专利名称：光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及光谱测量，特别是一种能够测量大尺寸光学元件的光学 元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法。 '
背景技术：
分光光度计是光学元件光谱特性测量最常见的测量仪器，它可以测 量光学元件的反射率、透射率、吸收等光谱特性。
现有的分光光度计的光路图如图1所示，光源04由卤素灯01、氖 灯03和第一半透半反镜02构成，第一半透半反镜02的旋转轴与主光路 成22. 5° ，氘灯03的光轴与第一半透半反镜02的旋转轴成22. 5° ;光 源04发出的光经单色系统07后成为单色光，单色光经第二半透半反镜 09后分成透射光束和反射光束，水平的透射光束用作测量光束，反射光 束用作参考光束，样品IO竖直地置于测量光路中。像一些大型光学系统 中使用的光学元件，由于元件尺寸和质量都较大，现有分光光度计的样 品室无法放置，并且如果元件竖直放置，不能保证测量元件的安全，所 以，现有的分光光度计不能满足大尺寸光学元件光谱测量的需要。另外， 现有分光光度计只能进行光学元件的单点的光谱测量，不能对光学元件 进行二维自动面扫描测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种 光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法，该装置能测量大尺寸光 学元件透射光谱，并且对大尺寸光学元件自动进行二维面扫描透射光谱
本发明的解决方案如下
一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置，其构成包括光源、光 阑、第一会聚镜、单色系统、准直透镜组和第二半透半反镜、参考光路、 测量光路、第三半透半反镜、第二会聚镜、待测样品、信号接收系统和 计算机，其特点在于
所述的测量光路由第二半透半反镜反射的竖直光路和依次设置的待 测样品、第一反射镜、第三半透半反镜和第二会聚镜构成；所述的待测 样品置于样品台上，该样品台由样品架、燕尾式滑动导轨和二维电动平 移台构成，所述的待测样品水平地放置在所述的样品台的样品架上，所 述的待测样品随着二维电动平移台进行二维移动；
所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜的水平光路和依次设 置的第二反射镜、第三半透半反镜和第二会聚镜构成；
所述的计算机的输入端接所述的信号接收系统的输出端，该计算机 具有控制软件，该计算机通过信号线分别与所述的第一半透半反镜、第 二半透半反镜、第三半透半反镜、单色系统和二维电动平移台相连，所 述的计算机通过控制软件控制所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、 第三半透半反镜、单色系统和二维电动平移台的运动。
所述的光源由卤素灯、第一半透半反镜和気灯构成，在一条直线上 的所述的卤素灯、第一半透半反镜、光阑、第一会聚镜、单色系统、准 直透镜组和第二半透半反镜构成主光路，所述的第一半透半反镜的旋转 轴与所述的主光路成22.5° ，所述的氘灯的光轴与所述的第一半透半反 镜的旋转轴成22.5。。
所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜都是一 绕其垂直的旋转轴旋转的圆片，该圆片的一半为通光孔，另一半是反光 的半圆片。
所述的信号接收系统由光电倍增管和A/D转换器构成。
利用所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置进行光学元件透 射光谱自动面扫描测量的方法，其特征在于包括下列步骤
① 首先在所述的计算机上设置测量光谱范围^tart、 Xend，测量波长间隔 AX，测量元件尺寸X^e、 y^e以及面扫描测量的点数N;
② 在所述的样品台上先不放置待测样品，对测量装置进行校零；根据 预先设置的测量光谱范围，通过第一半透半反镜的旋转选择卤素灯或氘 灯作为光源，将所述的单色系统的波长调节至^tart，光源发出的光经光 阑和第一会聚镜后进入单色系统，单色系统出射的单色光经准直透镜组 变成平行光束，然后入射到第二半透半反镜上，该第二半透半反镜将入 射光束分成透射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，经第二反射 镜反射至第三半透半反镜，反射光束作为测量光束，穿过所述的样品台 经第一反射镜反射至第三半透半反镜，该第三半透半反镜将参考光束和 测量光束合成一束，经第二会聚镜后进入光电倍增管检测并输出模拟信 号，A/D转换器将光电倍增管的模拟信号转换成数字信号输入所述的计 算机，该计算机通过所述的控制软件控制所述的第二半透半反镜和第三
半透半反镜同步旋转，采集所述的A/D转换器的数据，获得当前波长的测
