全波段波长扫描系统及光谱曲线绘制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱分析领域，尤其涉及一种全波段波长扫描系统及光谱曲线绘制的 方法。
【背景技术】
[0002] 目前光谱仪器的波长扫描装置的设计通常可分为两类；一类是采用W正弦机构或 凸轮机构作为机械分光机构，配合光电倍增管（PMT)作为单波长光信号的检测器件，实现全 谱波长分时扫描；另一类是直接采用电荷禪合器件（CCD)作为全谱光信号检测器件，实现 全谱波长同时扫描。前者具有扫描精度高、成本低的优势，但因机械结构的限制，将不可避 免地引入一定的机械误差，且无法显著提高波长扫描速度；而后者虽然可实现全谱快速同 步扫描，但受电荷禪合器件的自身特性限制，波长准确度和波长扫描范围存在瓶颈。
[0003]为了解决波长扫描速度与波长准确度二者之间的矛盾，也有人提出过使用步进 电机细分直驱代替正弦机构或使用微通道板光电倍增管（MCP-PMT)代替电荷禪合器器件 (CCD)两种方法来设计波长扫描装置。使用步进电机细分直驱虽然可W减小机械体积和损 耗，但因其驱动器细分性能和电机自身机械特性所限，无法实现高精度的波长扫描；同时由 于此种方案在光谱绘制方法上还使用旧有模式，因此波长扫描速度的提升并不显著。而使 用微通道板光电倍增管既保持了传统光电倍增管灵敏度高和响应时间短的优点，又实现了 同电荷禪合器件一样的全谱波长同时扫描，具有瞬态灵敏度高的特点，但其相对于现有结 构设计而言存在过高成本的问题。
[0004]根据公开文献，为了解决步进电机细分直驱驱动方式所存在的缺点，曾出现使用 伺服电机直驱旋转光栅结构完成波长扫描的方法。但在实践中该光栅驱动结构高速旋转时 会表现出较差的旋转动平衡性能，从而严重降低光谱信号的信噪比，影响该结构的实用性。 同时由于传统设计中，出射光滤光片被设计在出射狭缝之后，在光栅高速旋转时难W实现 滤光同步，无法解决衍射光栅次级光谱问题，因此基于此公开文献所述方法的扫描装置在 分光光度计仪器上几乎没有实用意义。
[0005]在所述【背景技术】部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它 可W包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种全波段波长扫描系统及光谱曲线绘制的方法，W改 进现有技术，在显著提高全波段波长扫描系统的扫描速度的同时，保持光电倍增管高响应 速度、高灵敏度的工作性能，改善系统旋转动平衡性能，滤除衍射光栅次级光谱，从而实现 光谱信号的高信噪比可用性，并维持相对低廉的成本。
[0007]本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中 变得显然，或者可W通过本发明的实践而习得。
[0008]本发明一方面公开了一种全波段波长扫描系统，包括：光源、分光机构、样品室及 光信号采集处理系统，其中分光机构包括光栅、滤光片、光栅驱动电机、光电编码器及旋转 台座；其中光栅与滤光片于旋转台座上固定安装，并同轴旋转；旋转台座、光栅驱动电机及 光电编码器基于连接轴同轴连接；光栅连续单方向旋转，电编码器用于实时反馈光栅的转 角数据给光信号采集处理系统；光信号采集处理系统用于根据转角数据及从样品室输出的 光信号输出光谱曲线。
[0009] 本发明另一方面公开了一种用于波长扫描系统的光谱曲线绘制的方法，其中波长 扫描系统包括旋转光栅、用于实时反馈旋转光栅的转角数据的光电编码器及用于输出由获 取的光信号转换为数字信号的A/D转换器，该方法包括：同步接收A/D转换器输出的数字信 号与光电编码器实时反馈的旋转光栅的转角数据，将从数字信号获取的光谱能量及与其对 应的从转角数据获取的位置计数值编码后输出；接收并解析编码后的光谱能量及与其对应 的位置计数值，进行光谱曲线的定标；W及，确定每个位置计数值所对应的波长，根据光谱 能量和与其对应的位置计数值对应的波长，绘制出光谱曲线。
[0010] 本发明再一方面公开了一种分光机构，包括；光栅、滤光片、光栅驱动电机、光电编 码器及旋转台座；其中，光栅与滤光片于旋转台座上固定安装，并同轴连接；旋转台座、光 栅驱动电机及光电编码器基于连接轴同轴连接；光栅连续单方向旋转，光电编码器用于实 时反馈输出光栅的转角数据。
[0011] 进一步地，滤光片相对光栅的位置由光栅出射的衍射光至滤光片的光路长L确 定，光路长L满足公式
[0012]
【主权项】
1. 一种全波段波长扫描系统，包括光源（10)、分光机构（20)、样品室（30)及光信号 采集处理系统（40)，其中所述分光机构（20)包括光栅（201)、滤光片（202)、光栅驱动电机 (203)、光电编码器（204)及旋转台座（205)，其特征在于， 所述光栅（201)与所述滤光片（202)于所述旋转台座（205)上固定安装，并同轴旋转； 所述旋转台座（205 )、所述光栅驱动电机（203 )及所述光电编码器（204 )基于连接轴同 轴连接； 所述光栅（201)连续单方向旋转，所述光电编码器（204)用于实时反馈所述光栅（201) 的转角数据给所述光信号采集处理系统（40);以及， 所述光信号采集处理系统（40 )用于根据所述转角数据及从所述样品室（30 )输出的光 信号输出光谱曲线。
