全波段波長掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜分析領(lǐng)域，尤其涉及一種全波段波長掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光譜儀器的波長掃描裝置的設(shè)計通?？煞譃閮深?；一類是采用W正弦機構(gòu)或 凸輪機構(gòu)作為機械分光機構(gòu)，配合光電倍增管（PMT)作為單波長光信號的檢測器件，實現(xiàn)全 譜波長分時掃描；另一類是直接采用電荷禪合器件（CCD)作為全譜光信號檢測器件，實現(xiàn) 全譜波長同時掃描。前者具有掃描精度高、成本低的優(yōu)勢，但因機械結(jié)構(gòu)的限制，將不可避 免地引入一定的機械誤差，且無法顯著提高波長掃描速度；而后者雖然可實現(xiàn)全譜快速同 步掃描，但受電荷禪合器件的自身特性限制，波長準(zhǔn)確度和波長掃描范圍存在瓶頸。
[0003]為了解決波長掃描速度與波長準(zhǔn)確度二者之間的矛盾，也有人提出過使用步進 電機細分直驅(qū)代替正弦機構(gòu)或使用微通道板光電倍增管（MCP-PMT)代替電荷禪合器器件 (CCD)兩種方法來設(shè)計波長掃描裝置。使用步進電機細分直驅(qū)雖然可W減小機械體積和損 耗，但因其驅(qū)動器細分性能和電機自身機械特性所限，無法實現(xiàn)高精度的波長掃描；同時由 于此種方案在光譜繪制方法上還使用舊有模式，因此波長掃描速度的提升并不顯著。而使 用微通道板光電倍增管既保持了傳統(tǒng)光電倍增管靈敏度高和響應(yīng)時間短的優(yōu)點，又實現(xiàn)了 同電荷禪合器件一樣的全譜波長同時掃描，具有瞬態(tài)靈敏度高的特點，但其相對于現(xiàn)有結(jié) 構(gòu)設(shè)計而言存在過高成本的問題。
[0004]根據(jù)公開文獻，為了解決步進電機細分直驅(qū)驅(qū)動方式所存在的缺點，曾出現(xiàn)使用 伺服電機直驅(qū)旋轉(zhuǎn)光柵結(jié)構(gòu)完成波長掃描的方法。但在實踐中該光柵驅(qū)動結(jié)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)時 會表現(xiàn)出較差的旋轉(zhuǎn)動平衡性能，從而嚴(yán)重降低光譜信號的信噪比，影響該結(jié)構(gòu)的實用性。 同時由于傳統(tǒng)設(shè)計中，出射光濾光片被設(shè)計在出射狹縫之后，在光柵高速旋轉(zhuǎn)時難W實現(xiàn) 濾光同步，無法解決衍射光柵次級光譜問題，因此基于此公開文獻所述方法的掃描裝置在 分光光度計儀器上幾乎沒有實用意義。
[0005]在所述【背景技術(shù)】部分公開的上述信息僅用于加強對本發(fā)明的背景的理解，因此它 可W包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種全波段波長掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法，W改 進現(xiàn)有技術(shù)，在顯著提高全波段波長掃描系統(tǒng)的掃描速度的同時，保持光電倍增管高響應(yīng) 速度、高靈敏度的工作性能，改善系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)動平衡性能，濾除衍射光柵次級光譜，從而實現(xiàn) 光譜信號的高信噪比可用性，并維持相對低廉的成本。
[0007]本發(fā)明的額外方面和優(yōu)點將部分地在下面的描述中闡述，并且部分地將從描述中 變得顯然，或者可W通過本發(fā)明的實踐而習(xí)得。
[0008]本發(fā)明一方面公開了一種全波段波長掃描系統(tǒng)，包括：光源、分光機構(gòu)、樣品室及 光信號采集處理系統(tǒng)，其中分光機構(gòu)包括光柵、濾光片、光柵驅(qū)動電機、光電編碼器及旋轉(zhuǎn) 臺座；其中光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺座上固定安裝，并同軸旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)臺座、光柵驅(qū)動電機及 光電編碼器基于連接軸同軸連接；光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)，電編碼器用于實時反饋光柵的轉(zhuǎn) 角數(shù)據(jù)給光信號采集處理系統(tǒng)；光信號采集處理系統(tǒng)用于根據(jù)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從樣品室輸出的 光信號輸出光譜曲線。
[0009] 本發(fā)明另一方面公開了一種用于波長掃描系統(tǒng)的光譜曲線繪制的方法，其中波長 掃描系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)光柵、用于實時反饋旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的光電編碼器及用于輸出由獲 取的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器，該方法包括：同步接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信 號與光電編碼器實時反饋的旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，將從數(shù)字信號獲取的光譜能量及與其對 應(yīng)的從轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位置計數(shù)值編碼后輸出；接收并解析編碼后的光譜能量及與其對應(yīng) 的位置計數(shù)值，進行光譜曲線的定標(biāo)；W及，確定每個位置計數(shù)值所對應(yīng)的波長，根據(jù)光譜 能量和與其對應(yīng)的位置計數(shù)值對應(yīng)的波長，繪制出光譜曲線。
