CN116989893A - 一种光谱仪器响应区间的扩展方法及其光路切换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱仪器响应区间的扩展方法及其光路切换器,属于分析仪器测量技术领域。本发明的光路切换器包括可以转动的旋转圆盘、第一平面反射镜和光电开关;旋转圆盘设置有透光孔和定位结构,定位结构和光电开关用于确定旋转圆盘转动的机械零位,第一平面反射镜固定在旋转圆盘上,透光孔、定位结构和第一平面反射镜的相对位置固定。在光谱仪器进行测量工作时,利用光路切换器可以在不扩大光源室体积的情况下,通过精确控制透光孔和平面反射镜的位置转换,实现不同光源和不同检测器的切换,从而提高了控制精度。另外,本发明还具有操作简单、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于分析仪器测量技术领域,尤其涉及光谱仪器测量技术,具体涉及一种光谱仪器响应区间的扩展方法及其光路切换器。
背景技术
光谱仪器的测量区间取决于各组成器件的光谱响应,例如氘灯光源的连续辐射范围限于紫外区,紫外区以外的连续辐射强度极低;卤钨灯光源在可见光直至中红外区有理想的连续辐射光谱、而紫外区的辐射极低;光电倍增管检测器的响应范围为紫外至可见光区、而铟镓砷、硫化铅等检测器的响应范围则在近红外区有良好的光谱响应,覆盖紫外-可见-近红外区的光谱仪器须进行不同光源、不同检测器间的切换,以实现该光谱区间的正常测量。
目前,光谱仪器在测量时采用二种方式实现不同光源、不同检测器间的切换:即移动平面镜和旋转球面镜。移动平面镜一般采用平移或者小角度旋转方式,平移方式须采用导轨将平面镜移入或者移出光路,该方式的缺点是光源室的体积随之增大;小角度旋转采用磁吸的方式进行初始定位,该方式的缺点是定位过程中伴随着轻微的振动。旋转球面镜方式是通过球面镜的转动将待切换的光源辐射精确聚焦于入射狭缝,或者将透过样品的辐射基体聚焦于待切换的检测器光敏面,该方式的缺点是控制精度低,难以满足测量要求。
发明内容
针对当前移动平面镜须扩展光源室体积及旋转球面镜的控制精度要求高等问题,本发明提供一种光谱仪器响应区间的扩展方法及其光路切换器。
本发明是通过如下技术方案实现的:本发明光路切换器的旋转圆盘上通过设置相对位置固定的透光孔、定位结构和平面反射镜,在利用光谱仪器进行测量工作时,可以在不扩大光源室体积的情况下,通过精确控制透光孔和平面反射镜的位置转换,实现光源和检测器的切换,提高了控制精度,实现了本发明目的。
本发明涉及的一种光谱仪器响应区间的扩展方法,其特征在于,操作步骤如下:
(1)制备光路切换器
光路切换器包括可以转动的旋转圆盘、第一平面反射镜和光电开关;旋转圆盘设置有透光孔和定位结构;定位结构和光电开关可以形成导通光路,用于确定旋转圆盘转动的机械零位;透光孔与光电开关不会形成导通光路;第一平面反射镜固定在旋转圆盘上;透光孔、定位结构和第一平面反射镜的相对位置固定;
(2)光源切换
将光路切换器放置到光源系统中,第一光源和第二光源分置于光路切换器的两侧;调整光路切换器高度,使旋转圆盘透光孔和第一平面反射镜的中心位置与光源光路中心重合;通过对旋转圆盘(1)转动的精确控制,实现两光源的切换;
(3)检测器切换
将光路切换器放置到检测器系统中,第一检测器和第二检测器分置于光路切换器的两侧;调整光路切换器高度,使旋转圆盘透光孔和第一平面反射镜的中心位置与检测器光路中心重合;通过对旋转圆盘转动的精确控制,实现两检测器的切换。
优选的,所述旋转圆盘的转动是由步进电机驱动的。
进一步优选的,所述步进电机包括步进电机控制器,用于控制步进电机的旋转角度与运行速度;光源切换和检测器切换操作之前,根据旋转圆盘透光孔、定位结构和第一平面反射镜的位置,计算并设置步进电机控制器参数,包括零位偏置量、脉冲当量和运行速度,以此实现旋转圆盘转动的精确控制。
