CN2641610Y - 凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其包括光路上设置的反射镜、光栅与转动桶随动的狭缝、光电倍增管，转动桶设有固定轴，并通过套设在转动桶和电机上的传动带与电机连动，光电倍增管位于转动桶外侧；反射镜为入射光反射镜，并安置在转动桶桶壁内侧的固定轴端面上；光栅为凹面光栅，其光谱面成像在罗兰圆上，光栅与狭缝和光电倍增管位于同一层面上；其具有结构设计紧凑，调试难度和制造成本较低，并且能达到在高速、高精度数据采集的情况下，获得高分辨率的宽光谱范围的数据采集结果，特别适合于采用差分吸收光谱法的空气微量污染物的长光程监测系统和污染源在线连续监测系统。

Description

凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置

一、技术领域

本实用新型涉及光学仪器，尤其涉及一种对凹面光栅的圆光谱面通过机械扫描进行高速光谱采集的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置。

二、背景技术

在有些光谱测量中，需要高速连续地进行光谱采集，一般光电探测器采用光电倍增管的系统，光谱高速采集常使用机械多狭缝扫描式方法。常用的装置是多条狭缝分布在一个旋转盘平面上，且该平面与旋转轴垂直。在光谱成像面为平面(直谱面)的情况，当旋转盘直径较大时，旋转狭缝在较小的运动范围内(也就是测量的光谱带宽较窄时)可以近似为直线运动，此时光谱采集精度和速度都很高；但此装置对凹面光栅成像为圆光谱面的情况不合适，这是因为，该狭缝的运动轨迹是在平面上，与圆光谱面存在较大的位置误差。公开号为2454767的实用新型专利“机械扫描式高速光谱采集装置”，其结构是采用在转桶的桶壁上设置多条狭缝，且狭缝与旋转轴平行，并通过桶内设有的两块反射镜，把桶外的与旋转狭缝不在同一层面上的光栅的光谱引入旋转桶内，然后照到旋转狭缝，再通过光电倍增管接收，这种装置可适用于凹面光栅产生的圆光谱面的仪器，但其仍存在如下的缺点：对于采用曲率半径较大的凹面光栅的高分辨率的光谱仪器，当测量光谱范围也较大时，必然需要较大尺寸的高精度的平面反射镜，而这种反射镜加工困难、价格昂贵；又由于光路上的光栅、与转动桶随动的出射狭缝、光电倍增管不在同一层面上，因此光路中需要增加两块反射镜折光，这样增加了仪器调试的难度。

三、实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，采用小尺寸的平面反射镜，把入射狭缝射出的光引入旋转桶内，这样使光栅、旋转狭缝和光电倍增管设在同一层面上，不但使装置的结构设计紧凑，而且降低仪器的调试难度和制造成本；能够达到在高速、高精度数据采集的情况下，获得高分辨率的宽光谱范围的数据采集结果，特别适合于采用差分吸收光谱法的空气微量污染物的长光程监测系统和污染源在线连续监测系统。

本实用新型的目的是由以下技术方案实现的。

本实用新型凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，包括光路上设置的反射镜、光栅、与转动桶随动的狭缝、光电倍增管，转动桶设有固定轴，并通过套设在固定轴和电机上的传动带与电机连动，光电倍增管位于转动桶外侧；其特征在于，所述反射镜为入射光反射镜并安置在转动桶桶壁内侧的固定轴端面上；所述光栅为凹面光栅，光谱面成像在罗兰圆上，光栅与狭缝、光电倍增管位于同一层面上。

前述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其中凹面光栅固定在位于转动桶内侧的桶轴的轴端平面上，凹面光栅的背面与转动桶桶壁内侧设有间距。

前述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其中凹面光栅固定在转动桶外的支架上，其凹面与转动桶桶壁外侧设有间距。

