专利名称：一种多光栅转台及含有该多光栅转台的单色仪和光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及单色仪和光谱仪，特别涉及单色仪或光谱仪中的多光栅转台。
背景技术：
单色仪或光谱仪是常用的物理学仪器，可以用来产生单色光或进行光谱分析。 其常用的分光元件是光栅，光栅转台是承载光栅的装置，是单色仪或光谱仪的核心 部件。
常用的光栅转台主要有三种类型-
—、单光栅共轴型此类型的光栅转台轴线与光栅刻划面处于同一个平面内， 如图l所示是一个光栅转台的俯视示意图，虚线圆圈表示一个转台，转台下面有电 机和减速机构(图中未示出)，在转台平面的大致中央位置垂直地固定一个光栅，这 样当转台绕着垂直于其台面的中心轴旋转时，就带动光栅一起转动，图中方框代表 光栅，实线方框所处的位置表示光栅的初始位置，虚线方框所处的位置表示光栅转 动后的位置。图1中两条点划线所限定的斜线区域表示入射的光束范围。从图1中 可以看出，在光栅转动前和转动后两状态下，入射的光能量基本都落在光栅刻划面 内，光能量浪费较少。最早的单色仪或光谱仪都采用这种单光栅共轴型转台，这种 单光栅共轴型转台被长时间广泛应用，目前国内外的单光栅单色仪大多都采取这样 的光栅台形式。但是，这种单光栅共轴型光栅转台的缺点是由于只能放置一块光 栅，因而光谱范围小，应用范围窄。
二、多光栅离轴型这种类型的光栅转台转动轴线不是与光栅刻划面处于同一 个平面内，而是在光栅刻划面以外与光栅刻划面有一定距离，且转动轴线一般是与 光栅刻划面平行的。如图2所示是一个多光栅离轴型光栅转台的俯视示意图，虚线 圆圈表示一个转台，转台是绕着垂直于其台面的、位于圆心位置的转轴能够旋转的， 转台下面有电机和减速机构(图中未示出)，在转台平面上垂直地固定三个光栅，且 每个光栅是相对于转轴左右对称的，这样当转台绕着垂直于其台面的圆心转轴旋转 时，就带动光栅一起转动，图中方框代表光栅，实线方框所处的位置表示光栅的初
始位置，虚线方框所处的位置表示光栅转动后的位置。图2中两条点划线所限定的 斜线区域表示入射的光束范围。从图2中可以看出，由于这种结构可以在同一个光 栅台上同时放置多块光栅从而扩大了整台仪器的光谱范围而得到广泛应用。但是，
这种类型的光栅台的不足是在实际应用中随着光栅的转动，光束的有效应用口径 变小，光栅部分刻划面在转动以后就接受不到全部的入射光束而造成大量的光束浪 费，而仪器输出的有效能量也因此大大减少，不能被应用的光束又使仪器的杂散光
增大，降低仪器的整体性能。如图2所示当光栅旋转到终止位置时，S区为光栅未 应用区，Q区为光束未应用区，L为光束实际应用区。
三、多光栅共轴型针对第二种类型存在的不足，已有技术中有采用两个电机 来解决问题，即光栅扫描采用一个电机，光栅转换采用另外一个电机，图3表示了 一个多光栅共轴型光栅转台的俯视示意图，其中较大的实线(或虚线)圆圈表示光 栅固定台，三块光栅大致成三角型垂直固定其上，其中心是光栅转换电机轴，光栅 转换电机固定在台下(图中未示出)，每个光栅相对于光栅转换电机轴是左右对称的， 在转换电机的驱动下光栅固定台进行旋转从而实现光栅转换。当光栅转换完成即所 需要的光栅处于扫描位置时，扫描电机启动将驱动由较小的虚线圆圈表示的台面进 行选转实现光栅扫描(扫描电机和减速装置固定在扫描台下)。图中实线矩形表示光 栅扫描前的位置，虚线矩形是光栅扫描后的位置。所以，光栅转换电机先将所需光 栅转到光栅扫描台的轴心，再由光栅扫描电机带动光栅旋转进行扫描。图3中两条 点划线所限定的斜线区域表示入射的光束范围。这种类型虽可以解决光能量的充分 利用问题，达到和图l所示单光栅共轴型光栅转台相同的效果，但是仪器的结构、 控制部分都要复杂得多，成本也大幅上升，两个不同轴的转动也带来维护的难度。
鉴于上述已有技术的不足，就需要一种改进的多光栅转台及包含该多光栅转台 的单色仪和光谱仪。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中光束浪费和杂光大的不足，提供一种能够 放置多块光栅、光谱范围宽，且光束利用率高、结构简单、成本低的单色仪或光谱 仪多光栅转台。
为了达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案
一种多光栅转台，包括旋转转台，在该旋转转台上通过固定部件固定至少一个 光栅；所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的。
在上述技术方案中，进一步地，所述转轴与所述光栅的刻划面是离开的，且相 互平行。
