CN1373351A - 用线阵ccd测光栅转角定波长的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置。它是由光源、反光镜、分光光栅、测谱线阵CCD、线阵CCD测光栅转角系统、A/D数据采集卡和计算机构成。光源设置在与测角线阵CCD像敏面和反光镜的中线成同一水平平面内,且平行光线与水平线成一定的角度;光栅反光镜为安装在平面光栅上的平面反光镜;平面反光镜的镜面与光栅平面平行。通过测出的光栅转角算出光谱仪谱面光谱波长。这样,克服了普通光谱仪因转动机构及转动量测量机构所带来的附加误差,使光谱仪测谱的精度更高、速度更快。

Description

用线阵CCD测光栅转角定波长的装置

                         技术领域

本发明属于测量分析仪器，更具体的说是涉及一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置。

                         背景技术

现有的各种光栅光谱仪器，常采用步进电机与精密丝杠构成的正弦描机构带动光栅旋转，通过记录步进电机转动的步数，并结合精密丝杠的螺距来测定光栅的转动角度，以确定谱面上的光谱波长。另外，也有在丝杠上安装光栅尺或容栅尺等测微位移系统，通过测量正弦扫描机构的转动量再计算光栅的转角，测出谱面光谱的波长。前一种方法必须设置扫描机构的起始点，而且必须在开机后首先使正弦扫描机构回零(回到扫描机构的起始点)。这样光谱仪在开机后，机器先要进行回零操作(不管光栅是否已经在预定位置)，然后再一步步地扫描到预定光谱位置上。显然，这种光谱仪费时，且由于回零装置的回零精度、精密丝杠的精度、精密丝杠与螺母配合造成的空回、步进电机丢步以及皮带轮打滑等因素都要引入光谱测量误差。后一种方法虽然克服了前一种方法回零的缺陷和皮带轮、步进电机丢步等的缺点，但是，它依然解决不了丝杠与螺母配合的问题。

                         发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的不足，用线阵CCD测光栅转角定波长的装置。

用线阵CCD测光栅转角定波长装置的结构如下：

它是由光源、反光镜、分光光栅、测谱线阵CCD、线阵CCD测光栅转角系统、A/D数据采集卡和计算机构成。

光源设置在与测角线阵CCD像敏面和反光镜的中线成同一水平平面内，且平行光线与水平线成一定的角度；光栅反光镜为安装在平面光栅上的平面反光镜；平面反光镜的镜面与光栅平面平行。

利用线阵CCD直接测量光栅的转角而不是间接测量光栅的转角，通过测出的光栅转角算出光谱仪谱面光谱波长。这样，克服了普通光谱仪因转动机构及转动量测量机构所带来的附加误差，使光谱仪测谱的精度更高、速度更快。

与普通光谱仪的波长测量机构比较，用线阵CCD测光栅转角定波长的装置测量光谱波长的方法有以下特点：

1、经过测角CCD和测谱CCD联合标定后，起始点M就被唯一确定，不存在起始点不确定性的问题，消除了转动机构及转动量测量机构引入的测谱误差。

2.线阵CCD用于尺寸测量是非常有效、成熟的技术。因为线阵CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强，结构紧凑及其自扫描的特性，所以这种测量方法往往无需配置复杂的机械转动机构，从而减少了误差源，使测量更方便、准确。

3.仪器不需要在每次使用之前进行“复零”操作，而直接检测出当前的闪耀波长，节省了“复零”操作时间，既方便了使用，又加快了测量速度。

                         附图说明图1：线阵CCD测量光栅转角的原理图；图2：光栅光谱仪结构示意图；图3：光谱仪测量光栅转角的示意图；图4：反光镜与光栅连接图。

                         具体实施方式下面根据附图和原理对本发明作进一步详细的说明：

用线阵CCD测光栅转角定波长的装置直接测量光栅转角的原理如图1所示，图中直线AB为固定在光栅上的平面反光镜的镜面。一束矩形平行光投射在平面镜转动轴心O上，在反射光方向用一线阵CCD(或一组线阵CCD)接收反射光(图中直线MP所示)，矩形平行光的中心线在CCD像面上的位置信息与光栅的转角(也即与光栅的闪耀波长)有着一一对应的关系。

