專利名稱：線陣ccd測量光柵轉角測譜儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于測量分析儀器，更具體地說是應屬于光譜儀器。
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，并用計數步進電機的轉動步數及精密絲杠的參數(螺距與轉角)的方法測量光柵的轉動角度來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
為了克服上述的缺點，我們采用線陣CCD直接測量光柵平面的轉角，能夠適用于各種光譜儀的光譜探測裝置以提高光譜儀的測量精度和速度等性能。
線陣CCD測量光柵轉角測譜儀的技術是這樣實現的它是由光柵反光鏡、線光源、線陣CCD、二值化數據采集卡和計算機組成；在平面光柵上設置有反光鏡，光源設置在與線陣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。線光源為能發出矩形平行光的光源。
本線陣CCD測量光柵轉角測譜儀適用于各種光譜儀。
利用線陣CCD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1投射在平面鏡轉動軸心O上，在反射光方向用一線陣CCD2或一組線陣CCD2接收反射光，如圖中直線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，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，這樣，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α＝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。
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，利用線陣CCD測量光柵轉角測譜儀有以下特點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.采用該專利的光譜儀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，即方便了使用，又加快了測量速度。
圖1線陣CCD測量光柵轉角測譜儀的原理圖；圖2線陣CCD測量光柵轉角測譜儀結構圖；圖3反光鏡與平面光柵的連接示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和原理對本實用新型作進一步的詳細說明利用線陣CCD測量光柵轉角測譜儀的結構如圖2所示。圖2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5為安裝在平面光柵上的平面反光鏡，線光源1為能發出矩形平行光的光源，該光源安裝在與線陣CCD2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。
其中線陣CCD為TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)等。
平面反光鏡與平面光柵的裝配關系如圖3所示，裝配時粘接處8要保證平面反光鏡3的鏡面與光柵4平面平行。
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。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利用二值化采集卡6和計算機7算出光譜儀譜面光譜波長。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。
權利要求1.一種線陣CCD測量光柵轉角測譜儀它是由光柵反光鏡、線光源、線陣CCD、二值化數據采集卡和計算機組成，其特征為在平面光柵上設置有反光鏡，光源設置在與線陣CCD的像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內，且平行光線與水平線成一定的角度。
2.如權利要求1所述的一種線陣CCD測量光柵轉角測譜儀，其特征為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.如權利要求1所述的一種線陣CCD測量光柵轉角測譜儀，其特征為所述的線陣CCD為TCD1500C、TCD1702C或TCD2901D。
4.如權利要求1所述的一種線陣CCD測量光柵轉角測譜儀，其特征為所述的線光源為能發出矩形平行光的光源。
專利摘要本實用新型屬于光譜儀器。它是由光柵反光鏡、線光源、線陣CCD、二值化數據采集卡和計算機組成；在平面光柵上設置有反光鏡，光源設置在與線陣CCD的像敏面和反光鏡的中線成同一水平平面內，且平行光線與水平線成一定的角度。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。
文檔編號G01J3/18GK2593172SQ0220950
公開日2003年12月17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, 郭青 申請人:天津大學