專利名稱：高光譜分辨光學(xué)多道分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種將通用光學(xué)多道分析儀(OMA)改作高光譜分辨測量的光學(xué)多道分析儀，該儀器適用于各種高分辨光譜的測量及研究，特別適用于對瞬態(tài)和弱光源的測量。
OMA是近年出現(xiàn)的新興設(shè)備，它是綜合攝譜儀和光電分光光度計兩者優(yōu)點而形成的目前最先進的通用光譜設(shè)備。它集光譜信息采集、處理、存貯、顯示于一身，可作幾乎各種類型的光譜工作，二維OMA尚可作圖象亮度定值分析及處理?？墒?，由于OMA是攝譜儀和光電分光光度計綜合發(fā)展的第一代產(chǎn)品，因此尚有自身需要完善的地方，也有其適應(yīng)新的光譜研究領(lǐng)域需要解決的問題，其中分辨率低是重大不足。此外，由于目前的光電多道探頭尺寸有限，一般探頭有效長度是12.5mm或25mm，故造成作為光譜測量時存在同時譜寬與分辯率間有矛盾。若采用線色散較大的分光系統(tǒng)，則分辨率可較高，但同時一次采得的譜寬就窄。反之，若分光系統(tǒng)線色散小，譜寬可寬，但分辨率低。通用光學(xué)多道分析儀兼顧兩者，分光系統(tǒng)線色散約在20～30埃/毫米，其同時譜寬約是300埃(對12.5mm長探頭)或600埃(對25mm長探頭)左右，它們的實際分辨率約為2埃左右。這樣的分辨率對許多光譜工作是不夠的，更不用說作高分辨工作。
本發(fā)明的目的是提供一種用低光譜分辨的光學(xué)多道分析儀(OMA)改作高分辨光譜測量的光學(xué)多道分析儀，它是在通用OMA系統(tǒng)上加裝一光學(xué)附件，在自編軟件控制下，可實現(xiàn)在不減小原OMA的同時譜寬的前提下，獲得該波長區(qū)域內(nèi)各條譜線的高分辨率光譜，其分辨率比原有OMA提高一至二個量級，可達到0.007nm以下。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的將自行設(shè)計的高分辨光學(xué)部件與原低分辨的OMA分光系統(tǒng)結(jié)合，使沿探頭長方向展開的低分辨譜不變，而沿探頭高方向?qū)⒚恳蛔V道之高分辨譜展開。利用二維多道分跡采譜，用軟件作數(shù)據(jù)處理和顯示各指定道之高分辨譜。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理由以下附圖和實施例給出。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理圖;
圖2是光學(xué)附件結(jié)構(gòu);
圖3是自編軟件工作程序的流程;
圖4、圖5是正常蔡曼效應(yīng)的譜線分辨率驗證結(jié)果。
實施例一、儀器結(jié)構(gòu)及工作原理本發(fā)明主要包括光學(xué)附件和自編控制軟件兩部分，光學(xué)附件是由標(biāo)準(zhǔn)具、光學(xué)成象系統(tǒng)和光纖組成;控制軟件可自動完成高、低分辨率光譜的光譜采集、處理、顯示、存貯和打印功能。其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，A0是光源，A1是高分辨光學(xué)附件。各種波長的光通過此附件后，在其象面上形成各自的多光束干涉環(huán)紋組，其靠近中心的環(huán)紋有很大的線色散和高分辨率特性。A1的象面恰落于OMA中的多色儀A2的入射狹縫面上，且狹縫恰將各組環(huán)紋一分為二，只讓縫寬內(nèi)的光進入多色儀A2，并使進入之光象沿狹縫長方向分布的干涉強度明顯變化地分布。多色儀A2的色散系統(tǒng)使各波長的干涉圖象又沿狹縫寬方向作較低色散的分布，這樣可使波長差較大的干涉圖樣分開，而只有波長差小于原多色儀每道分辨率的光之干涉圖象被置于多色儀出射面處的二維多道探頭A3的各象元所接收。A3是在探頭控制器A4的控制下作分跡、分道光電轉(zhuǎn)換和采集數(shù)據(jù)。而A4又是在OMA主機A5的控制下作采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后把所得數(shù)據(jù)提供給A5，為了能自動測量，并能輸出高分辨率譜，主機A5是在自編軟件A6控制下運行。A6規(guī)定采集數(shù)據(jù)的條件和方式，作數(shù)據(jù)處理，繪出高、低譜圖，還能輸出數(shù)據(jù)，具體功能見圖3說明。
二、光學(xué)附件設(shè)計方法根據(jù)OMA中多色儀的實際譜道分辨率和標(biāo)準(zhǔn)具(F-P)理論，算出滿足分辨率銜接要求的最大F-P厚度值。再根據(jù)所要求提高的分辨率，設(shè)計F-P的精巧系數(shù)和選定F-P厚度值。按照多道探頭的分跡精度設(shè)計成象透鏡參數(shù)和組裝參數(shù)。
