專利名稱：閃光光譜測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
閃光光譜測定儀屬發(fā)射光譜計(jì)量儀器，主要用來測量瞬態(tài)光源輻射光譜功率分布及其隨時(shí)間變化的特性，也可對(duì)恒定光源輻射光譜功率分布及其穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。
1966年美國利用EG585型光輻射計(jì)測得了脈沖氙燈的輻射光譜，采用光柵分光，光電二極管接收，電表讀數(shù)；七十年代初我國兩家研究所研制出了類似儀器，接收器改用光電倍增管，微機(jī)處理數(shù)據(jù)；1985年日本照相光學(xué)儀器協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)制造出的“萬能分光光度計(jì)”，用計(jì)算機(jī)控制測量閃光光譜，可測波段為350～1000毫微米，利用測得的90個(gè)波段元數(shù)據(jù)，算出光源色度參數(shù)；1987年我國研制出同類儀器，在360～680毫微米波段內(nèi)，測得32個(gè)波段元。美國專利U.S.P.4076421也用列陣接收器，在380～720毫微米波段內(nèi)，相距20毫微米測一個(gè)波段元，仍屬上述色度測量的一種專用性儀器。如EG585型輻射計(jì)等儀器，雖給出了閃光光源光譜結(jié)構(gòu)的計(jì)量參數(shù)，但速度慢，每條曲線測量千余點(diǎn)，即便用微機(jī)，也需近十分鐘時(shí)間，精度也受限制；象“萬能分光光度計(jì)”，以測量照相閃光燈的色度參數(shù)為主要用途的專用性儀器，測量點(diǎn)有限，不可能給出發(fā)射光源完整的光譜結(jié)構(gòu)。西德專利(DE)3339－012，(DE)293884A1，美國專利U.S.P.4299448，U.S.P.4146332，英國專利(GB)2129548A等，介紹了多種多通道光譜儀。(日)“電子通訊學(xué)會(huì)論文志”(86.4.V.169－C.NO.4)介紹的“使用CCD圖象傳感器的接觸弧高速分光測量裝置”，也屬這種分析儀器，用CCD作接收器件。該接觸弧高速分光測量裝置是通過接觸弧從金相放電過渡到氣相放電的發(fā)射光譜特征，分析其發(fā)光物質(zhì)的屬性和構(gòu)造。這種儀器由于外光路光源的發(fā)光物質(zhì)和空間位置是瞬態(tài)變化的強(qiáng)弧光，故只需用透鏡聚焦即可，無需像光譜光度計(jì)量儀器那樣，配備消除光源偏振效應(yīng)影響，嚴(yán)格進(jìn)行定位和增加入射光強(qiáng)等提高測量精度的一套外光路輔助設(shè)施；以棱鏡作為色散元件，用汞特征譜線以哈特曼公式對(duì)其波長分布的非線性進(jìn)行校正，在576.96毫微米以后的外推誤差雖大，但對(duì)350毫微米的波段(350～700毫微米)內(nèi)取128個(gè)測量點(diǎn)，基本可以滿足分辨率精度的要求；棱鏡單級(jí)譜不存在譜級(jí)重迭；采用棱鏡色散和透射元件引起的吸收色差，對(duì)此分析性儀器，可不必作強(qiáng)度校正；電器系統(tǒng)由于電弧發(fā)光時(shí)間較長和CCD象元較少，故其控制系統(tǒng)只需控制CCD掃描周期、A／D采樣及存儲(chǔ)同步即可，無需多元CCD(2048或更多元)和瞬間閃光(微秒級(jí))的精確同步控制系統(tǒng)；低壓電弧電光源，不會(huì)引起對(duì)處理系統(tǒng)的沖擊，故該裝置可不考慮防高壓沖擊措施。日本的這種分析儀器和前面的幾種多通道分析儀器一樣，從外光路到色散系統(tǒng)，以至電器控制和微機(jī)軟件系統(tǒng)，不作適當(dāng)改進(jìn)，均不能直接作為瞬態(tài)光源光譜光度計(jì)量儀器使用。
為了獲得能直接測量單次閃光光源(如脈沖氙燈和火炸藥等)的光譜光度計(jì)量儀器，我們發(fā)明了閃光光譜測定儀。
