[发明专利]波长扫描装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光谱测量技术领域的装置，具体是一种波长扫描装置。

背景技术

光谱的波长测量范围、分辨率、波长准确性和重复性、以及测量速度等是光谱仪器重要的性能指标，其中，波长测量范围、分辨率和测量速度之间往往相互制约，存在矛盾。如何实现更宽波长范围、更高分辨率和更快速度的光谱测量是光谱学及光谱仪器测量学研究的难点之一。

现有色散型空间分光光谱仪器，从结构上主要分为两种类型：一种是采用单元探测器的机械扫描式，进行逐点探测和扫描，另一种是采用阵列探测器的非机械扫描式，进行全谱同时快速探测。机械扫描式的光谱仪器普遍地采用步进电机加丝杆或凸轮的结构。机械扫描式光谱仪的优点是：扫描精度高、成本相对较低。缺点是，由于丝杆自身结构的限制导致其扫描速度慢，并且由于丝杆往复运动不可避免因机械摩擦产生的各种误差和空回误差，造成波长重复性下降。例如：这类型的分光光度计的典型参数为：光谱波长范围200nm～800nm，波长准确度±0.5nm，重复性≤0.3nm。在保证最大精度和最好重复性的要求下，它的扫描速度仅为30nm/min。而采用阵列探测器的非扫描型光谱仪器，一般用PDA阵列探测器或CCD阵列探测器来进行光谱的采集。其主要优势是扫描速度很快，波长重复性好，但是由于阵列探测器自身尺寸的限制，波长范围和分辨率是一对矛盾，或者波长范围较小，或者分辨率不高。例如：该类型光谱仪的典型参数为：光谱波长范围200nm～850nm，波长准度±1.5nm，但它的扫描速度可达每秒1000幅光谱图。

此外，在一些波长扫描精度要求不是很高的情况下，最近也出现了用步进电机经细分直接带动光栅转动的扫描方法，这种方法由于不需要丝杆等机构既减小了结构尺寸，从理论上也可以较大幅度提高扫描的速度，并且成本也比阵列式的更低。但由于细分驱动器性能和电机本身的机械运动特点的限制，往往存在并步、跳步或失步现象，加上震动等原因，其扫描精度和重复性不能达到高精度的要求。

针对上述问题，国外已有将基于莫尔条纹技术的圆形光栅尺精密角度传感反馈机构用于光栅转角测量的做法。运用了光栅尺后，扫描速度得到提高，波长扫描精度甚至超过一般丝杆扫描结构的水平，但其价格过于昂贵。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1373351A，公开日2002-10-9，记载了一种“用线阵CCD测光栅转角定波长的装置”及中国专利文献号CN2593172Y公开日2003-12-17，记载了一种“线阵CCD测量光栅转角测谱仪”，提出了用线阵CCD测光栅转角定波长的装置。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。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。但是该现有技术由于受到CCD长度及像元数有限的限制，扫描精度有限。

进一步检索发现，CN101135589A，公开日2008-3-5，记载了一种“快速探测宽谱面光谱的方法”，提出将多个CCD器件拼接用于探测光栅摄谱仪宽阔谱面的光谱、同步并行数据采集技术和三维显示不同时段光谱的技术。能够探测不同时间段光谱的变化和同一时刻谱面各光谱的强度。该现有技术提供了一种扩展光谱测量范围以及实现多个光谱同时测量的方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种波长扫描装置，通过对光栅的运动情况进行高精度测量，实现既高精度又快速的波长扫描测量要求。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：光栅转动部分以及与之相对设置的光栅转动角度测量部分，其中：

所述的光栅转动部分包括：步进电机、联轴器、转盘、多面反射镜、光栅座和光栅，其中：步进电机的转轴与联轴器固定连接，联轴器依次与转盘和光栅座相连接，多面反射镜固定在转盘外侧面的圆周上，光栅固定设置于光栅座上，光栅的刻划面的中心位于转轴的轴线上。

所述的光栅转动角度测量部分包括：光源、会聚透镜、位置敏感探测器、处理电路以及分束镜组或整形镜，其中：光源、会聚透镜以及分束镜组或整形镜依次先后设置并朝向多面反射镜，位置敏感探测器设置于光源经多面反射镜反射的反射光路上并与处理电路相连接以接收反射光斑。

所述的光源为激光或发光二极管。

所述的分束镜组包括：分束镜和平面反射镜，其中：分束镜设置于光源和光经透镜的光路上并正对多面反射镜，平面反射镜位于分束镜的分束光路上并将反射光指向多面反射镜。

所述的整形镜为半柱面镜结构。