專利名稱：光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測量，特別是一種能夠測量大尺寸光學(xué)元件的光學(xué) 元件透射光譜自動面掃描測量裝置和方法。 '
背景技術(shù)：
分光光度計是光學(xué)元件光譜特性測量最常見的測量儀器，它可以測 量光學(xué)元件的反射率、透射率、吸收等光譜特性。
現(xiàn)有的分光光度計的光路圖如圖1所示，光源04由鹵素?zé)?1、氖 燈03和第一半透半反鏡02構(gòu)成，第一半透半反鏡02的旋轉(zhuǎn)軸與主光路 成22. 5° ，氘燈03的光軸與第一半透半反鏡02的旋轉(zhuǎn)軸成22. 5° ;光 源04發(fā)出的光經(jīng)單色系統(tǒng)07后成為單色光，單色光經(jīng)第二半透半反鏡 09后分成透射光束和反射光束，水平的透射光束用作測量光束，反射光 束用作參考光束，樣品IO豎直地置于測量光路中。像一些大型光學(xué)系統(tǒng) 中使用的光學(xué)元件，由于元件尺寸和質(zhì)量都較大，現(xiàn)有分光光度計的樣 品室無法放置，并且如果元件豎直放置，不能保證測量元件的安全，所 以，現(xiàn)有的分光光度計不能滿足大尺寸光學(xué)元件光譜測量的需要。另外， 現(xiàn)有分光光度計只能進行光學(xué)元件的單點的光譜測量，不能對光學(xué)元件 進行二維自動面掃描測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種 光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置和方法，該裝置能測量大尺寸光 學(xué)元件透射光譜，并且對大尺寸光學(xué)元件自動進行二維面掃描透射光譜
本發(fā)明的解決方案如下
一種光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置，其構(gòu)成包括光源、光 闌、第一會聚鏡、單色系統(tǒng)、準(zhǔn)直透鏡組和第二半透半反鏡、參考光路、 測量光路、第三半透半反鏡、第二會聚鏡、待測樣品、信號接收系統(tǒng)和 計算機，其特點在于
所述的測量光路由第二半透半反鏡反射的豎直光路和依次設(shè)置的待 測樣品、第一反射鏡、第三半透半反鏡和第二會聚鏡構(gòu)成；所述的待測 樣品置于樣品臺上，該樣品臺由樣品架、燕尾式滑動導(dǎo)軌和二維電動平 移臺構(gòu)成，所述的待測樣品水平地放置在所述的樣品臺的樣品架上，所 述的待測樣品隨著二維電動平移臺進行二維移動；
所述的參考光路由通過所述的第二半透半反鏡的水平光路和依次設(shè) 置的第二反射鏡、第三半透半反鏡和第二會聚鏡構(gòu)成；
所述的計算機的輸入端接所述的信號接收系統(tǒng)的輸出端，該計算機 具有控制軟件，該計算機通過信號線分別與所述的第一半透半反鏡、第 二半透半反鏡、第三半透半反鏡、單色系統(tǒng)和二維電動平移臺相連，所 述的計算機通過控制軟件控制所述的第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、 第三半透半反鏡、單色系統(tǒng)和二維電動平移臺的運動。
所述的光源由鹵素?zé)?、第一半透半反鏡和気燈構(gòu)成，在一條直線上 的所述的鹵素?zé)簟⒌谝话胪赴敕寸R、光闌、第一會聚鏡、單色系統(tǒng)、準(zhǔn) 直透鏡組和第二半透半反鏡構(gòu)成主光路，所述的第一半透半反鏡的旋轉(zhuǎn) 軸與所述的主光路成22.5° ，所述的氘燈的光軸與所述的第一半透半反 鏡的旋轉(zhuǎn)軸成22.5。。
所述的第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第三半透半反鏡都是一 繞其垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的圓片，該圓片的一半為通光孔，另一半是反光 的半圓片。
所述的信號接收系統(tǒng)由光電倍增管和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
利用所述的光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置進行光學(xué)元件透 射光譜自動面掃描測量的方法，其特征在于包括下列步驟
① 首先在所述的計算機上設(shè)置測量光譜范圍^tart、 Xend，測量波長間隔 AX，測量元件尺寸X^e、 y^e以及面掃描測量的點數(shù)N;