优选的,所述光源系统包括第一光源、球面镜、第二平面反射镜和第二光源;光源切换操作时,光路切换器置于第一光源与球面镜的中间位置,第一平面反射镜的法线和第一光源与球面镜连线的夹角为10°~20°,第一光源的射线通过光路切换器的透光孔,经球面镜和平面反射镜的反射,聚焦于单色器入射狭缝中;再旋转光路切换器的旋转圆盘,将第一平面反射镜替换透光孔置于光路中,仪器的光路中心经过其中心位置、其法线和第一光源与球面镜连线夹角介于10°~20°之间;第二光源的辐射依次经第一平面反射镜、球面镜和第二平面反射镜的反射后,聚焦于单色器入射狭缝中。
本发明还涉及了一种光谱仪器响应区间的扩展方法用光路切换器,包括平面反射镜、光电开关、旋转圆盘和固定支架;所述旋转圆盘设置有定位结构、透光孔和定位并固定第一平面镜的结构;旋转圆盘以可转动方式安装在固定支架上;定位结构和光电开关可以形成导通光路,用于确定旋转圆盘转动的机械零位;透光孔与光电开关不会形成导通光路;透光孔、定位结构和定位并固定第一平面镜的结构相对位置固定。
优选的,光路切换器还包括步进电机,其与旋转圆盘同轴设置;所述旋转圆盘的转动是由步进电机驱动的。
优选的,所述定位结构为贯通的定位槽或定位孔,所述光电开关为槽型光电开关;定位槽的宽度与高度分别大于槽型光电开关光斑宽度与高度;定位孔的直径大于槽型光电开关接收端的直径,径向上其孔心距离旋转圆盘边沿的距离小于槽型光电开关的光轴距槽底部的距离。
优选的,所述定位并固定第一平面镜的结构为透光孔。
本发明涉及的光路切换器,通过在其可以转动的旋转圆盘上设置透光孔、定位结构和平面反射镜,在光谱仪器进行测量工作时,可以在不扩大光源室体积的情况下,进行透光孔和平面反射镜的位置转换,从而实现不同光源和不同检测器的切换;旋转圆盘上透光孔、定位结构和平面反射镜的相对位置固定,可以据此计算出驱动旋转圆盘转动的步进电机控制器的参数,从而在测量过程中,实现旋转圆盘透光孔和平面反射镜的自动转换和精确控制,在减少人为误差、提高控制精度的同时,缩短了测量时间。另外,本发明还具有操作简单、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一光路切换器正视图;
图2是本发明实施例一光路切换器左视图
图3是本发明实施例一旋转圆盘结构示意图;
图4是本发明实施例光源切换示意图;
图5是本发明实施例检测器切换示意图;
图6是本发明实施例二旋转圆盘结构示意图。
图中,1-旋转圆盘、2-固定支架、3-第一平面反射镜、4-槽型光电开关、5-步进电机、6-法兰、7-第一光源、8-球面镜、9-第二平面反射镜、10-第二光源、11-单色器入射狭缝、12-第一聚焦反射镜、13-第二聚焦反射镜、14-第一检测器、15-第二检测器、101-透光孔A、102-透光孔B、103-透光孔C、104-定位槽、105-定位孔。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例,并结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一
本实施例的光谱仪器是Spectra-1000G分光光度计,中国兵器工业集团第五三研究所生产。
Spectra-1000G分光光度计光路中心高度为150mm。其光源系统由第一光源7、球面镜8、第二平面反射镜9和第二光源10组成,第一光源7为氘灯,适用的光谱区间为200nm~360nm;第二光源10为卤钨灯,适用的光谱区间为360nm~2500nm。其检测器系统由第一聚焦反射镜12、第二聚焦反射镜13、第一检测器14和第二检测器15组成,第一检测器14为光电倍增管,适用的光谱区间200nm~900nm;第二检测器15为铟镓砷检测器,适用的光谱范围为900nm~2500nm。