在上述技术方案中，进一步地，还包括至少一个用于调整方位的调整架，所述 调整架固定在旋转转台上，所述固定部件将光栅固定到调整架上。
在上述技术方案中，进一步地，所述固定部件固定在所述光栅宽度的1/8至1/2 位置之间，或入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧 算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置。
在上述技术方案中，进一步地，包括多个光栅，所述多个光栅是等间距地、成 多边柱形地布置在所述旋转转台上，每个光栅构成多边柱形侧面的一部分。
在上述技术方案中，进一步地，包括三个光栅。
在上述技术方案中，进一步地，所述光栅是曲面光栅。
一种包含上述多光栅转台的单色仪，包括
其上安装有一个或多个光栅的多光栅转台，所述光栅是通过固定部件固定到所
述多光栅转台上，所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的；腔体，该腔体具 有用于将入射光入射到所述光栅的入口和用于出射光输出的出口；所述多光栅转台 安装在所述腔体内，入射光从所述入口入射到光栅上，反射光从所述出口输出；
在上述单色仪中，进一步地，所述转轴与所述光栅的刻划面是离开的，且相互 平行。
在上述单色仪中，进一步地，还包括至少一个用于调整方位的调整架，所述调 整架固定在旋转转台上，所述固定部件将光栅固定到调整架上。
在上述单色仪中，进一步地，所述固定部件固定在所述光栅宽度的1/8至1/2 位置之间，或入射光^l中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧
算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置。
在上述单色仪中，进一步地，所述光栅是曲面光栅。
一种包含上述多光栅转台的光谱仪，包括其上安装有多个光栅的多光栅转台， 所述光栅是通过固定部件固定到所述多光栅转台上，所述光栅相对于所述旋转转台 的转轴是偏置的；腔体，该腔体具有用于将入射光入射到所述光栅的入口和用于出 射光输出的出口；所述多光栅转台安装在所述腔体内，入射光从所述入口入射到光 栅上，反射光从所述出口输出；在所述入口处安装的照明系统；所述出口处安装的 在光电探测及采集系统；固定部件固定在所述光栅宽度的l/8至l/2位置之间，或
者入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至 1/2光栅宽度之间的位置。
与己有技术相比，本实用新型的优点在于-
本实用新型既保留了己有技术中的光栅转台可以放置多块光栅、光谱范围宽的 优点，又克服了光束浪费和杂光大的缺点，应用一个电机驱动转台就能够完成光谱 扫描和光栅转换的功能，同时具备了结构简单，体积小，维修和调试方便，成本低 等优点。对相同的应用光束口径可以减小光栅的尺寸，降低成本，对相同尺寸的光 栅可以扩大光束的有效应用范围，提高仪器的通光能量，减少杂散光，改善仪器的 整体性能，并且不需改变仪器的其他控制电路和驱动配置要求，简单易行。
图1表示已有技术中的单光栅共轴型光栅转台的俯视示意图2表示已有技术中的多光栅离轴型光栅转台的俯视示意图3表示已有技术中的多光栅共轴型光栅转台的俯视示意图4表示本实用新型的多光栅转台能够增加光束和光栅利用率的原理图5表示本实用新型的多光栅转台实施例1的俯视示意图6表示本实用新型的多光栅转台实施例2的俯视示意图7表示含有本实用新型多光栅转台的单色仪实施例3示意图8表示含有本实用新型多光栅转台的光谱仪实施例4示意图9表示含有本实用新型多光栅转台的光谱仪实施例5示意图10表示含有本实用新型多光栅转台的光谱仪实施例6示意图。
图面说明
1——光栅；
2——固定部件；
3——调整架；
4——旋转转台；
11——入口狭缝组 12~~^面反射镜组 13——多光栅转台 14~~第一凹面反射镜组 15—一第二凹面反射镜组 16~—出射狭缝组
17——箱体
18——照明系统(光源)
19~~第一光电探测及采集系统
20——光路转换镜组
21——第二出射狭缝组
22——第二光电探测及采集系统
23——CCD组
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述 由于采用两个或多个电机来驱动转台和变换光栅会使得整个装置的结构、控制
