CN105043542A - 基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，包括由前向后顺序设置的次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜；可旋转式滤光片盘由若干种不同波长的滤光片组合安装形成；入射光依次经过主镜和次镜汇聚，并经过可调狭缝控制光通量的大小，然后经过可旋转式滤光片盘进行分光，最后经由聚焦透镜实现单色光输出。本发明中的连续可调单色输出装置光路设计简单、容易调试、***可靠性高，且具有很强的通用性。另外，由于组成可旋转式滤光片盘的各个滤光片的波长范围不同，因此通过更换不同波长范围的滤光片组合，能够有效实现可旋转式滤光片盘在宽谱段范围内的连续单色分光输出。

Description

基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置

技术领域

本发明涉及一种基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置。

背景技术

单色仪是一种对光子能量或波长进行高分辨分析和选择的光学器件，是光学和光电子领域从事研究的基础光谱分析和测量仪器。已发展了多种类型的单色仪，从原理上主要可分为透射和反射等类型，从应用模式上可分为光栅型和棱镜型等。光栅型单色仪由于使用较为简单方便，在一定的工作范围内，可通过正弦机械机构，实现对波长的线性扫描控制，因此被广泛应用于科学研究中。但是由于光栅单色仪通常采用正弦杆导轨机构，在实用操作上经常会由于操作失误而导致单色仪的机械损坏。虽然多数情况下可以通过重新定标来恢复工作状态，但这种波长重新定标的工作十分化时间，对仪器操作人员有很高的专业技术要求，经常因此而影响了研究正常开展。为克服这一困难，目前大多数仪器都采用了特殊的机械或电子保护装置，以减少发生机械故障的机会。实际应用中，光栅单色仪另一缺陷是单块光栅仅能覆盖有限的光谱波长范围，即仅覆盖闪耀波长附近较小的光谱范围区，以获得较高的信噪比。因此，在多数情况下，需更换一块至多块光栅才能满足实际光谱测量的需要。而每次更换光栅时，都需对***进行重新定标，在应用上十分不便。另外，为克服光栅二级衍射光的影响，需根据不同的工作光谱区，采用滤色片将二级衍射光滤去，需要采用另一机械或电子装置来准确对滤色片的位置进行定位和控制，这也增加了光谱测量过程的复杂性。

综上，现有技术中基于光栅型分光的单色仪和基于滤光片型分光的单色仪在实际应用中存在如下问题：(1)基于光栅型分光的单色仪光路设计复杂，调试困难，在宽波段范围内使用时需要多片光栅进行三维立体拼接，而导致配重不均匀，存在使电机控制稳定性变差等问题；(2)基于棱镜型分光的单色仪光路设计相对简单，调试容易，但是只能有很窄的光谱分光范围，不适合在宽波段范围应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其采用如下技术方案：

基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，包括由前向后顺序设置的次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜；其中，可旋转式滤光片盘由若干种不同波长的滤光片组合安装形成；入射光依次经过主镜和次镜汇聚，并经过可调狭缝控制光通量的大小，然后经过可旋转式滤光片盘进行分光，最后经由聚焦透镜实现单色光输出。

进一步，次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜共同安装在一块由基板加工形成的构件上。

进一步，通过选择不同波长，可以为任意波段的三片滤光片进行组合实现可旋转式滤光片盘的不同波长范围分光输出。

进一步，所述可旋转式滤光片盘配置有直流无刷电机，且可旋转式滤光片盘的中心转轴与直流无刷电机的转轴固定连接，通过直流无刷电机带动可旋转式滤光片盘旋转。

进一步，所述直流无刷电机配置有电机驱动模块、位置反馈模块和主控电路；位置反馈模块用于检测直流无刷电机实时反馈的当前位置信号，并将所述当前位置信号传递至主控电路；主控电路用于将接收到的当前位置信号与目标设定位置信息进行比较，将比较输出的差值结果传输给控制电机驱动模块，并产生对应的控制信号，由电机驱动模块带动直流无刷电机和可旋转式滤光片盘转动至目标设定位置。