[0010] 本發(fā)明再一方面公開了一種分光機構(gòu)，包括；光柵、濾光片、光柵驅(qū)動電機、光電編 碼器及旋轉(zhuǎn)臺座；其中，光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺座上固定安裝，并同軸連接；旋轉(zhuǎn)臺座、光 柵驅(qū)動電機及光電編碼器基于連接軸同軸連接；光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)，光電編碼器用于實 時反饋輸出光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。
[0011] 進一步地，濾光片相對光柵的位置由光柵出射的衍射光至濾光片的光路長L確 定，光路長L滿足公式
[0012]
【主權(quán)項】
1. 一種全波段波長掃描系統(tǒng)，包括光源（10)、分光機構(gòu)（20)、樣品室（30)及光信號 采集處理系統(tǒng)（40)，其中所述分光機構(gòu)（20)包括光柵（201)、濾光片（202)、光柵驅(qū)動電機 (203)、光電編碼器（204)及旋轉(zhuǎn)臺座（205)，其特征在于， 所述光柵（201)與所述濾光片（202)于所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)上固定安裝，并同軸旋轉(zhuǎn)； 所述旋轉(zhuǎn)臺座（205 )、所述光柵驅(qū)動電機（203 )及所述光電編碼器（204 )基于連接軸同 軸連接； 所述光柵（201)連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)，所述光電編碼器（204)用于實時反饋所述光柵（201) 的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)給所述光信號采集處理系統(tǒng)（40);以及， 所述光信號采集處理系統(tǒng)（40 )用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從所述樣品室（30 )輸出的光 信號輸出光譜曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片（202)相對所述光 柵（201)的位置由所述光柵（201)出射的衍射光至所述濾光片（202)的光路長L確定，所述 光路長L滿足公式
其中，Lf為所述濾光片（202)表面衍射光路入射點至截止波長入射點的長度，w為光柵 轉(zhuǎn)角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)的轉(zhuǎn)動慣量基 于下述公式獲得：
其中，[W]為是所述分光機構(gòu)（20)內(nèi)除所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)外各旋轉(zhuǎn)組件的最大盈虧 功，Jf為所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)轉(zhuǎn)動慣量；Jm為所述分光機構(gòu)（20)內(nèi)除所述旋轉(zhuǎn)臺座（205) 外各旋轉(zhuǎn)組件的轉(zhuǎn)動慣量和；n m為平均轉(zhuǎn)速；[δ ]為許用運轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的全波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，通過采用所述分光機構(gòu)（20)內(nèi)除 所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)外各旋轉(zhuǎn)組件的轉(zhuǎn)動慣量和J m及所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)轉(zhuǎn)動慣量Jf的 慣量匹配，獲得所述旋轉(zhuǎn)臺座（205)的轉(zhuǎn)動慣量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述連接軸的旋轉(zhuǎn)套筒（209) 與錐面轉(zhuǎn)軸（210)的連接采用了錐面緊固密配配接方式設(shè)計。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述分光機構(gòu)（20)內(nèi)各旋轉(zhuǎn) 組件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動平穩(wěn)度不滿足要求時，進行動平衡校正。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述光信號采集處理系統(tǒng)（40)包 括光電探測器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)通信處理與控制器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測器為光電倍增管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器為現(xiàn) 場可編程門陣列，用于同步接收所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號與所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，及將從 所述數(shù)字信號獲取的光譜能量值及與其對應(yīng)的從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位置計數(shù)值編碼后 輸出。