本实施例的光路切换器,由旋转圆盘1、固定支架2、第一平面反射镜3、槽型光电开关4、步进电机5和法兰6构成,如图1和2所示。
如图3所示,旋转圆盘1的外径为120mm,中心位置开通孔和四个安装孔;在其面内90°和270°方向上,设置两个对称的矩形透光孔A101和透光孔B102,外形尺寸为58mm×28mm,两透光孔的中心位于以旋转圆盘1圆心为圆心、直径70mm的圆周上;在其面内270°方向、透光孔B102的下方,设置外形尺寸1.5mm×5mm的定位槽104,定位槽104纵截面呈n形,厚度方向贯通。两透光孔的中心、旋转圆盘1的圆心及定位槽104的中心位于同一直线上。
槽型光电开关4的接收端外径φ1.0mm、光轴距槽底6mm。
步进电机5的步距角为1.8°,设置有步进电机驱动器和步进电机控制器。其中,步进电机驱动器用于对步进电机5进行角度细分,步进电机控制器用于控制步进电机5的旋转角度与运行速度。
本实施例的光路切换器,第一平面反射镜3嵌于旋转圆盘1的透光孔B102中;步进电机5的转轴位于旋转圆盘1中心位置的通孔中,借助旋转圆盘1的四个安装孔,法兰6将步进电机5的转轴与旋转圆盘1固定连接;步进电机5通过螺栓安装在固定支架2的顶端;槽型光电开关4安装在固定支架2的前端,旋转圆盘1的下边缘位于槽型光电开关4的槽中,当旋转圆盘1的面内270°方向与垂直向下方向一致时,槽型光电开关4与旋转圆盘1的定位槽104形成导通光路;当旋转圆盘1的面内90°方向与垂直向下方向一致时,槽型光电开关4与透光孔A101不会形成导通光路。
利用本实施例的光路切换器扩展Spectra-1000G分光光度计响应区间时,操作步骤如下:
(1)光源切换
将光路切换器置于第一光源7与球面镜8的中间位置,借助螺栓将固定支架2固定在分光光度计底板上,调整固定支架2高度,使步进电机5的转轴轴心距分光光度计底板115mm。第二平面镜反射镜9、单色器入射狭缝11与球面镜8位于光路切换器的同一侧;调整第二平面反射镜9,使其法线和第一光源7与球面镜8连线的夹角为10°,且第一光源7的辐射穿过光路切换器的透光孔A101后,依次经球面镜8和第二平面反射镜9的反射后聚焦于单色器入射狭缝11中。放置第二光源10,使其与第二平面镜反射镜9、单色器入射狭缝11和球面镜8位于光路切换器的同一侧;转动光路切换器的旋转光盘1,并调节第二光源10,使第二光源10的辐射依次经第一平面反射镜3、球面镜8和第二平面反射镜9的反射后,并聚焦于单色器入射狭缝11中。如图4所示。
计算并设置步进电机控制器参数,包括零位偏置量、脉冲当量和运行速度,其中零位偏置量即为光路切换器的初始位置。
零位偏置量为0°,由公式(1)计算得出:
α=180+α2-α1-k×360 (1)
式中:α-零位偏置量,°;α1-零位状态对应透光孔A101的方向角,本实施例为90°;α2-定位结构的方向角,本实施例的定位结构为定位槽104,其方向角为270°;k-系数,k=0或1,使α介于[0°,360°)。
脉冲当量为0.225°/p,由公式(2)计算得出:
E=δ/N(2)
式中:E-脉冲当量,°/p;δ-步进电机步距角,本实施例为1.8°;N-步进电机驱动器的细分数,本实施例为8。
运行速度为800p/s,由公式(3)、(4)计算得出:
M=β/E (3)
W=M/t(4)
式中:M-光源或检测器切换的脉冲数;β-光源或检测器的切换角度,本实施例为180°;t-切换时间,本实施例光源切换时间为1s。