进一步，在主控电路得到输出的差值结果后，将所述差值结果通过数字低通滤波以及PID处理运算后，利用DAC转换模块将数字量转化为模拟量，产生电压驱动信号，并传递给电机驱动模块。

进一步，所述位置反馈模块包括依次连接的编码器、相移倍频电路和可编程计数电路；其中，编码器还与直流无刷电机连接；可编程计数电路还与主控电路连接。

本发明具有如下优点：

本发明述及的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，包括由前向后顺序设置的次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜；其中，可旋转式滤光片盘由若干种不同波长的滤光片组合安装形成；入射光依次经过主镜和次镜汇聚，并经过可调狭缝控制光通量的大小，然后经过可旋转式滤光片盘进行分光，最后经由聚焦透镜实现单色光输出。本发明中的连续可调单色输出装置光路设计简单、容易调试、***可靠性高，且具有很强的通用性。另外，由于组成可旋转式滤光片盘的各个滤光片的波长范围不同，因此通过更换不同波长范围的滤光片组合，能够有效实现可旋转式滤光片盘在宽谱段范围内的连续单色分光输出。

附图说明

图1为本发明中基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置的结构示意图；

图2为图1中可旋转式滤光片盘的结构示意图；

图3为图2中可旋转式滤光片盘旋转驱动***的结构框图；

图4为当前位置反馈信号与目标设定位置的差值结果处理流程图；

其中，1-次镜，2-主镜，3-可调狭缝，4-可旋转式滤光片盘，5-聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，包括由前向后顺序设置的次镜1、主镜2、可调狭缝3、可旋转式滤光片盘4和聚焦透镜5。

其中，可旋转式滤光片盘4由若干种不同波长的滤光片组合安装形成。如图2示出了一种结构形式的可旋转式滤光片盘4。在该结构中，可旋转式滤光片盘4由三个滤光片组成，这三个滤光片分别为CVF1、CVF2和CVF3。

滤光片CVF1、CVF2和CVF3分别具有不同的波长范围，通过上述三个滤光片CVF1、CVF2和CVF3的组合，可以实现可旋转式滤光片盘4不同波长范围的分光输出。

另外，通过更换其他波长范围的CVF1、CVF2和CVF3并进行组合，可以实现可旋转式滤光片盘4的不同波长范围内的分光输出。上述设计使得光路设计较为简单。

入射光依次经过主镜2和次镜1汇聚，并经过可调狭缝3控制光通量的大小，然后经过可旋转式滤光片盘4进行分光，最后经由聚焦透镜5实现单色光输出。

优选地，次镜1、主镜2、可调狭缝3、可旋转式滤光片盘4和聚焦透镜5共同安装在一块由基板加工形成的构件上。该基本可以采用铝板实现。

通过上述设计，使得本发明连续可调单色输出装置具有封闭性，且防尘、防潮、防振动，以加强光路稳定性，光路箱体采用弹性缓冲垫提高抗振效果。

可旋转式滤光片盘的旋转运动是由直流无刷电机控制实现的，如图3所示。

具体的，可旋转式滤光片盘的中心转轴与直流无刷电机的转轴固定连接，通过直流无刷电机带动可旋转式滤光片盘旋转，进而切换到指定波长点处。

另外，直流无刷电机配置有电机驱动模块、位置反馈模块和主控电路。

位置反馈模块用于检测直流无刷电机实时反馈的当前位置信号，并将所述当前位置信号传递至主控电路；主控电路用于将接收到的当前位置信号与目标设定位置信息进行比较，根据比较输出的差值结果控制电机驱动模块，并由电机驱动模块带动直流无刷电机和可旋转式滤光片盘4旋转至目标设定位置，控制精确度高。