量光路的透过率L co和参考光路的透过率iv a)，并分别将信号保存在
数组L[num]、 T]'[num]中，然后控制软件将所述的单色系统的波长调节
为X+AX，重复上述步骤，直至获得所要测量波长范围内测量光路的全
部透过率信息LCW)，……，TV0w)和参考光路的全部透过率信息
TV(W)，……，T/(U)，校零完毕；
③在样品台上放置待测样品，重复第②步的操作对所述的待测样品
进行测量，得到所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息 T2astart)，……，T2(U和参考光路的全部透过率信息TU，……，
丁2，(入end);
④ 计算机进行数据处理TCO= OV(X) XT丄(人歸2(人)x糊),其中 X的范围为、m到Xend，即获得待测样品一个测量点的透过率T(入)；
⑤ 计算机(21)根据面扫描测量的点数N，通过所述的二维电动平 移台(13)将待测样品(10)驱动到下一个测量点位置，然后重复第③、 @步的测量，完成该测量点的测量；
⑥ 重复第⑤步，直至完成测量范围内待测样品(10)所有设定的测 量点的透射光谱测量。
本发明的技术效果
① 本发明所述的待测样品水平地放置在所述的样品台的样品架 上，因此可以测量大尺寸光学元件的透射光谱，与传统的分光 光度计相比，最大被测元件尺寸大大增加；
② 本发明采用二维电动平移台，利用控制软件实现了光学元件的 透射光谱的自动面扫描测量，测量过程中无需人工介入。
③ 本发明将待测大尺寸元件水平放置，确保待测元件的安全性。
④ 本发明的计算机在Win9x/NT/XP操作系统下全自动控制本发明 装置自动运行，命令输入操作方便。
本发明实现了大尺寸光学元件的透射光谱测量，可测量的光学 元件的最大尺寸为400腿X600mm;利用计算机的控制软件的控制
实现了光学元件的自动面扫描测量。 '
图1是现有分光光度计的原理图和主光路图
图2是本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置的结构示意图 图3是本发明中半透半反镜的平面结构图 图4是本发明中控制软件的流程图
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本 发明的保护范围。
先请参阅图2，图2是本发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装 置的结构示意图，也是本发明一个实施例的结构示意图，由图可见，本 发明光学元件透射光谱自动面扫描测量装置，其构成包括光源04、光阑 05、第一会聚镜06、单色系统07、准直透镜组08和第二半透半反镜09、 参考光路、测量光路、第三半透半反镜17、第二会聚镜18、样品10、 信号接收系统22和计算机21，所述的测量光路由第二半透半反镜09反 射的竖直光路和依次设置的待测样品10、第一反射镜15、第三半透半反 镜17和第二会聚镜18构成；
所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜09的水平光路和依 次设置的第二反射镜16、第三半透半反镜17和第二会聚镜18构成；
所述的待测样品10置于样品台14上，该样品台14由样品架12、 燕尾式滑动导轨11和二维电动平移台13构成，所述的待测样品10水平 地放置在所述的样品台14的样品架12上，所述的待测样品10随着二维 电动平移台13进行二维移动；
所述的计算机21的输入端接所述的信号接收系统22的输出端，该 计算机21具有控制软件，该计算机21通过信号线分别与所述的第一半 透半反镜02、第二半透半反镜09、第三半透半反镜17、单色系统07和 二维电动平移台13相连，所述的计算机21通过控制软件控制所述的第 一半透半反镜02、第二半透半反镜09、第三半透半反镜17、单色系统07和二维电动平移台13的运动。
所述的光源04由卤素灯01、第一半透半反镜02和氘灯03构成， 在一条直线上的所述的卤素灯01、第一半透半反镜02、光阑05、第一 会聚镜06、单色系统07、准直透镜组08)和第二半透半反镜09构成主 光路，所述的第一半透半反镜02的旋转轴与所述的主光路成22.5° ， 所述的氘灯03的光轴与所述的第一半透半反镜02的旋转轴成22. 5° 。
所述的第一半透半反镜02、第二半透半反镜09和第三半透半反镜 17都是一绕其垂直的旋转轴旋转的圆片，参见图2，该圆片的一半为通 光孔，另一半是反光的半圆片。
样品台14的最大载重为50kg，可测量的待测样品10最大尺寸为 400mmX600mm。鉴于待测样品10的尺寸和质量都较大，将待测样品10 水平放置于样品台14上，可以保证待测样品10的安全性；样品架12 的大小可以调节。
