CN113280917B - 高分辨率宽光谱校准光源 - Google Patents
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Abstract
本发明在分光光度计基础之上，提出了一种高分辨率宽光谱校准光源，采用电机驱动滑块转动光栅，从入射狭缝的连续光源选取不同的波长输出出射狭缝，特别是提出了滑块相对于零点步数N与输出波长λ之间的最简形式，并通过采用抛物面镜实现200‑1100nm波长范围内0.05nm的输出带宽，适用于高分辨率光谱校准以及高分辨率分光光度计。
Description
技术领域
本发明涉及光谱学，特别涉及高分辨率宽光谱校准光源。
背景技术
分光光度计，又称光谱仪(spectrometer)，是将成分复杂的光，分解为光谱线的科学仪器。测量范围一般包括波长范围为380-780nm的可见光区和波长范围为200-380nm的紫外光区。不同的光源都有其特有的发射光谱，因此可采用不同的发光体作为仪器的光源。钨灯的发射光谱：钨灯光源所发出的380-780nm波长的光谱光通过三棱镜折射或光栅衍射后，可得到由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的连续色谱；该色谱可作为可见光分光光度计的光源。
发明内容
本发明在分光光度计基础之上，提出了一种高分辨率宽光谱校准光源，采用电机驱动滑块转动光栅，从入射狭缝的连续光源选取不同的波长输出出射狭缝，特别是提出了滑块相对于零点步数N与输出波长λ之间的最简形式，并通过采用抛物面镜实现200-1100nm波长范围内0.05nm的输出带宽，适用于高分辨率光谱校准以及高分辨率分光光度计。
本发明的技术方案为：高分辨率宽光谱校准光源。
本发明的装置包括：入射针孔、第一凹面反射镜、光栅面、光栅旋转轴、滤光片、第二凹面反射镜、出射针孔。氘灯、钨灯等宽光谱光源聚焦于入射针孔，后经第一凹面反射镜反射后准直，再由光栅面在水平方向将不同波长衍射至不同角度，后特定波长的光经滤光片滤除其它波段后，由第二凹面反射镜聚焦至出射针孔。通过光栅面绕光栅旋转轴旋转不同角度，可在出射针孔处选择不同输出波长。其中，光栅面零点位置处，入射光栅的准直光线与光栅面法线夹角为α，光栅衍射后特定波长的光线与光栅面法线夹角为β。光栅面绕光栅旋转轴转动的零点选取α＝β。
光栅面绕光栅旋转轴转动的装置包括：光栅面、光栅旋转轴、连接杆、小球、滑块，连接杆与光栅面法线重合，连接杆连接光栅旋转轴与小球，电机控制滑块使其沿y轴移动，小球始终与滑块相切。滑块沿y轴移动的步长为δ，相对于零点的步数为N，则滑块在y轴位置为N*δ。连接杆与光栅面零点位置夹角为θ，光栅旋转轴与小球球心水平距离为R，滑块推动小球使得其沿光栅旋转轴为圆心、半径为R的圆在水平面滑动时，θ随之变化。则出射针孔处输出波长λ与滑块相对于零点步数N之间有最简关系，为公式(4)。
为达到减小出射针孔处输出波长的带宽，以提升分辨率的目的，第一凹面反射镜和第二凹面反射镜可以选取抛物面镜。同时，入射针孔和出射针孔可选取1-500um直径。为达到提升光通量的目的，入射针孔和出射针孔可分别替换为狭缝。滤光片可由一片或多片滤光片构成，针对不同输出波段，不同的滤光片沿垂直于准直光方向移动至指定位置。
在200-1100nm范围内，出射针孔处聚焦光斑直径小于5um，输出波长分辨率高于0.05nm，远优于现有分光光度计的2nm。
本发明的有益效果在于：
1.提出了一种高分辨率宽光谱校准光源，采用电机驱动滑块转动光栅，从入射狭缝的连续光源选取不同的波长输出出射狭缝；
2.提出了滑块相对于零点步数N与输出波长λ之间的最简形式；
3.采用抛物面镜实现200-1100nm波长范围内0.05nm的输出带宽。
附图说明
图1为本发明的实施方式的第一装置结构示意图；
图2为本发明的实施方式的第二装置结构示意图；
图3为本发明的实施方式的仿真结果；
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。
本发明的实施方式，装置如图1所示：入射针孔1、第一凹面反射镜2、光栅面3、光栅旋转轴4、滤光片5、第二凹面反射镜6、出射针孔7。氘灯、钨灯等宽光谱光源聚焦于入射针孔1，后经第一凹面反射镜2反射后准直，再由光栅面3在水平方向将不同波长衍射至不同角度，后特定波长的光经滤光片5滤除其它波段后，由第二凹面反射镜6聚焦至出射针孔7。通过光栅面3绕光栅旋转轴4旋转不同角度，可在出射针孔7处选择不同输出波长。其中，光栅面3零点位置处，入射光栅的准直光线与光栅面3法线夹角为α，光栅衍射后特定波长的光线与光栅面3法线夹角为β，则根据光栅公式有以下关系：