具体的，位置反馈模块包括依次连接的编码器、相移倍频电路和可编程计数电路；其中，编码器还与直流无刷电机连接；可编程计数电路还与主控电路连接。

如图4示出了当前位置信号与目标设定位置的差值结果处理流程图。具体的，在主控电路得到输出的差值结果后，将所述差值结果通过数字低通滤波以及PID处理运算后，利用DAC转换模块将数字量转化为模拟量，产生电压驱动信号，并传递给电机驱动模块。

结构装配完成以及直流无刷电机调试通过后，通过窄带激光光源、辐射黑体、红外光谱仪进行波长标定。波长标定的大致过程如下：

首先用多路已知线宽窄带光源射入连续可调单色输出装置的光路输入端；主控电路通过控制电机驱动模块和由可编程计数电路、相移倍频电路、编码器组成的位置反馈模块，将可旋转式滤光片盘旋转到指定分光位置；

然后在连续可调单色输出装置的光路输出端用红外光谱仪进行谱线检测，并记录各个波长对应的直流无刷电机位置；将波长及直流无刷电机位置一一对应标定好之后，生成一个一周步进波长对应表，将此标定表格数据记录到电路板EEPROM存储器件，完成波长校准存储；以后每次测量直接通过直流无刷电机位置与波长进行对应输出；

最后用辐射黑体作为输入，光谱仪测试输出进行重复性试验标定；通过以上准确性和稳定性标定之后，便可实际应用于单色分光输出。

连续可调单色输出装置校准完成定型后，仪器加电开机首先进行功能状态自检，自检通过后，将可旋转式滤光片盘旋转至初始位置，若要执行一次单色光输出操作，首先通过面板按键设置单色输出波长、衰减大小等参数。

根据上述步骤所设置的参数，主控CPU通过总线接口发送到下位机主控电路，通过下位机的局部总线控制芯片的逻辑控制，将各项指令发送到电机驱动模块。

根据上述步骤传来的参数，各个相应模块开始工作。

各个模块开始正常工作之后，可利用装置的反馈接口，实时检测光信号的输出状态。

在上述各个步骤均工作正常后，此时连续可调单色输出装置输出接口处的输出光源即为根据输入参数要求设置后的单色光。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，包括由前向后顺序设置的次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜；其中，可旋转式滤光片盘由若干种不同波长的滤光片组合安装形成；入射光依次经过主镜和次镜汇聚，并经过可调狭缝控制光通量的大小，然后经过可旋转式滤光片盘进行分光，最后经由聚焦透镜实现单色光输出。

2.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，次镜、主镜、可调狭缝、可旋转式滤光片盘和聚焦透镜共同安装在一块由基板加工形成的构件上。

3.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，通过选择不同波长的滤光片进行组合实现可旋转式滤光片盘的不同波长范围分光输出。

4.根据权利要求1所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，所述可旋转式滤光片盘配置有直流无刷电机，且可旋转式滤光片盘的中心转轴与直流无刷电机的转轴固定连接，通过直流无刷电机带动可旋转式滤光片盘旋转。

5.根据权利要求4所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，所述直流无刷电机配置有电机驱动模块、位置反馈模块和主控电路；位置反馈模块用于检测直流无刷电机实时反馈的当前位置信号，并将所述当前位置信号传递至主控电路；主控电路用于将接收到的当前位置信号与目标设定位置信息进行比较，根据比较输出的差值结果控制电机驱动模块，并由电机驱动模块带动直流无刷电机和可旋转式滤光片盘转动至目标设定位置。

6.根据权利要求5所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，在主控电路得到输出的差值结果后，将所述差值结果通过数字低通滤波以及PID处理运算后，利用DAC转换模块将数字量转化为模拟量，产生电压驱动信号，并传递给电机驱动模块。

7.根据权利要求5所述的基于渐变滤光片的连续可调单色输出装置，其特征在于，所述位置反馈模块包括依次连接的编码器、相移倍频电路和可编程计数电路；其中，编码器还与直流无刷电机连接；可编程计数电路还与主控电路连接。