第一半透半反镜02、第二半透半反镜09和第三半透半反镜17、单 色系统07、 二维电动平移台13、 A/D转换器20通过数据线和计算机21 相连，所述控制软件具有采集单色系统07的数据、对单色系统07的当 前波长进行定位以及调节单色系统07波长的功能，还具有采集二维电动 平移台13的数据、对二维电动平移台13的位置进行定位以及驱动二维 电动平移台13至设定位置的功能，此外还有控制第一半透半反镜02、 第二半透半反镜09和第三半透半反镜17的旋转以及转动速率，采集、 处理A/D转换器20信号的功能。测量时，计算机在完成一个点的透射率 测量之后，控制软件的电动平移台控制模块根据预先设定的测量点数和 测量范围，计算两个测量点间的间距，通过二维电动平移台13将样品 IO驱动到下一个测量位置，然后进行下一设置点的测量，直至完成测量 范围内所有设定点的透射光谱测量。
所述第三半透半反镜17将测量光束和参考光束合成一束，经第二会
聚镜18，进入光电倍增管19。测量过程中计算机21控制第二半透半反 镜09和第三半透半反镜17同步转动，即同时提供透射或者反射的功能， 并且在计算时加以区分，这样通过一个信号接收系统22就能探测测量光 束和参考光束的光强。
本发明的工作情况如下
图4所示为本发明控制软件的流程图，利用本发明光学元件透射光谱 自动面扫描测量装置进行光学元件透射光谱自动面扫描测量的方法，包 括下列步骤
① 首先在所述的计算机上设置测量光谱范围^tart、 ^nd，测量波长间隔 △X，测量元件尺寸X^e、 y^e以及面扫描测量的点数N;
② 在所述的样品台14上先不放置待测样品10，对测量装置进行校零
根据预先设置的测量光谱范围，通过第一半透半反镜02选择卤素灯01或 気灯03作为光源，将所述的单色系统07的波长调节至^M，光源发出的 光经光阑05和第一会聚镜06后进入单色系统07，由单色系统07出射的单 色光经准直透镜组08变成平行光束，然后入射到第二半透半反镜09上， 该第二半透半反镜09在计算机21的控制下高速旋转，将入射光束分成透 射光束和反射光束，透射光束作为参考光束，经第二反射镜16反射至第 三半透半反镜17，反射光束作为测量光束，穿过所述的样品台14经第一 反射镜15反射至第三半透半反镜17，该第三半透半反镜17将参考光束和 测量光束合成一束，经第二会聚镜18后进入光电倍增管19检测并输出模 拟信号，A/D转换器20将光电倍增管19的模拟信号转换成数字信号输入 所述的计算机21，该计算机21通过所述的控制软件控制所述的第二半透
半反镜09和第三半透半反镜17同步旋转，采集所述的A/D转换器20的数
据，获得当前波长的测量光路的透过率La)和参考光路的透过率iva)，
并分别将信号保存在数组Ti[num]、 T/[num]中，然后控制软件将所述的 单色系统07的波长调节为人+AX，重复上述步骤，直至获得所要测量波
长范围内测量光路的全部透过率信息T,a^J，……，La^)和参考光 路的全部透过率信息TU，……，TD，校零完毕；
③ 在样品台14上放置待测样品10，重复第②步的操作对所述的待
测样品IO进行测量，得到所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信 息T2( istart),……，T2(、nd)和参考光路的全部透过率信息TV(Xstart) ， ，
丁2' (Xencl);
④ 计算机2i进行数据处理m)二 (雄x纖)/餘)xiva))，
其中X的范围为^tart到^nd，即获得待测样品10 —个测量点的透过率
⑤ 计算机21根据面扫描测量的点数N，通过所述的二维电动平移台 13将待测样品10驱动到下一个测量点位置，然后重复第③、@步的测 量，完成该测量点的测量；
⑥重复第⑤步，直至完成测量范围内待测样品IO所有设定的测量点 的透射光谱测量。
本发明实现了大尺寸光学元件的透射光谱测量，可测量的光学元件 的最大尺寸为400mmX600mm;利用计算机的控制软件的控制实现了光学 元件的自动面扫描测量。
权利要求
1、一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置，其构成包括光源(04)、光阑(05)、第一会聚镜(06)、单色系统(07)、准直透镜组(08)和第二半透半反镜(09)、参考光路、测量光路、第三半透半反镜(17)、第二会聚镜(18)、待测样品(10)、信号接收系统(22)和计算机(21)，其特征在于所述的测量光路由第二半透半反镜(09)反射的竖直光路和依次设置的待测样品(10)、第一反射镜(15)、第三半透半反镜(17)和第二会聚镜(18)构成；所述的待测样品(10)水平地放置在所述的样品台(14)的样品架(12)上，该样品台(14)由样品架(12)、燕尾式滑动导轨(11)和二维电动平移台(13)构成，所述的待测样品(10)随着二维电动平移台(13)进行二维移动；所述的参考光路由通过所述的第二半透半反镜(09)的水平光路和依次设置的第二反射镜(16)、第三半透半反镜(17)和第二会聚镜(18)构成；所述的计算机(21)的输入端接所述的信号接收系统(22)的输出端，该计算机(21)通过信号线分别与所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三半透半反镜(17)、单色系统(07)和二维电动平移台(13)相连，所述的计算机(21)通过具有的控制软件控制所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三半透半反镜(17)、单色系统(07)和二维电动平移台(13)的运动。