閃光光譜測定儀是先將復(fù)合光分解為按波長分割的多路傳輸脈沖串，最后還原成按接收器空間位置確定波長的光譜功率分布，可作瞬時(shí)光源的光譜輻射照度、光譜輻射亮度和幾何總光譜輻射通量的測量，也適用于穩(wěn)態(tài)或近穩(wěn)態(tài)光源的測定。為了使該儀器作為光譜光度計(jì)量儀器，消除光源偏振效應(yīng)誤差、嚴(yán)格定位和增加入射光強(qiáng)，在外光路系統(tǒng)采用了積分球、導(dǎo)軌和橢球反光鏡等；由于閃光光譜儀工作的波帶寬，為了去掉使用光柵帶來的二級(jí)光譜，采用了一個(gè)部分鍍?yōu)V短波的干涉膜，部分不鍍(或鍍?cè)鐾?膜的濾光片消除二級(jí)光譜，其透過曲線如

圖1所示，透光部分的不均勻性可在能量校正時(shí)統(tǒng)一處理；為了能捕捉單次閃光光譜，需解決光源的充電、閃光、采樣、存儲(chǔ)和處理的同步問題，如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的高精度控制，CCD與微機(jī)采用統(tǒng)一時(shí)鐘。在此，微機(jī)向CCD提供外時(shí)鐘信號(hào)［21］；同步控制是CCD驅(qū)動(dòng)電路［18］提供同步信號(hào)［20］給同步控制電路［35］，并通過I／O接口［22］給中央處理器［33］，中央處理器［33］通過I／O接口［22］輸出充電信號(hào)［23］到光源控制器［7］，光源控制器［7］控制脈沖光源電源［8］給脈沖氙燈［9］充電，光源控制器［7］達(dá)到預(yù)定的充電時(shí)間后輸出回答信號(hào)［24］，然后I／O接口［22］指揮同步控制電路［35］向光源控制器［7］輸出觸發(fā)信號(hào)［25］，控制脈沖氙燈［9］閃光。與此同時(shí)，中央處理器［33］通過I／O接口［22］指揮高速數(shù)據(jù)采集電路［26］將CCD信號(hào)處理電路［19］送來的脈沖串轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過I／O接口［22］傳到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器［27］存儲(chǔ)，通過程序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器［27］存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)定、校正、計(jì)算處理后通過接口［29］傳送給打印機(jī)［30］打出數(shù)據(jù)；或給繪圖儀［32］繪出數(shù)據(jù)曲線；同時(shí)，在程序指揮下將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器［27］的數(shù)據(jù)通過D／A轉(zhuǎn)換器［28］轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過接口［29］送至顯示器［31］顯示。由于同步回路中觸發(fā)信號(hào)［25］、充電信號(hào)［23］、回答信號(hào)［24］的連接線將脈沖光源電源［8］中的高壓通過光源控制器［7］與微機(jī)系統(tǒng)［5］耦合起來，為了防止脈沖光源電源［8］的高壓對(duì)微機(jī)的沖擊，采用了如圖3所示的光電隔離器［37］［38］［39］，將高壓與微機(jī)隔離起來，以防止高壓系統(tǒng)對(duì)低壓部件的沖擊。
閃光光譜測定儀，如圖2所示，包括光學(xué)系統(tǒng)外光路－光源系統(tǒng)(1)，光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光路－色散系統(tǒng)(2)，探測系統(tǒng)(3)，系統(tǒng)同步控制電路(4)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，監(jiān)測系統(tǒng)(6)。其特征是光源系統(tǒng)(1)包括有a，直徑為100～500毫米的積分球［11］，b，長軸為100～500毫米的橢球反光鏡(圖5中的40)，c，通光口徑為10×10平方毫米～100×100平方毫米，焦距為30～500毫米的柱面鏡(圖4中的43)；色散系統(tǒng)(2)采用垂直對(duì)稱色散光路，入射窗口處有一可調(diào)狹縫［12］，一個(gè)固定的出射光譜口［16］，一個(gè)口徑20×20～200×200平方毫米和半徑為300～2000毫米凹面反射鏡［13］，一個(gè)導(dǎo)光平面反射鏡［15］，一個(gè)150條～1800條／毫米，口徑10×10～100×100平方毫米平面光柵［14］；探測系統(tǒng)(3)用圖象傳感器CCD［17］作接收元件，在CCD的入射窗口放置一個(gè)部分鍍?yōu)V短波干涉膜，部分不鍍(或鍍?cè)鐾?