一种一体式波长可调的单色光输出光源的制作方法

1.本实用新型涉及光学仪器技术领域，更具体的说是涉及一种一体式波长可调的单色光输出光源。


背景技术：

2.单色光镜通常用于光学光谱测定领域。单色光镜通常包括用于容纳具有波长范围的入射光束的入口狭缝、衍射光栅和出口狭缝，光以基本上单色波长通过出口狭缝。光输出的带宽由出口狭缝的宽度决定。
3.在光化学的研究中，研究者常常希望观察在较窄的光谱波长范围内的光催化反应情况，常规的波长可调光源,都是分体式(光源和单色仪是两个独立个体)，这样会造成能量的极大损耗，从设计上更加侧重于将单色光作为信号源或弱激发源，输出参数上更加偏向更高的单色性、更高的杂散光抑制，但是往往也因此导致输出的强度过低，通常在微瓦级别。
4.因此，如何提供一种能够保证扫描和成像质量的一体式波长可调的单色光输出光源是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种一体式波长可调的单色光输出光源，采用独特的光源与光学组件的一体化设计，可以将单色光的输出强度由 200
‑
100微瓦提高几十倍至毫瓦级别，能够满足光电催化，ipce等测量。
6.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种一体式波长可调的单色光输出光源，包括：光路部分和控制部分；所述光路部分包括安装在基板上，且沿光路传播方向依次设置的光源灯箱、可调入口狭缝、反射镜一、旋转光栅、反射镜二和可调出口狭缝；所述光源灯箱通过滑动调节机构安装在所述基板上，所述滑动调节机构的滑动方向与光源灯箱的光路射出方向同轴；
8.所述控制部分包括控制器，与所述控制器电连接的触发器、步进电机一、步进电机二和步进电机三；所述触发器用于触发控制所述光源灯箱，所述步进电机一用于控制旋转光栅的旋转运动，所述步进电机二和步进电机三分别用于控制可调入口狭缝和可调出口狭缝的狭缝宽度限位的机械位置，以控制出光的输出带宽。
9.本实用新型通过步进电机一控制旋转光栅的自由转动来实现控制光谱的输出；采用两路步进电机带动丝杠同时转动，可以实现五个不同大小狭缝的同步任意转化，通过控制狭缝不同的大小，达到控制带宽的目的，输出带宽在10
‑
20nm。
10.优选的，所述光源灯箱包括氙灯光源灯箱，且所述光源灯箱侧面设置有封盖，可从侧面打开封盖，便于维护更换灯箱的内部器件，包括触发器。触发器安装在灯箱底部。
11.优选的，所述光源灯箱内设置有抽拉式散热片，抽拉开口位于所述光源灯箱尾部。整个灯箱横躺，散热组件可以整体从机箱散热的尾部拉出，便于更换光源灯泡，
12.优选的，所述滑动调节机构包括固定在所述基板上的固定滑槽，以及与所述固定滑槽滑动连接的移动滑台，所述移动滑台上安装所述光源灯箱；
13.位于所述移动滑台尾部，且在所述基板上安装有固定螺母，以及与所述固定螺母螺纹连接的调节螺栓，所述调节螺栓的末端抵接在所述移动滑台尾部；
14.位于所述移动滑台首部，且在所述基板上安装有固定导向孔座，以及a 端活动穿出所述固定导向孔座的栓轴，所述栓轴的b端抵接在所述移动滑台首部，所述栓轴的b端与所述固定导向孔座直接压缩套接有弹簧。
15.本实用新型通过旋转后面的调节螺栓可以调整光源灯箱的位置，即调整光源到旋转光栅的距离。当拧调节螺栓使得移动滑台向前移动时，弹簧压紧，向后移动时，弹簧松弛，使整个移动滑台始终处于稳定无晃动状态。
16.优选的，所述步进电机一通过联轴器连接有用于固定旋转光栅的固定机构，所述固定机构包括上固定座和下固定座；
17.所述上固定座顶部安装所述旋转光栅，所述下固定座底部与所述联轴器相固连；
18.所述上固定座与所述下固定座之间的中央位置嵌入式夹设有一个钢珠，所述钢珠可转动放置在所述上固定座与所述下固定座的嵌入式凹槽内，且所述钢珠的半径大于所述嵌入式凹槽的内径；
19.所述上固定座与所述下固定座之间还通过调平螺钉相固连。调平螺钉数量为三颗，呈正三角型布置，通过调节三个调平螺钉可任意调节旋转光栅的水平角度。
20.旋转光栅与反射镜一、反射镜二在安装时都需要与底座水平，为了保证光栅的水平采用上述固定机构。
21.优选的，所述可调入口狭缝和所述可调出口狭缝均采用燕尾槽结构的红外光耦，分别通过步进电机二和步进电机三连接有联轴器，然后再分别连接至丝杠；所述丝杠上设置有滑块，滑块上开有五个矩形孔位，所述燕尾槽槽体上具有一个圆形孔位，当所述滑块上任意一个矩形孔位与槽体圆形孔位重叠，所述可调入口狭缝和所述可调出口狭缝输出相应带宽的光束；所述步进电机二和步进电机三通过所述控制器进行同步控制。矩形孔位包括长方形空位和/或正方形孔位。