|d*[sin(α)-sin(β)]|＝λ (1)
其中，d为光栅常数，λ为出射针孔7处输出波长。
当光栅相对于零点位置旋转角度θ时，公式(1)则变为：
|d*[sin(α+θ)-sin(β-θ)]|＝λ (2)
在光栅面3绕光栅旋转轴4旋转的过程中，其他元件均固定，因而α和β均为定值。为获取光栅旋转角度θ与输出波长λ关系的最简形式，光栅面3绕光栅旋转轴4转动的零点选取α＝β，则公式(2)简化为：
|2*d*sin(θ)*cos(α)|＝λ (3)
光栅面3绕光栅旋转轴4转动的装置如图2所示，装置包括：光栅面3、光栅旋转轴4、连接杆8、小球9、滑块10，连接杆8与光栅面3法线重合，连接杆8连接光栅旋转轴4与小球9，电机控制滑块10使其沿y轴移动，小球9始终与滑块10相切。滑块10沿y轴移动的步长为δ，相对于零点的步数为N，则滑块在y轴位置为N*δ。连接杆8与光栅面3零点位置夹角为θ，光栅旋转轴4与小球9球心水平距离为R，滑块10推动小球9使得其沿光栅旋转轴4为圆心、半径为R的圆在水平面滑动时，θ随之变化。从而有以下关系：
|sin(θ)|＝N*δ/R (4)
结合公式(3)和公式(4)有以下关系：
|2*d*cos(α)*δ/R*N|＝λ (5)
公式(5)中仅N与λ为变量，其余均为常量，从而选取任意步数N并测量输出波长λ便可确定N与λ的对应关系，此为光栅分光模块中二者关系的最简形式。
为达到减小出射针孔7处输出波长的带宽，以提升分辨率的目的，第一凹面反射镜2和第二凹面反射镜6可以选取抛物面镜。同时，入射针孔1和出射针孔7可选取1-500um直径。为达到提升光通量的目的，入射针孔1和出射针孔7可分别替换为狭缝。此外，由于光栅分光过程中，短波长的高阶衍射会对长波长造成干扰，因而需要针对不同波段选取不同滤光片，以滤除低波长的光。滤光片5可由一片或多片滤光片构成，针对不同输出波段，不同的滤光片沿垂直于准直光方向移动至指定位置。
出射针孔7处240nm、516nm、1099nm的输出波长模拟结果如图3所示，在200-1100nm范围内，出射针孔7处聚焦光斑直径小于5um，输出波长分辨率高于0.05nm，远优于现有分光光度计的2nm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.高分辨率宽光谱校准光源，装置包括：入射针孔、第一凹面反射镜、光栅面、光栅旋转轴、连接杆、小球、滑块、第二凹面反射镜、出射针孔，进入入射针孔的宽光谱光源，经第一凹面反射镜反射后准直，再由光栅面在水平方向将不同波长衍射至不同角度，通过光栅面绕光栅旋转轴旋转不同角度，在出射针孔处选择不同输出波长，入射光栅的准直光线与光栅面法线夹角为α，光栅衍射后特定输出波长的光线与光栅面法线夹角为β，光栅面相对于零点位置旋转角度θ，光栅常数d，出射针孔处输出波长λ，选取α＝β为光栅面零点位置，连接杆与光栅面法线重合，连接杆连接光栅旋转轴与小球，光栅旋转轴与小球球心水平距离为R，电机控制滑块使其沿y轴移动，小球始终与滑块相切，滑块沿y轴移动的步长为δ，相对于零点的步数为N，则λ与N之间有最简关系：|2*d*cos(α)*δ/R*N|＝λ。
2.根据权利要求1所述的高分辨率宽光谱校准光源，其特征在于：为达到减小出射针孔处输出波长的带宽以提升分辨率的目的，第一凹面反射镜和第二凹面反射镜选取抛物面镜。
3.根据权利要求1所述的高分辨率宽光谱校准光源，其特征在于：为达到提升光通量的目的，入射针孔和出射针孔分别替换为狭缝。
4.根据权利要求1所述的高分辨率宽光谱校准光源，其特征在于：为达到滤除杂散光的目的，在光栅面与第二凹面反射镜之间插入滤光片。
5.根据权利要求1、4任一项所述的高分辨率宽光谱校准光源，其特征在于：为达到结构紧凑的目的，滤光片位于第二凹面反射镜、出射针孔之间。
6.根据权利要求1、4任一项所述的高分辨率宽光谱校准光源，其特征在于：为达到滤除不同波段杂散光的目的，滤光片为1-5片，并沿垂直于光线传播方向移动至指定位置。
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