探测器接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率，本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统具有稳定性好、分析结果准确、运行成本低、灵活性高的特点，可实现对罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的精确测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供了一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统的结构示意图。
图2为本发明一较佳实施例提供的入射系统的结构示意图。
图3为本发明一较佳实施例提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的分光系统的结构示意图。
图4为本发明一较佳实施例提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的出射系统的结构示意图。
图5表示为10um狭缝下312.5674(右)-313.1844nm(左)谱线图。
图6表示为10um狭缝下312.5674(右)-313.1844nm(左)谱线细节图。
图7表示为313.1844nm谱线图。
图8表示为313.1555nm谱线图。
图9表示为312.5674nm谱线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明提供了一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统100的结构示意图，包括光源系统110、入射系统120、分光系统130、出射系统140、探测系统150及计算机10。其中：所述光源系统110包括光源1及连接所述光源1的光纤2。所述入射系统120包括入射狭缝3，所述入射狭缝3的宽度可调节。所述分光系统130包括所述罗兰光栅5。所述出射系统140包括出射旋臂6，所述出射旋臂6的长度和角度可调节。所述探测系统150包括探测器7。
本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统100的工作方式如下。
所述光源1出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝3，通过调节所述入射狭缝3的宽度以改变光束入射所述入射狭缝3的角度，经所述入射狭缝3的光束入射到所述罗兰光栅5，经所述罗兰光栅5分光后聚到所述探测器150，并通过微调所述出射旋臂6的长度和角度，使所述探测器7接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机10计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率。
在一些较佳的实施例中，所述光源为汞灯或其他元素灯的线谱光源。所述光源系统110还包括激光器(图未示)，所述激光器用于将经上述各个光学元件后的光谱处于同一水平面上，且出射光谱的像与所述罗兰光栅的光栅刻线方向平行。
可以理解，根据罗兰光栅光谱仪的特殊性质，其同时具有分光功能和会聚功能，本发明提供的罗兰光栅光谱仪包括罗兰光栅，该罗兰光栅的参数，如入射角度、入射臂长、光栅刻线、曲率半径等参数是已知的，这样通过光栅方程可计算出各个出射波长的角度和出射臂长。
可以理解，在测试进行之前，首先使用激光器将罗兰光栅的状态调整至测试状态，即通过所述激光器将经上述各个光学元件后的光谱处于同一水平面上，且出射光谱的像与所述罗兰光栅的光栅刻线方向平行，并将待测罗兰光栅光谱仪按照设计参数通过调整好入射狭缝的前后位置和入射角度，接入线谱光源如汞灯、元素灯等，结合光栅方程和待测罗兰系统的参数计算出所接入的线谱光源较为相近两个光谱的出射角度和位置，并将探测器7调节至此位置，这样线谱光源的光经狭缝后入射到罗兰光栅5上，经罗兰光栅5的分光后，会聚到探测器7上，微调出射悬臂的长度和角度，使接收到的光谱能量最强且波形对称，通过计算接收光谱的间隔，可得到该罗兰系统的光谱分辨率。
请参阅图2，为本发明一较佳实施例提供的入射系统120的结构示意图，所述入射系统120包括入射狭缝3、入射狭缝支架122及入射旋臂123。
所述入射狭缝支架122用于固定所述入射狭缝3，所述入射旋臂123用于支撑所述入射狭缝支架122，所述入射旋臂123的角度可调节，通过调节所述入射旋臂123的角度以改变光束入射所述入射狭缝3的角度。
可以理解，在测试时，将所述入射狭缝3调节至待测罗兰光栅光谱仪的设计位置，入射狭缝3在检测系统内可通过调节入射旋臂123的角度设计入射角度。
请参阅图3，为本发明一较佳实施例提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的分光系统130的结构示意图，包括罗兰光栅131及调整台132。
所述调整台132可调整所述罗兰光栅131的角度及高度，以使所述罗兰光栅131的中心位置位于光轴上。
请参阅图4，为本发明一较佳实施例提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的出射系统140的结构示意图，包括探测器支架141及出射旋臂6。
所述出射旋臂6支撑所述探测器支架141，所述探测器支架141用于固定所述探测器7。
可以理解，由已知罗兰光栅参数将探测器7调节至预定的位置，通过光栅方程计算得出的所选出射波长所在的角度和出射臂长上，所需出射角度可通过调节出射旋臂6的角度实现。