22.优选的，所述光源灯箱内还安装有风扇，所述控制部分还包括电流采样电阻，所述电流采样电阻采样所述风扇电源电路的电流，电流采样电阻通过放大器连接到控制器，用于检测风扇运行状态。由于灯泡功率较大，散热量也大，所以务必保证当灯点亮时，灯箱的散热风扇出处于运行状态，当灯泡被点亮而主控制器没有检测到风扇运行的时候，就会自动关灯，确保安全。
23.优选的，所述控制器通过点灯升压电路连接至所述触发器。
24.优选的，所述可调出口狭缝输出360
‑
630nm任意波段的单色光。
25.优选的，所述可调出口狭缝输出光路上还设置有转向头、匀光筒或光纤接头，以满足光电化学及太阳能电池的研究，透镜组件对出光进行处理。
26.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下优越效果：
27.1、一体式波长可调的氙灯强光光源独特的一体式设计，独特的光路设计，具有更高的单色性、更高的杂散光抑制。
28.2、可输出360
‑
630nm任意波段的单色光，强度较传统形式上的单色仪提高几十倍
至毫瓦级别。
29.3、便于操作整个的仪器，包括仪器的控制，状态的检测。
30.4、旋转光栅可以实现连续扫描，不同的扫描区间，不同的扫描时间，和扫描周期，实现单波长扫描，扫描周期、步距、间隔时间、周期、周期间隔等均可设置。
31.5、旋转光栅可以实现不同的定点扫描，任取20之内的波段，可任设时间。
32.6、多种光输出形式(转向头、匀光及光纤输出)，满足多种光电化学与太阳能电池研究。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本实用新型一体式波长可调的单色光输出光源的整体结构图；
35.图2为本实用新型一体式波长可调的单色光输出光源的光路图；
36.图3为本实用新型光源灯箱安装结构立体图；
37.图4为本实用新型光源灯箱安装结构侧视图；
38.图5为本实用新型光源灯箱安装结构a
‑
a剖视图；
39.图6为本实用新型旋转光栅安装结构示意图；
40.图7为本实用新型的一体式波长可调的单色光输出光源的模块原理图。
具体实施方式
41.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.本实施例提供的一体式波长可调的氙灯强光光源，结构模块主要分为光源部分，光路部分，出光口部分(光后期的处理)，控制部分(控制电路，上位机和下位机软件)。
43.如图1
‑
2所示，光路部分包括安装在基板1上，且沿光路传播方向依次设置的光源灯箱2、可调入口狭缝3、反射镜一4、旋转光栅5、反射镜二6和可调出口狭缝7；光源灯箱2采用电功率300w的氙灯灯箱，光源灯箱2通过滑动调节机构安装在基板1上，滑动调节机构的滑动方向与光源灯箱2的光路射出方向同轴；旋转光栅5采用光栅刻线2400l的50*50mm的进口光栅(多规格可选)，光栅的闪耀波长为300nm，可输出光谱的范围是350
‑
680nm。通过电机控制可调入口狭缝3和可调出口狭缝7的狭缝宽度限位的机械位置，以控制出光的输出带宽。
44.控制部分的控制电路包括控制器，与控制器电连接的触发器、步进电机一20、步进电机二和步进电机三；触发器用于触发控制光源灯箱2，步进电机一20用于控制旋转光栅5的旋转运动；旋转光栅的控制采用0.9
°
的步进电机一20和256细分的步进电机控制芯片。最小控制转角度可达约0.0035
°
。在实施例中中最小步距所对应的是光谱的1nm，通过步进电
机一20控制旋转光栅5的自由转动来实现控制光谱的输出，可调出口狭缝7输出360
‑
630nm 任意波段的单色光。
45.步进电机二和步进电机三分别用于控制可调入口狭缝3和可调出口狭缝7 的狭缝宽度限位的机械位置，以控制出光的输出带宽。可调入口狭缝3和可调出口狭缝7均采用燕尾槽结构的红外光耦，分别通过步进电机二和步进电机三连接有联轴器，然后再分别连接至丝杠；丝杠上设置有滑块，滑块上开有五个矩形孔位，燕尾槽槽体上具有一个圆形孔位，当滑块上任意一个矩形孔位与槽体圆形孔位重叠，可调入口狭缝3和可调出口狭缝7输出相应带宽的光束；步进电机二和步进电机三通过控制器进行同步控制，保持两个滑块同步。
46.可调入口狭缝3和可调出口狭缝7的限位的机械位置都是可调的，为了便于调节两个限位的水平高度一致，从而使得两个狭缝滑块的高度一致。
47.出光口部分采用多种输出形式，可调出口狭缝7输出光路上设置有转向头、匀光筒或光纤接头，以满足光电化学及太阳能电池的研究，透镜组件对出光进行处理。
48.在一个具体的实施例中，光源灯箱2包括氙灯光源灯箱2，且光源灯箱2 侧面设置有封盖。光源灯箱2内设置有抽拉式的散热片8，抽拉开口位于光源灯箱2尾部。
49.如图3
‑