2、 根据权利要求1所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置， 其特征在于所述的第一半透半反镜(02)、第二半透半反镜(09)、第三 半透半反镜(17)都是一块绕其垂直的旋转轴旋转的圆片，该圆片的一半 为通光孔，另一半是全反光的半圆片。
3、根据权利要求1或2所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装 置，其特征在于所述的信号接收系统(22)由光电倍增管(19)和A/D 转换器(20)构成。
4、利用权利要求3所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置进行 光学元件透射光谱自动面扫描测量的方法，其特征在于包括下列步骤① 所述的光学元件透射光谱自动面扫描测量装置启动后，首先在所述的计算机(21)上设置待测样品(10)的测量光谱范围Xstart、 Xend，测量 波长间隔AX，测量元件尺寸Xs^e、 y^e以及面扫描测量的点数N;② 在所述的样品台(14)上先不放置待测样品(10)，对测量装置进行校零根据预先设置的测量光谱范围，通过第一半透半反镜(02)选择卤素灯(01)或氖灯(03)作为光源，将所述的单色系统(07)的波 长调节至^M，光源发出的光经光阑(05)和第一会聚镜(06)后进入 单色系统(07)，单色系统(07)出射的单色光经准直透镜组(08)变成 平行光束，然后入射到第二半透半反镜(09)上，所述的计算机(21) 通过所具有的控制软件控制所述的第二半透半反镜(09)和第三半透半反 镜(17)同步旋转，该第二半透半反镜(09)在所述的计算机(21)的控 制下高速旋转，将入射光束分成透射光束和反射光束，透射光束作为参 考光束，经第二反射镜(16)反射至第三半透半反镜(17)，反射光束作 为测量光束，穿过所述的样品台(14)经第一反射镜(15)反射至第三 半透半反镜(17)，该第三半透半反镜(17)将参考光束和测量光束合成 一束，经第二会聚镜(18)后进入光电倍增管(1.9)检测并输出模拟信 号，A/D转换器(20)将光电倍增管(19)的模拟信号转换成数字信号输入所述的计算机(21)，该计算机(21)采集所述的A/D转换器(20)的数据，获得当前波长的测量光路的透过率La)和参考光路的透过率TVa)，并分别将信号保存在数组L[num]、 TV[n咖]中，然后控制软件将 所述的单色系统(07)的波长调节为+AX二X，重复上述步骤，直至获 得所要测量波长范围内测量光路的全部透过率信息La^j,……，La^)和参考光路的全部透过率信息:tu,……，n)，校零完毕；③在样品台(14)上放置待测样品(10)，重复第②步的操作对所述 的待测样品(10)进行测量，得到所要测量波长范围内测量光路的全部 透过率信息:TU,……，T2(、J和参考光路的全部透过率信息 丁2' (Xtart) ，， T2， (Xend); 计算机(21)进行数据处理T CO = (TV 00 X L CO ) / (T2 (" X ), 其中人的范围为Xstart到xend，即获得待测样品(10) —个测量点的透过率T(";(D计算机(21)根据面扫描测量的点数N，通过所述的二维电动平 移台(13)将待测样品(10)驱动到下一个测量点位置，然后重复第③、 步的测量，完成该测量点的测量；⑥重复第⑤步，直至完成测量范围内待测样品(10)所有设定的测 量点的透射光谱测量。
全文摘要
一种光学元件透射光谱自动面扫描测量装置和方法，装置的构成包括光源、光阑、第一会聚镜、单色系统、准直透镜组和第二半透半反镜、参考光路、测量光路、第三半透半反镜、第二会聚镜、待测样品、信号接收系统和计算机，其特点在于所述的测量光路对水平地放置的待测样品进行测量；所述的计算机具有控制软件，该计算机通过信号线分别与第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、单色系统、二维电动平移台和信号接收系统相连，本发明实现了光学元件的透射光谱测量，可测量的光学元件的最大尺寸为400mm×600mm；利用计算机的控制软件的控制实现了光学元件的自动面扫描测量。
文档编号G01J3/28GK101387551SQ20081020206
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者葵 易, 朱美萍, 范正修 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所