膜的二級(jí)光譜濾光片［36］；用系統(tǒng)同步控制電路(4)通過光電隔離器［37］［38］［39］連接光源系統(tǒng)與I／O接口［22］，通過I／O接口［22］連接高速數(shù)據(jù)采集電路［26］和CCD驅(qū)動(dòng)電路［18］；微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)包含了按光譜光度計(jì)量要求的能量校正和波長標(biāo)定的軟件處理程序。
閃光光譜測定儀的優(yōu)點(diǎn)在于能直接測量一次性瞬時(shí)光源的光譜光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，它既合乎國際照明委員會(huì)(CIE)的光譜光度計(jì)量要求，而且成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。
圖1是二級(jí)光譜濾光片鍍膜部分透過率曲線圖(實(shí)施例)；圖2是閃光光譜測定儀總體結(jié)構(gòu)框圖，(1)光源系統(tǒng)，(2)色散系統(tǒng)，(3)探測系統(tǒng)，(4)系統(tǒng)同步控制電路，(5)微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，(6)監(jiān)測系統(tǒng)；7－－光源控制器；8－－脈沖光源電源；9－－脈沖氙燈；10－－聚光透鏡；11－－積分球；12－－入射狹縫；13－－凹面反光鏡；14－－平面光柵；15－－平面導(dǎo)光鏡；16－－出射光譜口；17－－CCD；18－－CCD驅(qū)動(dòng)電路；19－－CCD信號(hào)處理電路；20－－同步信號(hào)；21－－時(shí)鐘信號(hào)；22－－I／O接口；23－－充電信號(hào)；24－－回答信號(hào)；25－－觸發(fā)信號(hào)；26－－高速數(shù)據(jù)采集電路；27－－數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；28－－D／A轉(zhuǎn)換器；29－－接口；30－－打印機(jī)；31－－顯示器；32－－繪圖儀；33－－中央處理器；34－－鍵盤；35－－系統(tǒng)同步控制電路；36－－二級(jí)光譜濾光片。
圖3是光電隔離原理圖；其中20－－同步信號(hào)；22－－I／O接口；23－－充電信號(hào)；24－－回答信號(hào)；25－－觸發(fā)信號(hào)；26－－高速數(shù)據(jù)采集電路；37，38，39－－光電隔離器；圖4是閃光光譜測定儀俯視圖，其中42－－主機(jī)；30－－打印機(jī)；31－－顯示器；32－－繪圖儀；44－－光譜燈(標(biāo)定用)；45－－光譜能量燈(校正用)；46－－活動(dòng)反光鏡；43－－柱面鏡組；12－－入射狹縫。
圖5是閃光光譜測定儀外形圖，其中31－－顯示器；42－－主機(jī)；40－－凹面反射鏡；41－－導(dǎo)軌；32－－繪圖儀；30－－打印機(jī)；12－－入射狹縫；44－－光譜燈；11－－積分球。
圖6(a)、圖6(b)是氙燈實(shí)測曲線圖。
實(shí)施例如圖2、圖4、圖5所示。其光源系統(tǒng)(1)中積分球內(nèi)徑為200毫米，相互垂直的出入口徑為40毫米，橢球反光鏡長軸200毫米，兩焦點(diǎn)距340毫米，口徑90毫米；色散系統(tǒng)(2)中平面光柵150條／毫米，中心波長0.55微米，光柵面積27×27平方毫米，其凹面反射鏡口徑70×90平方毫米，半徑600毫米，探測系統(tǒng)(3)用2048元線陣CCD作接收元件，微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)采用TP801單板機(jī)改制，二級(jí)光譜濾光片在520毫微米以前不透過，0.55微米～1微米的透過率大于60％。我們研制的閃光光譜測定儀實(shí)際測量的兩種脈沖氙燈光譜曲線如圖6(a)和圖6(b)所示。