5所示，在一个具体的实施例中，滑动调节机构包括固定在基板1 上的固定滑槽9，以及与固定滑槽9滑动连接的移动滑台10，移动滑台10上安装光源灯箱2；位于移动滑台10尾部，且在基板1上安装有固定螺母11，以及与固定螺母11螺纹连接的调节螺栓12，调节螺栓12的末端抵接在移动滑台10尾部；位于移动滑台10首部，且在基板1上安装有固定导向孔座13，以及a端活动穿出固定导向孔座13的栓轴14，栓轴14的b端抵接在移动滑台10首部，栓轴14的b端与固定导向孔座13直接压缩套接有弹簧15。
50.滑动调节机构操作方式如下：通过旋转后面的调节螺栓12可以调整光源灯箱2的位置，即调整光源到旋转光栅的距离，当手拧调节螺栓12使移动滑台10向前移动时，弹簧15押紧，向后移动时弹簧15松弛，使整个移动滑台 10始终处于稳定无晃动状态。
51.如图6所示，在一个具体的实施例中，步进电机一20通过联轴器连接有用于固定旋转光栅5的固定机构，固定机构包括上固定座16和下固定座17；上固定座16顶部安装旋转光栅5，下固定座17底部与联轴器相固连。
52.如图1
‑
2所示，反射镜一4和反射镜二6的角度都是固定的，反射镜一4、旋转光栅5和反射镜二6安装时都需要与基板1水平，反射镜一4和反射镜二6直接安装即可，旋转光栅5下端通过联轴器与步进电机连接在一起，为了保证光栅的水平，采用了如下的调平结构：
53.上固定座16与下固定座17之间的中央位置嵌入式夹设有一个钢珠18，钢珠18可转动放置在上固定座16与下固定座17的嵌入式凹槽内，且钢珠18 的半径大于嵌入式凹槽的内径；上固定座16与下固定座17之间还通过调平螺钉19相固连。
54.在一个具体的实施例中，光源灯箱2内还安装有风扇，控制部分还包括电流采样电阻，电流采样电阻采样风扇电源电路的电流，电流采样电阻通过放大器连接到控制器，用于检测风扇运行状态。
55.本实施例的控制部分包括主控电路版，主控电路板上有控制器(stm32)，电机驱动外围滤波电路，dac输出电路，adc检测电路，rs232通信电路，以及继电器、滤波、隔离等电路。
56.在一个具体的实施例中，控制器通过com口连接有上位机，上位机控制过程如下：
57.连接完成后，首先要进行复位，保证光栅的位置，狭缝的位置，都处于设定位置。
58.上位机具有用户界面，可以实现出厂前的调试，通信的监视，操作记录的保存及导出。
59.在初始状态，用户界面中波长显示为0nm，即表示当前旋转光栅位置在虚拟零位，没有光输出，当波长显示在450时，即表示当前输出的光为450nm 波段的光。在用户界面设置不同波段的光波，键入360
‑
680任意值，点击启动即可控制步进电机一通过调整旋转光栅位置来获得相应的波段的光波，光栅复位，即调整光栅位置到默认零点。
60.光源控制过程，通过用户界面可以进行光源电流的设置，如设置为16a，键入可控制电流的大小，从而控制灯泡的亮度，并通过电流采集电路实时进行电流的检测，运行中灯的电流值会被一直监测。灯电流使用pid算法，使在运行中输出的电流更加稳定，输出的光强也就更加稳定。
61.狭缝控制过程，通过控制狭缝的步进电机，来调整可调入口狭缝和可调出口狭缝的位置，实施例中共有五个狭缝的位置，在出厂前都是通过调整监测的，以保证狭缝带宽中的五个数字分别刚好对应五个狭缝的位置，同旋转光栅运行一样，先选择预设带宽数值，点击启动，步进电机一和步进电机二即会带动各自的丝杠旋转，载着各自的滑块运行到相应的狭缝宽度，狭缝复位即狭缝会运行到默认的狭缝位置，
62.光栅的连续扫描过程，读取、保存为从历史记录里获取以前保存过的操作记录，或者将现在的操作保存起来，下次可以直接读取出来，直接操作扫描区间即为选择所需要的波段区间，如360nm
‑
630nm等之内的任意区间，步距为每次扫描的间隔波长，如1nm就为360
‑
361
‑
362
‑
363,2nm就为 360
‑
362
‑
364
‑
368，以此类推，间隔时间为两次扫描的间隔时间，如6s即为 360
‑
361需要6s，361
‑
362也需要6s，循环次数即为周期数，即从360
‑
630以同样的方式运行的次数，周期间隔，即为每两个周期之间的间隔时间，反向即扫描区间又大向小运行，正向即扫描区间有小向大运行。
63.光栅定点扫描过程，上面的20个目标点可任取20个之内的目标点，设定相同或者不同的停顿时间，可以实现在20个不同的固定波长扫描不同的时间；通过用户界面还可以实现从历史记录里导出之前的操作记录，和保存当前的操作记录。
64.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
65.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。