在一些较佳的实施例中，所述探测系统150还包括电性连接所述探测器7的电路板8，所述电路板8还经数据线连接所述计算机10，所述电路板8用于接收经所述探测器7后探测的光信号。
在一些较佳的实施例中，所述探测器7为线阵探测器，从而可实现精确的谱线间隔测量。
本发明提供的一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，所述光源出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝，通过调节所述入射狭缝的宽度以改变光束入射所述入射狭缝的角度，经所述入射狭缝的光束入射到所述罗兰光栅，经所述罗兰光栅分光后聚到所述探测器，并通过微调所述出射旋臂的长度和角度，使所述探测器接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率，本发明提供的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统具有稳定性好、分析结果准确、运行成本低、灵活性高的特点，可实现对罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的精确测量。
以下结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。
实施例
以曲率半径R750mm；光栅口径Φ63.5mm；光谱级次-1级；刻线密度2400g/mm；入射角40°；入臂574.5mm；10um狭缝的待测罗兰光栅光谱仪为例，结合图1说明本实施方式。
首先使用激光器将光栅状态调整至测试状态，即各个级次光谱处于同一水平面上，且出射光谱的像与光栅刻线方向平行，并将待测罗兰系统按照设计参数通过调节入射悬臂调整好入射狭缝的前后位置和入射角度，接入线谱光源如汞灯，由罗兰光栅的入射角度、入射臂长、光栅刻线、曲率半径等参数，通过光栅方程计算出所接入的线谱光源较为相近两个光谱的出射角度和位置，并将探测器调节至此位置，如312.5674-313.1844nm的理论值处。微调出射悬臂的长度和角度，使接收到的光谱能量最强且波形对称，选择积分时间150ms，拍得图5所示谱线，图5表示为10um狭缝下312.5674(右)-313.1844nm(左)谱线，进一步测得10um狭缝下312.5674(右)-313.1844nm(左)谱线细节，参阅图6。
图7为测得的313.1844nm谱线图，由图7可知，此时谱线半高宽2.35个像素；图8为测得的313.1555nm谱线图，由图8可知，此时谱线半高宽2个像素；图9为测得的312.5674nm谱线图，由图9可知，此时谱线半高宽2.75个像素；由图8、图9可知线色散率为1.7684mm/nm。通过计算接收光谱的间隔，可得所测该罗兰光栅光谱仪系统的光谱分辨率。在313.1844nm处，所测该罗兰光栅光谱仪系统的光谱分辨率为0.011nm；在313.1555nm处，所测该罗兰光栅光谱仪系统的光谱分辨率为0.009nm；在312.5674nm处，所测该罗兰光栅光谱仪系统的光谱分辨率为0.012nm。
当然本发明的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (7)

1.一种罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，所述罗兰光栅光谱仪包括罗兰光栅，其特征在于，包括光源系统、入射系统、分光系统、出射系统、探测系统及计算机，所述光源系统包括光源及连接所述光源的光纤，所述入射系统包括入射狭缝，所述入射狭缝的宽度可调节，所述分光系统包括所述罗兰光栅，所述出射系统包括出射旋臂，所述出射旋臂的长度和角度可调节，所述探测系统包括探测器，所述光源出射的光束经所述光纤入射进入所述入射狭缝，通过调节所述入射狭缝的宽度以改变光束入射所述入射狭缝的角度，经所述入射狭缝的光束入射到所述罗兰光栅，经所述罗兰光栅分光后聚到所述探测器，并通过微调所述出射旋臂的长度和角度，使所述探测器接收到的光谱能量最强且波形对称，再通过所述计算机计算接收光谱的间隔以得到所述罗兰光栅光谱仪的光谱分辨率；所述入射系统还包括入射狭缝支架及入射旋臂，所述入射狭缝支架用于固定所述入射狭缝，所述入射旋臂用于支撑所述入射狭缝支架，所述入射旋臂的角度可调节，通过调节所述入射旋臂的角度以改变光束入射所述入射狭缝的角度。
2.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述光源系统还包括激光器，所述激光器用于将经上述各个光学元件后的光谱处于同一水平面上，且出射光谱的像与所述罗兰光栅的光栅刻线方向平行。
3.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述光源为线谱光源。
4.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述分光系统还包括连接所述罗兰光栅的调整台，所述调整台可调整所述罗兰光栅的角度及高度，以使所述罗兰光栅的中心位置位于光轴上。
5.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述出射系统还包括探测器支架，所述出射旋臂支撑所述探测器支架，所述探测器支架用于固定所述探测器。
6.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述探测系统还包括电性连接所述探测器的电路板，所述电路板通过数据线连接所述计算机，所述电路板用于接收经所述探测器后探测的光信号。
7.如权利要求1所述的罗兰光栅光谱仪光谱分辨率的检测系统，其特征在于，所述探测器为线阵探测器。
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