部分都要复杂得多，成本也大幅上升，所以本实用新型采用一个电机来实现光谱扫 描和光栅转换，并且能够让结构简单，不做大幅度的改变。为了要充分地利用光能 量，使光谱仪器的输出能量增加、杂散光减少，就要让光栅在转台的带动下转动一 定角度之后仍尽可能多的处在光束区中。下面对单色仪的工作原理进行分析光栅 的原始位置相当于衍射0级，是复合光，在仪器调试和定标时会用到该衍射O级，
而当光谱仪器正式使用的时候基本不用；光栅原始位置时的光能量通常比较高，所 以应该尽量降低以减少杂光。光栅在转动的终止位置时是光能量最弱的地方，如果 终止位置的能量能够保证，那么整个应用范围的能量都没有问题。传统的做法都是 不损失原始位置时的光束能量而损失终止位置时的光束能量，针对现有技术的不足， 本实用新型让光栅原始位置时光束有所损失，而在终止位置时尽量减少光束损失， 就能够达到一举两得的效果，克服现有技术的不足。 实施例l
如图5所示制作一个本实用新型的多光栅转台，其中包括圆形的旋转转台4，
在旋转转台的下方安装有驱动电机(图中未示出)用于驱动转台绕着垂直于转台平
面且经过其圆心的转轴旋转，在该旋转转台4上通过固定部件2比如固定架固定至 少一个光栅比如三个光栅1，三个光栅是等间距地、成三角柱形地布置在所述旋转 转台上，每个光栅构成三角柱形侧面的一部分；还包括用于调整光栅的方位和角度 的调整架3，所述调整架3固定在旋转转台上，所述固定部件将光栅固定到调整架 上。光栅l是平面光栅，所述转轴与所述光栅的刻划面是离开的，且相互平行。光 栅相对于旋转转台的转轴是偏置的，也就是说，相对于垂直于该光栅的直径来说固
定在转台上的光栅是非对称的，比如图中直径AB垂直于光栅1，而光栅在宽度上在 直径AB两侧是不对称的，所有光栅都是采用相同偏置方式的。比较理想的情况是固 定部件固定在所述光栅宽度的1/8至1/2比如1/3位置之间或光路中心不在光栅的 对称中心，而在从光栅的一边算起l/8至l/2比如l/3光栅宽度之间，或者使得入 射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2 比如l/3光栅宽度之间的位置。当然本领域技术人员应该清楚，几个不同的光栅也 不一定完全采用相同程度的偏置，这要依赖于光谱范围和光栅的不同大小而定。
本实施例的三套相同的光栅固定在光栅旋转台4上由电机带动进行光栅的转换 和光谱扫描，由于本专利非对称的偏置固定(或光轴偏离形式)和传统对称的中间 固定(或光轴对称形式)并不改变光栅的转角等参数，所以使用时对仪器整体无需 做任何其他的改动，所有的算法也都一样，应用起来非常方便。
实施例2
如图6，本实施例与实施例1不同的是，所有光栅都采用曲面光栅。 其他同实施例l。
实施例3
如图7所示制作本实用新型的单色仪，按照光路的行进路线为顺序，其中包括.-单色仪的入口狭缝组11形成光束的入口，用于折转光路的平面反射镜组12， 用于准直的第一凹面反射镜组14，实施例1描述的多光栅转台13，用于成像的第二 凹面反射镜组15,出射狭缝组16形成光束的出口，其中入口狭缝组ll和出射狭缝 16安装在单色仪的箱体17的外壁上，其他部件固定设置在箱体17内部，多光栅转 台13在腔体中的位置使得入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在 光栅的一侧算起1/8至1/2比如1/4光栅宽度之间的位置。
实施例4
如图8所示，制作本实用新型光谱仪，除了实施例3所包含的单色仪外，还增 加了照明系统18和第一光电探测及采集系统19。其它同实施例3。
实施例5
如图9所示，制作本实用新型光谱仪的另一实施例，在实施例3的基础上，在 箱体内增加了光路转换镜组20,在箱体的外壁上增加第二输出狭缝21和第二光电 探测及采集系统22，实现两种输出，扩大了探测范围。其它同实施例3。
实施例6
如图10所示，制作本实用新型光谱仪的另一实施例，在实施例5的基础上，将 其中的一组狭缝组16和光电探测采集系统19替换为电荷耦合器件CCD组23，实现 了两组输出， 一个是经光路转换镜组20由狭缝组21经光电探测和采集系统22输出； 另一个经CCD组23照相实时输出。其它同实施例5。
