專利名稱：用線陣ccd測光柵轉角定波長的裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量分析儀器，更具體的說是涉及一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置。
背景技術：
現有的各種光柵光譜儀器，常采用步進電機與精密絲杠構成的正弦描機構帶動光柵旋轉，通過記錄步進電機轉動的步數，并結合精密絲杠的螺距來測定光柵的轉動角度，以確定譜面上的光譜波長。另外，也有在絲杠上安裝光柵尺或容柵尺等測微位移系統，通過測量正弦掃描機構的轉動量再計算光柵的轉角，測出譜面光譜的波長。前一種方法必須設置掃描機構的起始點，而且必須在開機后首先使正弦掃描機構回零(回到掃描機構的起始點)。這樣光譜儀在開機后，機器先要進行回零操作(不管光柵是否已經在預定位置)，然后再一步步地掃描到預定光譜位置上。顯然，這種光譜儀費時，且由于回零裝置的回零精度、精密絲杠的精度、精密絲杠與螺母配合造成的空回、步進電機丟步以及皮帶輪打滑等因素都要引入光譜測量誤差。后一種方法雖然克服了前一種方法回零的缺陷和皮帶輪、步進電機丟步等的缺點，但是，它依然解決不了絲杠與螺母配合的問題。
發明內容
本發明的目的是解決現有技術中的不足，用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置。
用線陣CCD測光柵轉角定波長裝置的結構如下它是由光源、反光鏡、分光光柵、測譜線陣CCD、線陣CCD測光柵轉角系統、A/D數據采集卡和計算機構成。
光源設置在與測角線陣CCD像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內，且平行光線與水平線成一定的角度；光柵反光鏡為安裝在平面光柵上的平面反光鏡；平面反光鏡的鏡面與光柵平面平行。
利用線陣CCD直接測量光柵的轉角而不是間接測量光柵的轉角，通過測出的光柵轉角算出光譜儀譜面光譜波長。這樣，克服了普通光譜儀因轉動機構及轉動量測量機構所帶來的附加誤差，使光譜儀測譜的精度更高、速度更快。
與普通光譜儀的波長測量機構比較，用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置測量光譜波長的方法有以下特點1、經過測角CCD和測譜CCD聯合標定后，起始點M就被唯一確定，不存在起始點不確定性的問題，消除了轉動機構及轉動量測量機構引入的測譜誤差。
2.線陣CCD用于尺寸測量是非常有效、成熟的技術。因為線陣CCD本身具有高分辨率、高靈敏度、像素位置信息強，結構緊湊及其自掃描的特性，所以這種測量方法往往無需配置復雜的機械轉動機構，從而減少了誤差源，使測量更方便、準確。
3.儀器不需要在每次使用之前進行“復零”操作，而直接檢測出當前的閃耀波長，節省了“復零”操作時間，既方便了使用，又加快了測量速度。
圖1線陣CCD測量光柵轉角的原理圖；圖2光柵光譜儀結構示意圖；圖3光譜儀測量光柵轉角的示意圖；圖4反光鏡與光柵連接圖。
具體實施例方式
下面根據附圖和原理對本發明作進一步詳細的說明用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置直接測量光柵轉角的原理如圖1所示，圖中直線AB為固定在光柵上的平面反光鏡的鏡面。一束矩形平行光投射在平面鏡轉動軸心O上，在反射光方向用一線陣CCD(或一組線陣CCD)接收反射光(圖中直線MP所示)，矩形平行光的中心線在CCD像面上的位置信息與光柵的轉角(也即與光柵的閃耀波長)有著一一對應的關系。
設矩形平行光的行進方向與水平方向的夾角為α，平面反光鏡的初始位置為AB，其法線為OP，這時矩形平行光的入射角與出射角均為α，OP長等于CCD像面到平面反光鏡轉動軸心O的距離。當AB轉過一個角度θ時，法線由OP轉到OQ位置，此時的入射角與出射角變為β。轉動前后的出射光線OM、ON的夾角γ與θ角有以下關系γ＝2α-2β＝2(α-β)＝2θ (1)當測譜CCD在圖1的接收屏P處檢測到零級主極大時，測角CCD檢測到的矩形平行光中心線位置就是M點。已知OP和α，且MP＝OP·tgα，所以P點位置也可以確定。