2. 根据权利要求1的全波段波长扫描系统，其特征在于，所述滤光片（202)相对所述光 栅（201)的位置由所述光栅（201)出射的衍射光至所述滤光片（202)的光路长L确定，所述 光路长L满足公式
其中，Lf为所述滤光片（202)表面衍射光路入射点至截止波长入射点的长度，w为光栅 转角。
3. 根据权利要求1的全波长扫描系统，其特征在于，所述旋转台座（205)的转动惯量基 于下述公式获得：
其中，[W]为是所述分光机构（20)内除所述旋转台座（205)外各旋转组件的最大盈亏 功，Jf为所述旋转台座（205)转动惯量；Jm为所述分光机构（20)内除所述旋转台座（205) 外各旋转组件的转动惯量和；n m为平均转速；[δ ]为许用运转不均匀系数。
4. 根据权利要求3的全波长扫描系统，其特征在于，通过采用所述分光机构（20)内除 所述旋转台座（205)外各旋转组件的转动惯量和J m及所述旋转台座（205)转动惯量Jf的 惯量匹配，获得所述旋转台座（205)的转动惯量。
5. 根据权利要求1的全波段波长扫描系统，其特征在于，所述连接轴的旋转套筒（209) 与锥面转轴（210)的连接采用了锥面紧固密配配接方式设计。
6. 根据权利要求1的全波段波长扫描系统，其特征在于，所述分光机构（20)内各旋转 组件构成的旋转系统在转动平稳度不满足要求时，进行动平衡校正。
7. 根据权利要求1的全波段扫描系统，其特征在于，所述光信号采集处理系统（40)包 括光电探测器、A/D转换器及数据通信处理与控制器。
8. 根据权利要求7的全波段扫描系统，其特征在于，所述光电探测器为光电倍增管。
9. 根据权利要求7的全波段扫描系统，其特征在于，所述数据通信处理与控制器为现 场可编程门阵列，用于同步接收所述A/D转换器输出的数字信号与所述转角数据，及将从 所述数字信号获取的光谱能量值及与其对应的从所述转角数据获取的位置计数值编码后 输出。
10. 根据权利要求7的全波段波长扫描系统，其特征在于，该系统还包括上位机，以接 收并解析所述数据通信处理与控制器输出的光谱能量值及与其对应的位置计数值，进行光 谱曲线坐标系的定标，及根据所述的光谱能量值及与其对应的位置计数值绘制完整的光谱 曲线。
11. 根据权利要求1-10中任一项的全波长扫描系统，其特征在于，在所述旋转台座 (205)上并立多个光栅（201)。
12. 根据权利要求1-10中任一项的全波长扫描系统，其特征在于，所述滤光片（202)选 用线性可变滤光片，或者选用多通道带通滤光片。
13. -种用于波长扫描系统的光谱曲线绘制的方法，所述波长扫描系统包括旋转光栅、 用于实时反馈所述旋转光栅的转角数据的光电编码器及用于输出由获取的光信号转换为 数字信号的A/D转换器，其特征在于，所述方法包括： 同步接收所述A/D转换器输出的数字信号与所述光电编码器实时反馈的所述旋转光 栅的转角数据，将从所述数字信号获取的光谱能量及与其对应的从所述转角数据获取的位 置计数值编码后输出； 接收并解析所述编码后的所述光谱能量及与其对应的所述位置计数值，进行所述光谱 曲线的定标；以及， 确定每个所述位置计数值所对应的波长，根据所述光谱能量和与其对应的所述位置计 数值对应的所述波长，绘制出所述光谱曲线。
14. 根据权利要求13的光谱曲线绘制的方法，其特征在于，从所述转角数据获取的位 置计数值包括：所述转角数据包括A相脉冲和Z相脉冲，当所述数据通信处理与控制器接收 到一个A相脉冲时，对一位置计数值累加，并于收到一个Z相脉冲时，清零该位置计数值。
15. 根据权利要求13或14的光谱曲线绘制的方法，其特征在于，进行所述光谱曲线图 的定标包括： 寻找零级特征峰，即原始光谱能量数据的最大峰值Ymax和对应位置计数值Xmax :从 Xmax开始分别往前、后查找Ymax/2处的位置计数值Xl和X2,确定所述零级特征峰的中心 位置计数值为（X1+X2)/2,并以该位置计数值作为所述光谱曲线坐标系的零点。
【专利摘要】本发明公开了一种全波段波长扫描系统及光谱曲线绘制的方法。其中，该全波段波长扫描系统包括光源、分光机构、样品室及光信号采集处理系统，其中分光机构包括光栅、滤光片、光栅驱动电机、光电编码器及旋转台座，其中光栅与滤光片于旋转台座上固定安装，并同轴旋转；旋转台座、光栅驱动电机及光电编码器基于连接轴同轴连接；光栅连续单方向旋转，电编码器用于实时反馈光栅的转角数据给光信号采集处理系统；光信号采集处理系统用于根据转角数据及从样品室输出的光信号输出光谱曲线。
【IPC分类】G01J3-02, G01J3-06, G01J3-28, G02B26-04
【公开号】CN104748847
【申请号】CN201310753875
【发明人】牛建会, 孙金龙, 强伟锋, 周舰, 尚国强, 李浩*, 王凌昊
【申请人】北京普析通用仪器有限责任公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月31日