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括上位機，以接 收并解析所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器輸出的光譜能量值及與其對應(yīng)的位置計數(shù)值，進行光 譜曲線坐標(biāo)系的定標(biāo)，及根據(jù)所述的光譜能量值及與其對應(yīng)的位置計數(shù)值繪制完整的光譜 曲線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的全波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，在所述旋轉(zhuǎn)臺座 (205)上并立多個光柵（201)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的全波長掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述濾光片（202)選 用線性可變?yōu)V光片，或者選用多通道帶通濾光片。
13. -種用于波長掃描系統(tǒng)的光譜曲線繪制的方法，所述波長掃描系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)光柵、 用于實時反饋所述旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的光電編碼器及用于輸出由獲取的光信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述方法包括： 同步接收所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號與所述光電編碼器實時反饋的所述旋轉(zhuǎn)光 柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，將從所述數(shù)字信號獲取的光譜能量及與其對應(yīng)的從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位 置計數(shù)值編碼后輸出； 接收并解析所述編碼后的所述光譜能量及與其對應(yīng)的所述位置計數(shù)值，進行所述光譜 曲線的定標(biāo)；以及， 確定每個所述位置計數(shù)值所對應(yīng)的波長，根據(jù)所述光譜能量和與其對應(yīng)的所述位置計 數(shù)值對應(yīng)的所述波長，繪制出所述光譜曲線。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的光譜曲線繪制的方法，其特征在于，從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位 置計數(shù)值包括：所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)包括A相脈沖和Z相脈沖，當(dāng)所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器接收 到一個A相脈沖時，對一位置計數(shù)值累加，并于收到一個Z相脈沖時，清零該位置計數(shù)值。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的光譜曲線繪制的方法，其特征在于，進行所述光譜曲線圖 的定標(biāo)包括： 尋找零級特征峰，即原始光譜能量數(shù)據(jù)的最大峰值Ymax和對應(yīng)位置計數(shù)值Xmax :從 Xmax開始分別往前、后查找Ymax/2處的位置計數(shù)值Xl和X2,確定所述零級特征峰的中心 位置計數(shù)值為（X1+X2)/2,并以該位置計數(shù)值作為所述光譜曲線坐標(biāo)系的零點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全波段波長掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法。其中，該全波段波長掃描系統(tǒng)包括光源、分光機構(gòu)、樣品室及光信號采集處理系統(tǒng)，其中分光機構(gòu)包括光柵、濾光片、光柵驅(qū)動電機、光電編碼器及旋轉(zhuǎn)臺座，其中光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺座上固定安裝，并同軸旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)臺座、光柵驅(qū)動電機及光電編碼器基于連接軸同軸連接；光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)，電編碼器用于實時反饋光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)給光信號采集處理系統(tǒng)；光信號采集處理系統(tǒng)用于根據(jù)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從樣品室輸出的光信號輸出光譜曲線。
【IPC分類】G01J3-02, G01J3-06, G01J3-28, G02B26-04
【公開號】CN104748847
【申請?zhí)枴緾N201310753875
【發(fā)明人】牛建會, 孫金龍, 強偉鋒, 周艦, 尚國強, 李浩*, 王凌昊
【申請人】北京普析通用儀器有限責(zé)任公司
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月31日