在不考慮分辨率銜接時，可設(shè)計更高分辨率的光學(xué)附件，此時F-P的不重疊區(qū)域較小。根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計的光學(xué)附件結(jié)構(gòu)見圖2，該附件主要包括面光源系統(tǒng)(1、2、3、5、6、7)、標(biāo)準(zhǔn)具(8)和成象系統(tǒng)(9、10、11、12)。它們的尺寸參數(shù)需有恰當(dāng)匹配。傳光光纖1裝于光纖夾頭2和3之內(nèi)，在恰當(dāng)配整位置后被固定于套筒4中。消色差透鏡組6由隔環(huán)5、7固定于套筒4內(nèi)。固定式標(biāo)準(zhǔn)具8與消色差透鏡組10一起由隔環(huán)9、10固定。套筒12起連接和象面調(diào)整作用。標(biāo)準(zhǔn)具8的厚度與反射率兩參數(shù)是設(shè)計的關(guān)鍵問題。隨分辨率要求不同，標(biāo)準(zhǔn)具8的厚度可在0.5-10mm以內(nèi)選用，反射率要高于85%。此外，消色差透鏡6和10的焦距也極為重要，不同情況可在40-120mm內(nèi)改變。
三、自編軟件流程本發(fā)明的自編軟件程序帶有自動引導(dǎo)執(zhí)行命令，將其放入OMA系統(tǒng)的主微機，就可按圖3中的流程進行。由U1開機后，自動進入軟件運行U2。運行的第一階段是低分辨率譜的采集與顯示(U3-U6)，U3設(shè)置采集參數(shù);U4采低分辨譜;U5顯示低分辨譜;U6顯示相關(guān)參數(shù)。第二階段是采集高分辨譜(U7、U8);U7設(shè)置采集條件;U8采集數(shù)據(jù)。第三階段顯示欲顯示的高分辨譜(U9-U14)于熒光屏上，其中U9指定要顯示的譜道;U10是數(shù)據(jù)處理;U11顯示高分辨譜;U12是人工作顯示修正，以獲得更符合實驗者需要的顯示(也可不作修正);U13輸入修改值;U14顯示相關(guān)系數(shù)，例如顯示譜道，顯示譜寬等。第四階段輸出打印硬拷貝或作新的譜道高分辨的顯示(U15-U17)3U15選擇是否打印;U16打印;U17選擇新的顯示譜道，或作新的譜采集，否則由U18退出本軟件系統(tǒng)。之后，作一般OMA運用。
四、技術(shù)指標(biāo)及驗證本發(fā)明有三項指標(biāo)1、分辨率在0.007nm以下，比原分辨率0.18nm提高一至二個量級;
2、在原系統(tǒng)整個同時譜段內(nèi)，能一次同時獲得各條譜道的高分辨譜;
3、光學(xué)附件至少可工作于500-720nm譜段。
實踐證明，只要設(shè)計和加工好，可獲得整個可見光譜段的工作范圍。根據(jù)蔡曼效應(yīng)，將氖放電管放入磁場，改變磁場強度，可使氖的多條譜線產(chǎn)生不同的裂距變化。為計算和觀察方便，選表現(xiàn)為正常蔡曼效應(yīng)的譜線進行分辨率驗證，其結(jié)果見圖4、圖5。
圖4是驗證分辨率實驗的圖示舉例。圖4a是低分辨率譜，其中箭頭所指處是585.25nm的Ne線，此線實際占探頭的道數(shù)是246-252共7道，中心在249處。圖4b是道249處的高分辨率譜，此時由于未加磁場，故無蔡曼分裂。圖4c、4d、4e分別是加0.47，0.57，0.69特斯拉的磁場時之高分辨率譜，從中可看出不同分裂間距有不同之顯示距離，4c中蔡曼分裂間距是0.0078nm，4d和4e中的蔡曼分裂間距分別是0.0094nm和0.0114nm，由此可見，分辨率小于0.0078nm。
圖5給出570-600nm波段的低分辨譜(5a)和585.2，588.2，594.5，597.6nm四條譜線的高分辨譜(5b、5c、5d、5e)顯示的同時譜，由圖可見，不同譜線有不同的蔡曼裂距。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于1、可獲得原譜寬的同時高分辨譜。
2、低分辨率全段譜與指定顯示的高分辨譜可一齊顯示和打印成硬拷貝，每次可同時有四條光譜線的高分辨率譜。
3、本發(fā)明的光學(xué)附件只作為儀器的一個附件使用，它能在半分鐘內(nèi)快速裝折。加裝光學(xué)附件后，基本不改變OMA原有性能，仍可作一維OMA的測量工作，折除后立即恢復(fù)原OMA的工作狀態(tài)。
4、在OMA第一次裝置或某些特殊改動的情況下，加裝附件需用本發(fā)明的校準(zhǔn)軟件程序幫助校裝，費時只在十分鐘內(nèi)，平時加裝可不再調(diào)撥。
5、費用低廉。本發(fā)明比窄波段的高分辨光譜儀器價格低數(shù)十至上百倍。
本發(fā)明的自編軟件BASIC程序如下自編軟件-工作程序10DEFINT A-D:DEFSNG Q20DIM A(500),C(499,55),D(55),D1(55)30WIPE:INPUT"THE CENTRAL VALUE(NM)OF SPECTRUM REGION ";Q:Q2=INT(Q*10)+1:Q1=Q2-15040 WIPE:OMA("CHT60;X0 1;CHANNELS500;TRACKS 1;Y0 1;DELTAY512")50OMA("ACCUM;PUT L;START;WCD",@A(0))60J=MAXFIND(@A(0)):MAX=A(J):GOSUB 91070MA1=MA:FOR R=0 TO 499:A(R)=A(R)/MA1*200+450:NEXT R80SCALE 1000,70090X=130:Y=450:X1=520:Y1=0:X2=0:Y2=230:S1=130:E1=630:
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3 THEN G2=3 ELSE IF G2<4 THEN G2=4 ELSE IF G2<5 THEN G2=5 ELSE IF G2<6THEN G2=6 ELSEIF G2<7 THEN G2=7 ELSE IF G2<8 THEN G2=8 ELSE IF G2<9 THEN G2=9 ELSE G2=10930MA=G2* 10^(G1-2):RETURN940PLANE 0:PEN 1:PENUP:LOCATE X,Y:PENDOWN:LINE X1,Y1950LOCATE X,Y:LINE X2,Y2960FOR I=S1 TO E1 STEP T1:PENUP:LOCATE I,Y:PENDOWN:LINEX3,Y3:NEXT I970FOR I=S2 TO E2 STEP T2:PENUP:LOCATE X,I:PENDOWN:LINEX4,Y4:NEXT I:RETURN980PENUP:LOCATE 380+J,A(250+J)+26:PEN 0:PENDOWN990LINE 0,-22:LINE 4,8:LINE -4,-8:LINE -4,8:LINE 4,-81000J=J+I:PENUP:LOCATE 380+J,A(250+J)+26:PEN 1:PENDOWN1010LINE 0,-22:LINE 4,8:LINE -4,-8:LINE -4,8:LINE 4,-81020WRCUR 0* 256+10:PRINT"WAVELENGTH:";Q2+J* 0.6:WRCUR0* 256+32:PRINT"I=";(A(J+250)-450)*MA1/200:RETURN
自編軟件-校準(zhǔn)程序10DEFINT A-D20DIM A(500),B(500),C(9,250),D(250)30WIPE:INPUT"THE CENTRAL VALUE(NM) OF SPECTRUM REGION ";Q:Q2=INT(Q* 10)+1:Q1=Q2-15040WIPE:OMA("CHT 60;X0 1;CHANNELS 500;TRACKS 1;Y01;DELTAY 512")50OMA("ACCUM;PUT L;START;WCD",@A(0))60J=MAXFIND(@A(0)):MAX=A(J):GOSUB 59070MA1=MA:FOR R=0 TO 499:A(R)=A(R)/MA1* 200+450:NEXT R80SCALE 1000,70090X=130:Y=450:X1=520:Y1=0:X2=0:Y2=230:S1=130:E1=630:T1=50:X3=0:Y3=-12:S2=450:E2=650:T2=50:X4=-12:Y4=0:GOSUB 620100POKE &H767,1:PRINT @ 100,410,Q1:FOR R=200 TO 600 STEP 100:Q1=Q1+60:
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權(quán)利要求
1.一種高光譜分辨光學(xué)多道分析儀，該儀器含有通用光學(xué)多道分析儀(OMA)，其特征在于在通用OMA上加裝一光學(xué)附件和自編軟件，以實現(xiàn)在不減小原OMA同時譜寬的前提下，獲得該波長區(qū)域內(nèi)各條譜線的高分辨率光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征是所述的光學(xué)附件由面光源系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)具和成象系統(tǒng)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的儀器，其特征是所述的標(biāo)準(zhǔn)具厚度為0.5-10mm，反射率高于85%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的儀器，其特征是所述的面光源系統(tǒng)和成象系統(tǒng)均設(shè)有消色差透鏡，其焦距為40-120mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征是自編軟件工作程序的流程為
全文摘要
一種將通用光學(xué)多道分析儀(OMA)改作高光譜分辨測量的光學(xué)多道分析儀，其特征是在OMA上加裝一光學(xué)附件，在自編軟件控制下，實現(xiàn)原OMA系統(tǒng)整個同時譜段內(nèi)，一次同時獲得各條譜道的高分辨譜。其分辨率可達0.0078nm以下，比原OMA提高一至二個量級。該儀器費用低廉，其光學(xué)附件能快速裝拆，加裝后基本不改變OMA原有性能，拆除后立即成原OMA工作狀態(tài)。適用于多種高分辨光譜的測量及研究，特別適用于對瞬態(tài)和弱光源的測量。
文檔編號G01J3/45GK1077022SQ92102219
公開日1993年10月6日 申請日期1992年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月28日
發(fā)明者林理忠, 雷杰, 普曉云 申請人:云南大學(xué)