分光光度计开机后,首先,步进电机5驱动旋转圆盘1旋转定位槽104至槽型光电开关4导通,即机械零位。当分光光度计需要在200nm~360nm区间测量时,对应的是第一光源7;设置步进电机5的零位置偏置量,使其驱动旋转圆盘1旋转相应角度至零位状态,本实施例中零位置偏置量为0°,即光路导通的机械零位和零位状态重合,此时,透光孔A101的中心与光轴重合;打开第一光源7,其辐射穿过透光孔A101后,依次经球面镜8和第二平面反射镜9的反射后聚焦于单色器入射狭缝11中,继而开展200nm~360nm区间的测量工作。当需要在360nm~2500nm区间测量时,关闭第一电源7,设置步进电机5的脉冲当量为0.225°/p、运行速度800p/s,则其在1s的时间内,驱动旋转圆盘1顺时针旋转针旋转180°,透光孔B102的中心与光轴重合,打开第二光源10,其辐射依次经第一平面反射镜3、球面镜8和第二平面反射镜9的反射后,聚焦于单色器入射狭缝11中,开展360nm~2500nm区间测量工作,从而完成光源的切换。
(2)检测器切换
将光路切换器置于聚焦反射镜和第一检测器14之间,经调整后,使仪器样品光路、参比光路的出射光分别经第一聚焦反射镜12、第二聚焦反射镜13反射后,穿过光路切换器的透光孔A101对称聚焦于第一检测器14中。放置第二检测器15,使其与聚焦反射镜位于光路切换器的同一侧,转动光路切换器的旋转光盘1,并调节第二检测器15,使第一聚焦反射镜12、第二聚焦反射镜13反射的光,经第一平面反射镜3再次反射后聚焦于第二检测器15中。
计算并设置步进电机控制器参数,包括零位偏置量、脉冲当量和运行速度。
由光源切换步骤得知,零位偏置量为0°。
检测器切换时,步进电机驱动器需对步进电机5进行16细分,由公式(2)可知,脉冲当量为0.1125°/p。
检测器切换时,第一检测器14和第二检测器15间的切换角度为180°,设置切换时间0.5s,按照公式(3)、(4)计算步进电机的运行速度为3200p/s。
分光光度计开机后,首先,步进电机5驱动旋转圆盘1至槽型光电开关4导通,即机械零位。由光源切换步骤得知,机械零位与零位状态重合,透光孔A101的中心与聚焦反射镜12、聚焦反射镜13的反射光光轴重合,打开第一检测器14,其光线经聚焦反射镜12、聚焦反射镜13的反射后,交替聚焦于第一检测器14的光敏面,分光光度计在200nm~900nm区间开展测量工作。测量完成后,步进电机5驱动旋转圆盘1用0.5s的时间顺时针旋转180°,透光孔B102的中心与聚焦反射镜12、聚焦反射镜13的反射光光轴重合,打开第二检测器15,其光线依次经聚焦反射镜12、聚焦反射镜13和第一平面反射镜3的反射后,聚焦于第二检测器15的光敏面,分光光度计在900nm~2500nm区间开展测量工作,完成检测器的切换。
实施例二
如图6所示,本实施例的旋转圆盘1外径110mm,在其面内90°、210°和330°方向,以旋转圆盘1圆心为圆心、直径60mm的圆周上,设置均匀分布的矩形结构透光孔A101、透光孔B102和透光孔C103,透光孔的外形尺寸为50mm×25mm。在旋转圆盘1面内240°方向设置φ2mm的通孔作为定位孔105,径向上其轴心距旋转圆盘1外沿3mm。
槽型光电开关4的接收端外径φ1.0mm、光轴距槽底6mm。
步进电机5的步距角为0.9°。
本实施例的光路切换器,第一平面反射镜3嵌于旋转圆盘1的透光孔A101中;步进电机5的转轴位于旋转圆盘1中心位置的通孔中,借助旋转圆盘1的四个安装孔,法兰6将步进电机5的转轴与旋转圆盘1固定连接;步进电机5通过螺栓安装在固定支架2的顶端;槽型光电开关4安装在固定支架2的前端,旋转圆盘1的下边缘位于槽型光电开关4的槽中,当旋转圆盘1的面内240°方向与垂直向下方向一致时,槽型光电开关4与旋转圆盘1的定位孔105形成导通光路。
利用本实施例的光路切换器扩展Spectra-1000G分光光度计响应区间时,操作步骤如下:
(1)光源切换