由以上几个实施例可以看出本实用新型在采用一个电机的前提下，也就是光 谱扫描和光栅转换都是绕光栅台面的中心轴旋转，放弃了传统技术中光栅中间固定 的方式，改为光栅偏置固定，使光栅在原始位置时光束有一定的偏离，因为原始位 置是光栅零级的位置，通常不使用，降低这里的光束应用范围，达到减少杂散光的 目的。光栅旋转之后光束应用范围基本没有减少，保证了能量的有效利用，如图4 所示当光栅旋转到终止位置时，S区为光栅未应用区，Q区为光束未应用区，L为 光束实际应用区，与图2相比，光束的应用区明显要大，光束未应用区和光栅未应 用区则明显要小，说明光束和光栅的利用率都增加了，仪器的输出能量也提高了， 杂散光也同时减小。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。 尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的 精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1、一种多光栅转台，包括旋转转台，在该旋转转台上通过固定部件固定至少一个光栅；其特征是，所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的。
2、 根据权利要求l所述多光栅转台，其特征是，所述转轴与所述光栅的刻划面 是离开的，且相互平行。
3、 根据权利要求l所述多光栅转台，其特征是，还包括至少一个用于调整方位 的调整架，所述调整架固定在旋转转台上，所述固定部件将光栅固定到调整架上。
4、 根据权利要求l所述多光栅转台，其特征是，所述固定部件固定在所述光栅 宽度的l/8至l/2位置之间，或入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅 中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置。
5、 根据权利要求l所述多光栅转台，其特征是，包括多个光栅，所述多个光栅 是等间距地、成多边柱形地布置在所述旋转转台上，每个光栅构成多边柱形侧面的 一部分。
6、 根据权利要求5所述多光栅转台，其特征是，包括三个光栅。
7、 根据权利要求l-6任一项的所述多光栅转台，其特征是，所述光栅是曲面光恤 微。
8、 一种包含权利要求l所述多光栅转台的单色仪，包括其上安装有一个或多个光栅的多光栅转台，所述光栅是通过固定部件固定到所 述多光栅转台上，其特征是，所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的；还包 括腔体，该腔体具有用于将入射光入射到所述光栅的入口和用于出射光输出的出 口；所述多光栅转台安装在所述腔体内，所述多光栅转台的位置使入射光从所述入 口入射到光栅上、反射光从所述出口输出，且入射光路中心不在光栅的对称中心， 而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置。
9、 根据权利要求8所述单色仪，其特征是，所述固定部件固定在所述光栅宽度 的1/8至1/2位置之间。
10、 一种包括权利要求l所述多光栅转台的光谱仪，包括其上安装有多个光 栅的多光栅转台，所述光栅是通过固定部件固定到所述多光栅转台上，其特征是， 所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的；还包括腔体，该腔体具有用于将 入射光入射到所述光栅的入口和用于出射光输出的出口；所述多光栅转台安装在所 述腔体内，入射光从所述入口入射到光栅上，反射光从所述出口输出； 在所述入口处安装的照明系统； 所述出口处安装的在光电探测及采集系统；固定部件固定在所述光栅宽度的1/8至1/2位置之间，或者入射光路中心不在 光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的 位置。
专利摘要本实用新型公开了一种多光栅转台及含有该多光栅转台的单色仪和光谱仪，该多光栅转台包括旋转转台，其上通过固定部件固定至少一个光栅；所述光栅相对于所述旋转转台的转轴是偏置的或入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置。单色仪包括多光栅转台，入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置；腔体。光谱仪包括多光栅转台；入射光路中心不在光栅的对称中心，而是偏离光栅中心在光栅的一侧算起1/8至1/2光栅宽度之间的位置；腔体；照明系统；光电探测及采集系统。本实用新型具有光谱范围宽、结构简单、体积小，维修和调试方便，成本低等优点。
文档编号G01J3/02GK201016804SQ200720103960
公开日2008年2月6日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者良 杨 申请人:北京赛凡光电仪器有限公司