前述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其中光电倍增管前加设聚焦光学器。

四、附图说明

图1是本实用新型一实施例的立体结构示意图。

图2是本实用新型另一实施例的立体结构示意图。

图中标号说明：1固定轴、2凹面光栅、3转动桶、4狭缝、5罗兰圆、6聚焦光学器、7光电倍增管、8反射镜、9电机、10固定支架、11传动带。

五、具体实施方式

参阅图1所示，本实用新型凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置的一实施例，其设计结构包括：光路上设置的反射镜8、光栅2、与转动桶3随动的狭缝4、光电倍增管7；其中，所述反射镜为入射光反射镜并安置在转动桶桶壁内侧的固定轴端面上；转动桶3设有固定轴，并通过套设在转动桶3和电机9上的传动带11与电机连动，光电倍增管7位于转动桶3外侧；所述光栅2为凹面光栅，光谱面成像在罗兰圆5上，光栅2与狭缝4、光电倍增管7位于同一层面上；狭缝4等距平行排列设置在转动桶3上，狭缝4的轨迹面即为转动桶3的桶壁内表面，每条狭缝4的宽度相等，转动桶3上最多可设置的狭缝4的数量由仪器的光谱范围、分辨率和光栅的曲率半径决定；凹面光栅2固定在位于转动桶3内的固定轴1的轴端平面上，该凹面光栅2的背面与转动桶3的内桶壁设有距离；当测量的光谱范围较大时，也就是所测量的光谱展开尺寸大于光电倍增管7的接收面口径时，光电倍增管7与转动桶3之间需加入聚焦光学器6。本装置产生的光谱都成像在罗兰圆5上。狭缝4的轨迹面与罗兰圆5相交于光谱面的测量光谱段，对于采用曲率半径更大的凹面光栅的光谱仪器，由于罗兰圆5变大，使狭缝4的轨迹面与罗兰圆5在光谱面的测量光谱段基本重合，因此测量精度非常高。

本实施例的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置用于采集光谱范围200nm至480nm时，其实验参数如下：反射镜8的面积为20×20mm²，转动桶3的桶壁上设有10个狭缝4，每个狭缝宽度都为0.05mm，凹面光栅2采用曲率半径为226mm、刻线数为1200线/毫米的全息凹面光栅，该凹面光栅2的背面与转动桶3内壁(即狭缝轨迹)相距约1mm，狭缝轨迹面的内径设为238mm(等于凹面光栅的曲率半径加12mm)，由于光栅2的设置，使罗兰圆5的圆心与狭逢轨迹的圆心相距6mm，两圆的交点P位于光谱面的340nm位置，转动桶3的转速约14转/秒，聚焦光学器6的通光口径设为72mm，接收光电探测器采用光电倍增管7。

使用时，接通电源，转动桶3通过套设传动带11被电机9带动，围绕固定轴旋转；光栅的入射光，是经由转动桶3外的入射狭缝，传到转动桶3内的固定轴端平面上的反射镜8而引入到转动桶内，然后射入到凹面光栅2上，凹面光栅2对光除产生衍射外，还兼具有准直和聚焦作用，本装置产生的光谱都成像在罗兰圆5上；当狭缝4扫过罗兰圆5上的被测光谱段时，光经狭缝4进入聚焦光学器6，然后会聚到光电倍增管7，此时给出采样起始信号，然后以固定频率采样，也可以由安装在转动桶3上的同轴的光电编码器(图中未示)精确给出每一个采样信号，这样光电倍增管7将接收到的光谱信息转变成电信号，即得到光谱数据。由于反射镜8只是引入入射狭缝的光，故可用较小的尺寸，因此加工容易、价格低廉；更主要的是由于光路上设置的光栅、旋转狭缝和光电倍增管都在同一层面上，这样可以大大降低仪器的调试难度；特别是对于采用曲率半径更大的凹面光栅的高分辨率的光谱仪器，这一效果会更加明显。由于凹面光栅的曲率半径越大，罗兰圆5的直径随着增大，由于狭缝轨迹面的内径等于凹面光栅的曲率半径加12mm，因此该狭缝轨迹面的内径也随着增大，而罗兰圆5的圆心与狭缝轨迹的圆心距离不变(仍为6mm)，因此罗兰圆5与狭缝轨迹面在光谱面的测量光谱段的重合性越好，使测量精度可以进一步提高；也就是说，本装置更适合于光谱测量范围宽、光栅分辨率高、光谱采集速率高的情况。