将光路切换器置于第一光源7与球面镜8的中间位置,借助螺栓将固定支架2固定在分光光度计底板上,调整固定支架2高度,使步进电机5的转轴轴心距分光光度计底板120mm。第二平面镜反射镜9、单色器入射狭缝11与球面镜8位于光路切换器的同一侧;调整第二平面反射镜9,使其法线和第一光源7与球面镜8连线的夹角为20°,且第一光源7的辐射穿过光路切换器的透光孔A101后,依次经球面镜8和第二平面反射镜9的反射后聚焦于单色器入射狭缝11中。放置第二光源10,使其与第二平面镜反射镜9、单色器入射狭缝11和球面镜8位于光路切换器的同一侧;转动光路切换器的旋转光盘1,并调节第二光源10,使第二光源10的辐射依次经第一平面反射镜3、球面镜8和第二平面反射镜9的反射后,并聚焦于单色器入射狭缝11中。
按照实施例一的方法计算步进电机控制器参数:其中,定位孔105的方向角为270°,安装第一平面镜101的是透光孔A,其方向角为90°,由公式(1)得出,零位偏置量为330°。本实施例中,步进电机驱动器对步进电机5进行64细分,由公式(2)得出,脉冲当量为0.0140625°/p。本实施例中第一光源和第二光源间的切换角度为120°,切换时间2s,由公式(3)和(4)得出,运行速度为4266.6667p/s。
分光光度计开机后,首先,步进电机5驱动旋转圆盘1至槽型光电开关4导通,即机械零位。然后,设置步进电机5的零位置偏置量为330°,使其驱动旋转圆盘1逆时针旋转330°,透光孔A101的中心与光轴重合,即零位状态,打开第二光源10,其辐射依次经第一平面反射镜3、球面镜8和第二平面反射镜9的反射后,聚焦于单色器入射狭缝11中, 分光光度计在200nm~360nm区间的开展测量工作。测量完成后,关闭第二光源10,设置步进电机5脉冲当量为0.0140625°/p、运行速度为4266.6667p/s,则其在2s的时间内,驱动旋转圆盘1逆时针或顺时针旋转120°,透光孔C103或B102的中心与光轴重合,打开第一光源7,其辐射穿过透光孔A101后,依次经球面镜8和第二平面反射镜9的反射后聚焦于单色器入射狭缝11中,分光光度计在360nm~2500nm区间开展测量工作,从而完成光源的切换。
(2)检测器切换
将光路切换器置于聚焦反射镜和第一检测器14之间,经调整后,使仪器样品光路、参比光路的出射光分别经第一聚焦反射镜12、第二聚焦反射镜13反射后,穿过光路切换器的透光孔A101对称聚焦于第一检测器14中。放置第二检测器15,使其与聚焦反射镜位于光路切换器的同一侧,转动光路切换器的旋转光盘1,并调节第二检测器15,使第一聚焦反射镜12、第二聚焦反射镜13反射的光,经第一平面反射镜3再次反射后聚焦于第二检测器15中。
计算并设置步进电机控制器参数,包括零位偏置量、脉冲当量和运行速度。
由光源切换步骤得知,零位偏置量为330°。
检测器切换时,步进电机驱动器需对步进电机5进行8细分,由公式(2)可知,脉冲当量为0.1125°/p。
检测器切换时,第一检测器14和第二检测器15间的切换角度为120°,设置切换时间1s,按照公式(3)、(4)计算步进电机的运行速度为1066.6667p/s。
分光光度计开机后,首先,步进电机5驱动旋转圆盘1至槽型光电开关4导通,即机械零位。然后,设置步进电机5的零位置偏置量为330°,使其驱动旋转圆盘1逆时针旋转330°,透光孔A101的中心与聚焦反射镜12、聚焦反射镜13的反射光光轴重合,打开第二检测器15,其光线依次经聚焦反射镜12、聚焦反射镜13和第一平面反射镜3的反射后,聚焦于第二检测器15的光敏面,分光光度计在200nm~900nm区间开展测量工作。测量完成后,关闭第二检测器15,设置步进电机5的脉冲当量为0.1125°/p、运行速度为1066.6667p/s,则其在1s的时间内,驱动旋转圆盘1逆时针或顺时针旋转120°,打开第一检测器14,其光线经聚焦反射镜12、聚焦反射镜13的反射后,交替聚焦于第一检测器14的光敏面,分光光度计在900nm~2500nm区间开展测量工作,从而完成检测器的切换。
Claims (8)
1.一种光谱仪器响应区间的扩展方法,其特征在于,操作步骤如下:
(1)制备光路切换器
光路切换器包括可以转动的旋转圆盘(1)、第一平面反射镜(3)和光电开关;旋转圆盘(1)设置有透光孔和定位结构;定位结构和光电开关可以形成导通光路,用于确定旋转圆盘(1)转动的机械零位;透光孔与光电开关不会形成导通光路;第一平面反射镜(3)固定在旋转圆盘(1)上;透光孔、定位结构和第一平面反射镜(3)的相对位置固定;
(2)光源切换
将光路切换器放置到光源系统中,第一光源(7)和第二光源(10)分置于光路切换器的两侧;调整光路切换器高度,使旋转圆盘(1)透光孔和第一平面反射镜(3)的中心位置与光源光路中心重合;通过对旋转圆盘(1)转动的精确控制,实现两光源的切换;
(3)检测器切换
将光路切换器放置到检测器系统中,第一检测器(14)和第二检测器(15)分置于光路切换器的两侧;调整光路切换器高度,使旋转圆盘(1)透光孔和第一平面反射镜(3)的中心位置与检测器光路中心重合;通过对旋转圆盘(1)转动的精确控制,实现两检测器的切换。
2.根据权利要求1所述光谱仪器响应区间的扩展方法,其特征在于:所述旋转圆盘(1)的转动是由步进电机(5)驱动的。
3.根据权利要求2所述光谱仪器响应区间的扩展方法,其特征在于:所述步进电机(5)包括步进电机控制器,用于控制步进电机(5)的旋转角度与运行速度;光源切换和检测器切换操作之前,根据旋转圆盘(1)透光孔、定位结构和第一平面反射镜(3)的位置,计算并设置步进电机控制器参数,包括零位偏置量、脉冲当量和运行速度,以此实现旋转圆盘(1)转动的精确控制。
4.根据权利要求1所述光谱仪器响应区间的扩展方法,其特征在于:所述光源系统包括第一光源(7)、球面镜(8)、第二平面反射镜(9)和第二光源(10);光源切换操作时,光路切换器置于第一光源(7)与球面镜(8)的中间位置,第一平面反射镜(3)的法线和第一光源(7)与球面镜(8)连线的夹角为10°~20°,第一光源(7)的射线通过光路切换器的透光孔,经球面镜(8)和平面反射镜(9)的反射,聚焦于单色器入射狭缝(11)中;再旋转光路切换器的旋转圆盘(1),将第一平面反射镜(3)替换透光孔置于光路中,仪器的光路中心经过其中心位置、其法线和第一光源(7)与球面镜(8)连线夹角介于10°~20°之间;第二光源(10)的辐射依次经第一平面反射镜(3)、球面镜(8)和第二平面反射镜(9)的反射后,聚焦于单色器入射狭缝(11)中。
5.一种权利要求1所述光谱仪器响应区间的扩展方法用光路切换器,包括平面反射镜、光电开关,其特征在于:还包括旋转圆盘(1)、固定支架(2);所述旋转圆盘(1)设置有定位结构、透光孔和定位并固定第一平面镜(3)的结构;旋转圆盘(1)以可转动方式安装在固定支架(2)上;定位结构和光电开关可以形成导通光路,用于确定旋转圆盘(1)转动的机械零位;透光孔与光电开关不会形成导通光路;透光孔、定位结构和定位并固定第一平面镜(3)的结构相对位置固定。
6.根据权利要求5所述光谱仪器响应区间的扩展方法用光路切换器,其特征在于:还包括步进电机(5),其与旋转圆盘(1)同轴设置;所述旋转圆盘(1)的转动是由步进电机(5)驱动的。
7.根据权利要求5所述光谱仪器响应区间的扩展方法用光路切换器,其特征在于:所述定位结构为贯通的定位槽(104)或定位孔(105),所述光电开关为槽型光电开关(4);定位槽(104)的宽度与高度分别大于槽型光电开关(4)光斑宽度与高度;定位孔(105)的直径大于槽型光电开关(4)接收端的直径,径向上其孔心距离旋转圆盘(1)边沿的距离小于槽型光电开关(4)的光轴距槽底部的距离。
8.根据权利要求5所述光谱仪器响应区间的扩展方法用光路切换器,其特征在于:所述定位并固定第一平面镜(3)的结构为透光孔。
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