設測角CCD檢測到PN＝x，則∠NOP＝arctg(x/OP)，且θ=12γ=12(α-∠NOP)=12(α-arctgxOP)----(2)]]>將θ代入(2)，最終求得光柵閃耀波長為(3)式所示 式中d為光柵常數，為光譜儀的結構常數既光柵與兩個反射鏡間的夾角，OP為平面反射鏡到線陣CCD的距離，α為如圖1所示的初始角，以上這4個參數均為常數。由初始條件，當初始角為α時，線陣CCD測得的平行光中心線位置為xo，α為d＝arctg(xo/OP)。由此可以看出光柵閃耀波長λ只與測角CCD檢測到的x值有確定的函數關系，而與其他參數無關。即說明用測角CCD能夠檢測光譜儀譜面的波長，而且，測量精度只與線陣CCD測位移x的精度有關。
用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置的內部結構如圖2、圖3和圖4所示。圖2為光柵光譜儀的分光測譜部分，它由入射、出射狹縫、反光鏡、分光光柵、測譜線陣CCD、線陣CCD測光柵轉角系統，A/D數據采集卡和計算機等構成。它與普通的CCD測譜光譜儀基本相同，不同的是它可以省掉正弦驅動測光柵轉角系統而采用線陣CCD測光柵轉角系統。圖3為CCD測光柵轉角系統的結構示意圖。由圖可以看出，它由光柵反光鏡、線光源、線陣CCD、二值化數據采集卡和計算機等構成，其中的光柵反光鏡為安裝在平面光柵上的平面反光鏡，線光源為能發出矩形平行光的光源，該光源安裝在與線陣CCD的像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內，且使平行光線與水平線成a角，這樣，線光源發出的平行光以a角入射到平面反光鏡上并以a角反射到線陣CCD的像面上。平面反光鏡與平面光柵的裝配關系如圖4所示，裝配時要保證平面反光鏡的鏡面與光柵平面平行。平面反光鏡的轉角既為光柵平面的轉角。當光柵轉動θ角時，平行光線在線陣CCD上的位置為x，可以通過測量x值測量光柵的轉角并獲得光譜儀譜面上的光譜波長λ。
可用于測量光柵的線陣CCD有很多，如TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)等，這些線陣CCD均為日本東芝公司生產。
權利要求
1.一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置，它是由反光鏡、分光光柵、測譜線陣CCD、測角線陣CCD、A/D數據采集卡和計算機構成；其特征為在平面光柵上設置有反光鏡，光源設置在與測角線陣CCD的像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內，且平行光線與水平線成一定的角度。
2.一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置，其特征是所述的光柵反光鏡為安裝在平面光柵上的平面反光鏡；平面反光鏡的鏡面與光柵平面平行。
3.一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置，其特征是所述的線陣CCD為TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)。
4.一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置，其特征是所述的的線光源為能發出矩形平行光的光源。
全文摘要
本發明是一種用線陣CCD測光柵轉角定波長的裝置。它是由光源、反光鏡、分光光柵、測譜線陣CCD、線陣CCD測光柵轉角系統、A/D數據采集卡和計算機構成。光源設置在與測角線陣CCD像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內,且平行光線與水平線成一定的角度;光柵反光鏡為安裝在平面光柵上的平面反光鏡;平面反光鏡的鏡面與光柵平面平行。通過測出的光柵轉角算出光譜儀譜面光譜波長。這樣,克服了普通光譜儀因轉動機構及轉動量測量機構所帶來的附加誤差,使光譜儀測譜的精度更高、速度更快。
文檔編號G01J3/12GK1373351SQ0210388
公開日2002年10月9日 申請日期2002年4月10日 優先權日2002年4月10日
發明者王慶有, 張盛彬 申請人:天津大學