参阅图2所示，本实用新型凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置的另一实施例，其设计结构包括：光路上设置的反射镜8、光栅2、与转动桶3随动的狭缝4、光电倍增管7；其中，所述反射镜为入射光反射镜并安置在转动桶桶壁内侧的固定轴端面上；转动桶3设有固定轴，并通过套设在转动桶3和电机9上的传动带11与电机连动，光电倍增管7位于转动桶3外侧；所述光栅2为凹面光栅，光谱面成像在罗兰圆5上，光栅2与狭缝4、光电倍增管7位于同一层面上；狭缝4等距平行轴向排列设置在转动桶3的桶壁外面上，狭缝4的轨迹面即为转动桶3的桶壁外表面，每条狭缝4的宽度相等，转动桶3上最多可设置的狭缝4的数量由仪器的光谱范围、分辨率和光栅的曲率半径决定；其结构的不同点是凹面光栅2固定在位于转动桶3桶壁外侧的固定支架10上，该凹面光栅2的凹面与转动桶3的桶壁外侧设有约1mm距离；由于在光谱数据采集期间，凹面光栅与狭缝之间的光路上不能有任何遮挡物，因此要在转动桶3上与每个狭缝对应处开一个通光缺口。由于此时罗兰圆5圆心与狭逢轨迹的圆心相距的距离缩小为0.5mm，所以罗兰圆5与狭缝的轨迹面在光谱面的测量光谱范围的重合性非常好，光谱采集精度很高，这是本实施例的有益效果。特别对于采用曲率半径更大的凹面光栅的高分辨率的光谱仪器，由于罗兰圆的变大，将使罗兰圆与狭缝的轨迹面在光谱面的测量光谱段的重合性更好，因此光谱采集的精度非常高。其代价是：本实施例结构由于转动桶桶壁上开设有通光缺口，使转动桶桶壁3上最多可设置的狭缝4的数量减少，同等情况下，狭缝4的数量是上述实施例的二分之一以下，也就是单位时间的采样遍数减少了一倍多；但是对于曲率半径较大的凹面光栅的高分辨率的光谱仪器，由于罗兰圆的直径增大，转动桶的直径也加大，桶壁上可设置的狭缝的数量虽然减半，但绝对数量较多，因此并不会影响高速测量的效果；也就是说，本装置也非常适合于光谱测量范围宽、光谱分辨率与采集速率高的情况。

下面结合给定的实验数据，对本实施例作进一步描述。

参见图2，本实施例的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置采用曲率半径为226mm、刻线数为1200线/毫米的全息凹面光栅，采集光谱范围200nm至376nm，入射光反射镜8的面积为20×20mm²，转动桶3的桶壁上设有4个狭缝4，每个狭缝宽度都为0.05mm，转动桶3上与每个狭缝对应处开一个88mm通光缺口。该凹面光栅2的凹面与转动桶3的桶壁外侧设有约1mm距离，狭缝轨迹面的直径设为225mm(等于凹面光栅的曲率半径减1mm)，罗兰圆5的圆心与狭逢轨迹的圆心相距0.5mm，两圆的交点P位于光谱面的288nm位置，转动桶3的转速约30转/秒，聚焦光学器6的通光口径设为45mm，接收光电探测器采用光电倍增管7。

使用时，接通电源，转动桶3通过套设传动带11被电机9带动，围绕固定轴旋转；光栅的入射光，是经由转动桶3外的入射狭缝，传到转动桶3内的固定轴端平面上的反射镜8而引入到转动桶内，然后通过转动桶3上的一个88mm通光缺口射入到凹面光栅2上，凹面光栅2产生衍射光再通过转动桶3上的一个88mm通光缺口把光谱面聚焦在罗兰圆5上，并由转动桶3上的与通光缺口对应的狭逢4扫描；光经狭缝4进入聚焦光学器6，然后会聚到光电倍增管7，光电倍增管7在采样信号控制下进行光谱数据的采集。

总之，本实用新型凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置的特点是，采用小尺寸的平面反射镜，把入射狭缝射出的光(其光束口径较小)引入旋转桶内，这样使光栅、旋转狭缝和光电倍增管设在同一层面上，不但使装置的结构设计紧凑，而且降低仪器的调试难度和制造成本。由于凹面光栅衍射的光谱都成像在罗兰圆5上，对于采用曲率半径更大的凹面光栅的高分辨率的光谱仪器，由于凹面光栅的曲率半径大，罗兰圆5的直径随着增大，狭缝轨迹面的直径也随着增大，而罗兰圆5的圆心与狭缝轨迹的圆心距离不变，因此罗兰圆5与狭缝轨迹面在光谱面的测量光谱段的重合性越好，使测量精度提高，也就是说本装置能达到在高速、高精度数据采集的情况下，获得高分辨率的宽光谱范围的数据结果的目的。

以上所述，仅是本实用新型的两例具体实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1、一种凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，包括光路上设置的反射镜、光栅、与转动桶随动的狭缝、光电倍增管，转动桶设有固定轴，并通过套设在转动桶和电机上的传动带与电机连动，光电倍增管位于转动桶外侧；其特征在于，所述反射镜为入射光反射镜并安置在转动桶桶壁内侧的固定轴端面上；所述光栅为凹面光栅；光栅与狭缝、光电倍增管位于同一层面上。

2、根据权利要求1所述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其特征在于，所述凹面光栅固定在位于转动桶内侧的桶轴的轴端平面上，凹面光栅的背面与转动桶桶壁内侧设有间距。

3、根据权利要求1所述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其特征在于，所述凹面光栅固定在转动桶外的支架上，其凹面与转动桶桶壁外侧设有间距。

4、根据权利要求1所述的凹面光栅光谱仪的多狭缝扫描式高速光谱采集装置，其特征在于，所述光电倍增管前加设聚焦光学器。