專利名稱：一種單軸驅動的智能化光柵單色儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學電子器件技術領域，是一種單軸驅動的智能化光柵單色儀單色儀是一種光子能量和波長選擇器，是一種基本的光譜分析和測量儀器，在光學和光電子領域有著廣泛的應用，是現代喇曼和熒光光譜、光吸收和光反射光譜，以及調制光譜等眾多光譜分析儀器的核心光學器件。其中，在近紫外至近紅外區，應用最廣泛的是光柵型單色儀，這是利用了波動性的光子在光柵上產生衍射的原理。光柵結構通常為在具有一定尺寸的光學基板上刻有許多等間距的凹槽，如每毫米1200條或每毫米1800條等，實際條紋數目取決于具體的工作波長區和設計要求。光子落在這些細槽上，由于衍射的作用，將引起各光波的振幅和相位發生疊加，反射后的光子便會按能量或波長在空間有規則地排列起來，其關系式為dsinθm=mλ (1)式中d和θm分別是光柵的槽間距和第m級的波長為λ的光子在空間的分布角，(θm被定義為反射光子方向與光柵法線之間的夾角)。因此，如取m=1，就可在不同θ角位置上獲得相應波長的第一級衍射光子。在傳統光柵單色儀的設計中，均固定光子的入射和出射狹縫位置不變，而采用一個機械結構體控制光柵的θ角轉動，對波長進行掃描，就能從出射狹縫中獲得所需要的單色性光子。
采用上述結構的光柵單色儀，在實際使用中需要解決下述兩個問題1．當單色儀在較寬的波長區工作時，為提高儀器的波長分辨率和獲得最佳的信噪比質量，需要根據所工作的光譜波長區不斷更換光柵。例如，在目前使用最多的200-1000nm波長范圍，至少需要2塊光柵，甚至三塊光柵，方能較好地滿足譜線精確測量的要求。
2．由公式(1)可知，在某θ角位置，m=1的較長波長和m=2(或更高次)較短波長的衍射光會同時出現。因此，根據實際的波長應用范圍，至少需要使用一塊甚至數塊濾光片，將m=2(或更高次)的高次衍射光濾去，方能滿足探測光子單色性的要求。
在目前大多數商品單色儀結構中，上述兩個控制功能(置換光柵和濾色片)均通過獨立的機械傳動結構進行。這一方面增加了儀器的設計和結構復雜性，降低了可靠性，另一方面給使用帶來許多不方便，尤其是置換光柵時，需對系統的波長位置進行重新精確定標和調整，十分費時和麻煩。因此，在傳統光柵單色儀設計中，即機械驅動Mx→(光柵掃描，光柵置換，濾光片置換)機械驅動Mx為三個獨立的機械機構，分別實現波長掃描、光柵和濾光片置換等功能，(參考文獻1．光柵單色儀產品說明書，OrielCorporation,250 Long Beach Blvd.Stratford,CT,06497-0872,USA。參考文獻2．光柵單色儀產品說明書，Scientific MeasurementSystems,Inc.2527 Foresight Circle Junction,CO 81505-1007,USA)。這是傳統光柵單色儀設計中的缺陷。
另外，當控制θ角轉動時，在機械位移極限位置長短波長的兩端，需采用專門的限位開關，以防止機械位移過頭而對單色儀造成損壞。這也增加了系統設計和結構的復雜性。
本實用新型的目的在于對上述機械驅動的光柵單色儀加以改進，提出一種可簡化機械結構、增加系統工作可靠性的智能化光柵單色儀。
本實用新型設計的智能化光柵單色儀由多塊光柵、旋轉平臺、光電探測器、控制計算機組成，其中，多塊光柵以正多邊形的方式置于旋轉平臺上，這些光柵在波長200-1000nm波長范圍內，可覆蓋整個光譜區；旋轉平臺的旋轉由一個高精度細分步進馬達控制；從第二塊光柵開始的各塊光柵的前端分別放置一片高通濾光片，各濾光片的截止波長與對應光柵的前緣波長一致，濾光片與光柵同步旋轉；此外，旋轉平臺上設有一個光偶定位檢測器，可對轉臺的起始位置進行準確定位；步進馬達、波長掃描由計算機控制。
在本實用新型中，按照公式(1)，當轉臺將第一塊光柵轉至對應的第一個波長區時，由于第一塊光柵前端沒有加濾色片，就可對相應的光譜區進行掃描；當通過轉臺將光柵置換成第二塊光柵、第三塊光柵……時，對相應波長的光譜區進行波長掃描；同時，該光柵前的濾色片同步將對應波長m≥2的高次衍射光自動濾去。
上述單色儀中，光柵的塊數根據用戶對光譜范圍的需要而確定，一般可用3-6塊光柵，組成正多邊形的方式。例如，用3塊光柵，可組成正三角形的形式；用4塊光柵，可組成正四邊形形式，如此等等；并使之覆蓋整個光譜區。各塊光柵的位置可以調換。
本儀器需在整個波長掃描范圍完成各塊光柵的精確定位，以及與步進馬達掃描步長相對應波長的精確定位。這可以通過對高分辨率的標準線狀光譜進行測量，然后由計算機擬合，獲得馬達旋轉步長與掃描波長之間的對應關系，就能實現系統的精確定標，使得在全光譜工作范圍內波長的掃描和控制精度可優于0.1nm。
