自动扫描多光栅单色仪系统研制

　　1　引　　言

　　单色仪是一种通过光栅的衍射作用把一束复合光分解为不同波长单色光的分光仪器,是光学及光电子领域进行光谱分析和测量的重要基础仪器。由于电子技术的高速发展,光电检测技术在仪器的分辨率、测量范围、测量灵敏度、测量速度及集成化、一体化等方面提出了更高的要求。提高单色仪的波长扫描范围、速度、精度以及集成度是目前单色仪控制系统设计的主要任务。原来的计算机控制自动光栅单色仪多采用正弦机构,只能安装一块光栅,扫描光谱范围窄;另外正弦机构只能做往复运动,容易撞车。采用正弦机构的光栅单色仪已面临淘汰的趋势。本系统采用蜗轮蜗杆传动机构,实现的光栅单色仪可以360°旋转,不会产生撞车的现象,并且在光栅转台上可安装一至三块光栅,在提高波长扫描范围的同时减少了更换光栅的麻烦。通过采用蜗轮蜗杆传动的机械细分及步进电机驱动器的电细分相结合,提高了波长控制精度。为克服以往采用RS232接口的数据传输速度低的瓶颈,采用USB2. 0接口技术实现与计算机的连接。

　　本系统通过将电源分配变换系统、光栅转台控制系统、滤色片轮控制系统、反光镜控制系统与高速、高精度的数据采集系统集成在一起来提高系统的集成度、可靠性、控制　　精度及扫描精度。新设计的自动扫描多光栅单色仪系统具有广阔的发展前景[1]。

　　2　光栅单色仪的原理及组成

　　光栅单色仪是通过光栅旋转来改变入射角以获得不同波长单色光的分光仪器,其光路系统一般采用Czerny-Turner结构,使用两个具有相同曲率半径的凹面反光镜分别作为准直和成像物镜,同时保证两个分离的凹面镜曲率中心重合。为增加衍射光强,采用反射式闪耀光栅作为色散元件。根据C-T光路结构及光栅衍射理论,光栅旋转角度与波长的对应关系为:

　　式中:θ为固定值,等于入射光及出射光夹角的一半,α为光栅由零级光位置开始所旋转的角度;m为衍射光的级次。当m =0时为零级光,由于其包含所有波长,为复合光。一般选用能量较强的一级光作为出射光。根据式(1),取m =1,步进电机的步距角为γ,步进电机驱动器的细分比为k1,蜗轮蜗杆的传动比为k2,光栅由初始位置旋转至零级光位置所走的步数为S0,旋转至某一波长单色光所走的步数为S,则步数S与波长λ的函数关系为

　　式中:中除λ为自变量外,其余参数均为常数。令

　　式中:为最终的电机步数与出射波长的对应关系,其中A、B、S0为常数[2]。

　　3　系统总体结构及要求

　　自动光栅单色仪主要由分光系统、光电信号转换系统、控制系统及计算机等组成。为提高仪器的集成度,将分光系统与控制系统设计为一体,上部为光栅室,下部为控制器室。光栅室主要由一个入射狭缝、两个出射狭缝、滤色片轮、两个凹面镜、光栅转台、反光镜及步进电机等组成。其中两个出射狭缝可根据需要同时安装两种接收器,由软件控制单色光的出射方向并选择相应的数据采集通道,增加了光谱接受范围并减少了更换接收器的麻烦。根据光栅衍射公式,光谱中的二级及以上衍射光谱会与一级光谱重叠出现在一个位置,应采用滤色片将二　　级及以上的衍射光滤除。在入射狭缝处安装滤色片轮,由软件选择相应波长范围的滤色片以对入射光谱进行过滤。根据不同的光谱扫描范围,光栅转台上可安装一至三块光栅,由步进电机及蜗轮蜗杆传动机构驱动光栅转台实现对入射光的色散。控制室主要由控制电路,步进电机驱动器以及电源等组成。