該儀器性能通過實(shí)際測量如下復(fù)蓋波長范圍345.8～979.4毫微米；定位精度±0.13毫微米(最大值)；波長重復(fù)精度±0.34毫微米(最大值)；波長分辨率2毫微米；相對(duì)能量精度1.9％(最大值)(400～900毫微米)
權(quán)利要求1.一個(gè)閃光光譜測定儀，包括光源系統(tǒng)(1)，色散系統(tǒng)(2)，探測系統(tǒng)(3)，系統(tǒng)同步控制電路(4)，微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，監(jiān)測系統(tǒng)(6)組成。本實(shí)用新型特征是光源系統(tǒng)(1)包括有a.直徑為100～500毫米的積分球[11]，b.長軸為100～500毫米的橢球反光鏡[40]，c.通光口徑為10×10平方毫米～100×100平方毫米，焦距為30毫米～500毫米的柱面反光鏡[43]；色散系統(tǒng)(2)采用垂直對(duì)稱色散光路，入射光窗口處有一可調(diào)狹縫[12]。一個(gè)固定的出射光譜口[16]，一個(gè)口徑為20×20平方毫米～200×200平方毫米，半徑為300毫米～2000毫米的凹面反光鏡[13]，一個(gè)導(dǎo)光平面反射鏡[15]，一個(gè)150～1800條/毫米，口徑10×10平方毫米～100×100平方毫米平面光柵[14]；探測系統(tǒng)(3)用圖象傳感器CCD[17]作接收元件，在CCD的入射窗前放置一個(gè)部分鍍?yōu)V短波干涉膜，部分不鍍(或鍍?cè)鐾改?的二級(jí)光譜濾光片[36]；用系統(tǒng)同步控制電路(4)通過光電隔離器[37][38][39]連接光源系統(tǒng)與I/O接口[22]，通過I/O接口連接高速數(shù)據(jù)采集電路[26]和CCD驅(qū)動(dòng)電路[18]；微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)包含了按光譜光度計(jì)量要求的能量校正和波長標(biāo)定的軟件處理程序。
2.按權(quán)利要求1所述閃光光譜測定儀，本實(shí)用新型特征是光源系統(tǒng)(1)的積分球直徑為200毫米，相互垂直的出入口徑為40毫米，橢球反光鏡長軸為200毫米，兩焦點(diǎn)距340毫米，柱面鏡通光口徑為50×50平方毫米，焦距為140毫米；色散系統(tǒng)(2)中平面光柵150條／毫米，中心波長為0.55微米，光柵口徑27×27平方毫米，其凹面反射鏡口徑70×90平方毫米，半徑為600毫米；探測系統(tǒng)用2048元線陣CCD接收，其單元線長0.014毫米，總光譜區(qū)線長為28.6毫米；微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)采用普通TP801單板機(jī)改制。
專利摘要閃光光譜測定儀屬發(fā)射光譜計(jì)量儀器，主要用來測量瞬態(tài)光源輻射光譜功率分布及其隨時(shí)間的變化，也可對(duì)恒定光源輻射光譜功率分布及其穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，工作波長范圍0.35～1.1微米。該儀器備有積分球、橢球反光鏡、柱面鏡等光傳遞部件；色散系統(tǒng)為平面光柵的垂直對(duì)稱結(jié)構(gòu)；探測系統(tǒng)采用CCD圖象傳感器；控制電路將光源、CCD與A/D同步，微機(jī)系統(tǒng)包含了按光譜光度計(jì)量要求的能量校正和波長標(biāo)定的軟件。
文檔編號(hào)G01J3/28GK2045484SQ88220778
公開日1989年10月4日 申請(qǐng)日期1988年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月9日
發(fā)明者李碩中, 賈福熙, 梁培, 薛愛華, 郭生榮 申請(qǐng)人:國家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)第二○五研究所