由此可見，本實用新型僅通過一個單軸驅動的機械轉動結構，便實現了波長掃描、光柵和濾光片同步置換的三種重要功能。由于轉臺處于無阻擋連續旋轉過程中，將不會發生任何機械位移受阻事件，可免去任何附加的機械限位開關的需要。因此，本儀器機械設計和結構簡單，光譜范圍寬，性能穩定，易于調試；通過計算機定標，在全光譜工作范圍內波長的掃描和控制精度可優于0.1nm；經長期使用，可確保其處于可靠的工作狀態，大大減少了日常的維護工作量。上述這些都是本實用新型設計較之傳統設計的優越之處。
以下結合附圖和實施例，進一步描述本實用新型。


圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為本實用新型的結構原理圖，其中，光柵為3塊以正三角形方式設置于旋轉平臺上。
圖中標號為1為第一塊光柵；2為第二塊光柵；3為第三塊光柵；4為旋轉平臺；5為步進驅動馬達；6為控制的計算機。F2、F3分別為第二塊光柵、第三塊光柵前的濾光片；M1、M2為球面反射鏡，S1、S2分別為入射和出射的狹縫。Light光源，Grating RotationTable光柵旋轉臺，Detector,A/D光電探測器和A/D轉換器，Drive光柵轉臺驅動器，Computer計算機。
實施例，如圖1和圖2所示，在傳統光柵單色儀中光柵的固定位置，取代原有的機械結構，設置一個高精度旋轉小平臺，旋轉平臺由一個高精度(50000步/轉)細分步進馬達控制，驅動精度為50000步/度。將三塊光柵以60度角等邊三角形的方式置于轉臺上，這三塊光柵的光譜區分別為光柵(1)．200-300nm,2400線/mm光柵，閃耀波長為250nm。
光柵(2)．300-600nm,1200線/mm光柵，閃耀波長為450nm。
光柵(3)．600-1000nm,600線/mm光柵，閃耀波長為750nm。它們可覆蓋200-1000nm的全波長范圍。在光柵(2)和(3)的前端分別放置一片高通濾光片，與光柵相對應的濾光片的截止波長分別為300nm和600nm。濾光片可與光柵同步旋轉。在轉臺上設有一個光偶定位檢測器，可對轉臺的初始轉動位置進行準確定位，全部檢測過程可用計算機編程進行精確控制。
根據上述設計，當轉臺將光柵(1)轉至200-300nm波長區時，無需加濾光片，就能對波長進行掃描。當通過轉臺將光柵置換成光柵(2)或光柵(3)時，便能對相應的光譜區進行波長掃描，同時，該光柵前的濾光片同步將波長為300nm或600nm以下的高次衍射光自動濾去。因此，本設計僅通過一個機械轉動結構，便實現了波長掃描、光柵和濾光片同步置換的三種重要功能。由于轉臺處于無阻擋連續旋轉過程中，將不會發生任何機械位移受阻事件，可免去任何附加的機械限位開關的需要。
為了適應不同用戶對光譜范圍需要，可很容易在旋轉平臺上設置更多的光柵，如4塊或5塊光柵，組成等邊多邊形的方式，覆蓋更寬的光譜區。各塊光柵覆蓋相對應的光譜區。在每塊光柵前設置相應的濾光片，濾去與光柵光譜區對應的m≥2的高次衍射光。
權利要求1.一種智能化光柵單色儀，由多塊光柵、旋轉平臺、控制計算機組成，其特征在于多塊光柵以正多形的方式設置于旋轉平臺上，這些光柵在波長200～1000nm波長范圍內可覆蓋整個光譜區；旋轉平臺的旋轉由一個高精度的細分步進馬達控制；從第二塊光柵開始的各塊光柵的前端分別放置一片高通濾光片，各濾光片的截止波長與對應光柵的前緣波長一致，濾光片與光柵同步旋轉；旋轉平臺上設有一個對轉臺起始位置進行定位的光偶定位檢測器；步進馬達、波長掃描由計算機控制。
2.根據權利要求1所述的智能化光柵單色儀，其特征在于光柵塊數為3～6塊。
3.根據權利要求2所述的智能化光柵單色儀，其特征在于三塊光柵以60度角的等邊三角形方式設置于旋轉平臺上，其光譜區分別為光柵(1)．200-300nm,2400線/mm光柵，閃耀波長為250nm。光柵(2)．300-600nm,1200線/mm光柵，閃耀波長為450nm。光柵(3)．600-1000nm,600線/mm光柵，閃耀波長為750nm。在光柵(2)和(3)的前端分別設置一片高通濾光片，其截止波長分別為300nm和600nm。
專利摘要本實用新型屬于光學電子器件技術領域。其光柵結構以正多邊形的形式置于旋轉平臺上,并覆蓋整個光譜區,轉臺由高精度細分步進馬達驅動,系統由計算機控制,本儀器僅用一個單軸驅動的機械裝置同步完成波長掃描、光柵,以及濾光片置換等功能,并能免除設置機械限位開關的需要。本光柵單色儀機械設計和結構簡單,光譜范圍寬,性能穩定,易于調試和使用壽命長,可廣泛用于各種光譜分析和測量。
文檔編號G01J3/12GK2349564SQ9822526
公開日1999年11月17日 申請日期1998年9月30日 優先權日1998年9月30日
發明者陳良堯, 鄭玉祥, 張榮君, 夏國強, 陳岳立, 趙海斌, 楊月梅 申請人:復旦大學