设矩形平行光的行进方向与水平方向的夹角为α，平面反光镜的初始位置为AB，其法线为OP，这时矩形平行光的入射角与出射角均为α，OP长等于CCD像面到平面反光镜转动轴心O的距离。当AB转过一个角度θ时，法线由OP转到OQ位置，此时的入射角与出射角变为β。转动前后的出射光线OM、ON的夹角γ与θ角有以下关系：

       γ＝2α-2β＝2(α-β)＝2θ               (1)

当测谱CCD在图1的接收屏P处检测到零级主极大时，测角CCD检测到的矩形平行光中心线位置就是M点。已知OP和α，且MP＝OP·tgα，所以P点位置也可以确定。设测角CCD检测到PN＝x，则∠NOP＝arctg(x/OP)，且 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\mathrm{\γ}=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}-\∠\mathrm{NOP})=\frac{1}{2}(\mathrm{\α}-\mathrm{arctg}\frac{x}{\mathrm{OP}})----\left(2\right)$ 将θ代入(2)，最终求得光栅闪耀波长为(3)式所示：

式中d为光栅常数，为光谱仪的结构常数既光栅与两个反射镜间的夹角，OP为平面反射镜到线阵CCD的距离，α为如图1所示的初始角，以上这4个参数均为常数。由初始条件，当初始角为α时，线阵CCD测得的平行光中心线位置为xo，α为d＝arctg(xo/OP)。由此可以看出光栅闪耀波长λ只与测角CCD检测到的x值有确定的函数关系，而与其他参数无关。即说明用测角CCD能够检测光谱仪谱面的波长，而且，测量精度只与线阵CCD测位移x的精度有关。

用线阵CCD测光栅转角定波长的装置的内部结构如图2、图3和图4所示。图2为光栅光谱仪的分光测谱部分，它由入射、出射狭缝、反光镜、分光光栅、测谱线阵CCD、线阵CCD测光栅转角系统，A/D数据采集卡和计算机等构成。它与普通的CCD测谱光谱仪基本相同，不同的是它可以省掉正弦驱动测光栅转角系统而采用线阵CCD测光栅转角系统。图3为CCD测光栅转角系统的结构示意图。由图可以看出，它由光栅反光镜、线光源、线阵CCD、二值化数据采集卡和计算机等构成，其中的光栅反光镜为安装在平面光栅上的平面反光镜，线光源为能发出矩形平行光的光源，该光源安装在与线阵CCD的像敏面和反光镜的中线成同一水平平面内，且使平行光线与水平线成a角，这样，线光源发出的平行光以a角入射到平面反光镜上并以a角反射到线阵CCD的像面上。平面反光镜与平面光栅的装配关系如图4所示，装配时要保证平面反光镜的镜面与光栅平面平行。平面反光镜的转角既为光栅平面的转角。当光栅转动θ角时，平行光线在线阵CCD上的位置为x，可以通过测量x值测量光栅的转角并获得光谱仪谱面上的光谱波长λ。

可用于测量光栅的线阵CCD有很多，如TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)等，这些线阵CCD均为日本东芝公司生产。

Claims (4)

1.一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置，它是由反光镜、分光光栅、测谱线阵CCD、测角线阵CCD、A/D数据采集卡和计算机构成；其特征为在平面光栅上设置有反光镜，光源设置在与测角线阵CCD的像敏面和反光镜的中线成同一水平平面内，且平行光线与水平线成一定的角度。

2.一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置，其特征是所述的光栅反光镜为安装在平面光栅上的平面反光镜；平面反光镜的镜面与光栅平面平行。

3.一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置，其特征是所述的线阵CCD为TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)。

4.一种用线阵CCD测光栅转角定波长的装置，其特征是所述的的线光源为能发出矩形平行光的光源。

Images