用线阵CCD测光栅转角定波长的装置制造方法及图纸

本发明专利技术是一种用线阵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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量分析仪器，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。具体实施例方式下面根据附图和原理对本专利技术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θ=12γ=12(α-∠NOP)=12(α-arctgxOP)----(2)]]>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。权利要求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。全文摘要本专利技术是一种用线阵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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆有，张盛彬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]