② 在所述的樣品臺上先不放置待測樣品，對測量裝置進行校零；根據(jù) 預(yù)先設(shè)置的測量光譜范圍，通過第一半透半反鏡的旋轉(zhuǎn)選擇鹵素?zé)艋螂?燈作為光源，將所述的單色系統(tǒng)的波長調(diào)節(jié)至^tart，光源發(fā)出的光經(jīng)光 闌和第一會聚鏡后進入單色系統(tǒng)，單色系統(tǒng)出射的單色光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組 變成平行光束，然后入射到第二半透半反鏡上，該第二半透半反鏡將入 射光束分成透射光束和反射光束，透射光束作為參考光束，經(jīng)第二反射 鏡反射至第三半透半反鏡，反射光束作為測量光束，穿過所述的樣品臺 經(jīng)第一反射鏡反射至第三半透半反鏡，該第三半透半反鏡將參考光束和 測量光束合成一束，經(jīng)第二會聚鏡后進入光電倍增管檢測并輸出模擬信 號，A/D轉(zhuǎn)換器將光電倍增管的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入所述的計 算機，該計算機通過所述的控制軟件控制所述的第二半透半反鏡和第三
半透半反鏡同步旋轉(zhuǎn)，采集所述的A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前波長的測
量光路的透過率L co和參考光路的透過率iv a)，并分別將信號保存在
數(shù)組L[num]、 T]'[num]中，然后控制軟件將所述的單色系統(tǒng)的波長調(diào)節(jié)
為X+AX，重復(fù)上述步驟，直至獲得所要測量波長范圍內(nèi)測量光路的全
部透過率信息LCW)，……，TV0w)和參考光路的全部透過率信息
TV(W)，……，T/(U)，校零完畢；
③在樣品臺上放置待測樣品，重復(fù)第②步的操作對所述的待測樣品
進行測量，得到所要測量波長范圍內(nèi)測量光路的全部透過率信息 T2astart)，……，T2(U和參考光路的全部透過率信息TU，……，
丁2，(入end);
④ 計算機進行數(shù)據(jù)處理TCO= OV(X) XT丄(人歸2(人)x糊),其中 X的范圍為、m到Xend，即獲得待測樣品一個測量點的透過率T(入)；
⑤ 計算機(21)根據(jù)面掃描測量的點數(shù)N，通過所述的二維電動平 移臺(13)將待測樣品(10)驅(qū)動到下一個測量點位置，然后重復(fù)第③、 @步的測量，完成該測量點的測量；
⑥ 重復(fù)第⑤步，直至完成測量范圍內(nèi)待測樣品(10)所有設(shè)定的測 量點的透射光譜測量。
本發(fā)明的技術(shù)效果
① 本發(fā)明所述的待測樣品水平地放置在所述的樣品臺的樣品架 上，因此可以測量大尺寸光學(xué)元件的透射光譜，與傳統(tǒng)的分光 光度計相比，最大被測元件尺寸大大增加；
② 本發(fā)明采用二維電動平移臺，利用控制軟件實現(xiàn)了光學(xué)元件的 透射光譜的自動面掃描測量，測量過程中無需人工介入。
③ 本發(fā)明將待測大尺寸元件水平放置，確保待測元件的安全性。
④ 本發(fā)明的計算機在Win9x/NT/XP操作系統(tǒng)下全自動控制本發(fā)明 裝置自動運行，命令輸入操作方便。
本發(fā)明實現(xiàn)了大尺寸光學(xué)元件的透射光譜測量，可測量的光學(xué) 元件的最大尺寸為400腿X600mm;利用計算機的控制軟件的控制
實現(xiàn)了光學(xué)元件的自動面掃描測量。 '


圖1是現(xiàn)有分光光度計的原理圖和主光路圖
圖2是本發(fā)明光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明中半透半反鏡的平面結(jié)構(gòu)圖 圖4是本發(fā)明中控制軟件的流程圖
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本 發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝 置的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本 發(fā)明光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置，其構(gòu)成包括光源04、光闌 05、第一會聚鏡06、單色系統(tǒng)07、準(zhǔn)直透鏡組08和第二半透半反鏡09、 參考光路、測量光路、第三半透半反鏡17、第二會聚鏡18、樣品10、 信號接收系統(tǒng)22和計算機21，所述的測量光路由第二半透半反鏡09反 射的豎直光路和依次設(shè)置的待測樣品10、第一反射鏡15、第三半透半反 鏡17和第二會聚鏡18構(gòu)成；
所述的參考光路由通過所述的第二半透半反鏡09的水平光路和依 次設(shè)置的第二反射鏡16、第三半透半反鏡17和第二會聚鏡18構(gòu)成；
所述的待測樣品10置于樣品臺14上，該樣品臺14由樣品架12、 燕尾式滑動導(dǎo)軌11和二維電動平移臺13構(gòu)成，所述的待測樣品10水平 地放置在所述的樣品臺14的樣品架12上，所述的待測樣品10隨著二維 電動平移臺13進行二維移動；
所述的計算機21的輸入端接所述的信號接收系統(tǒng)22的輸出端，該 計算機21具有控制軟件，該計算機21通過信號線分別與所述的第一半 透半反鏡02、第二半透半反鏡09、第三半透半反鏡17、單色系統(tǒng)07和 二維電動平移臺13相連，所述的計算機21通過控制軟件控制所述的第 一半透半反鏡02、第二半透半反鏡09、第三半透半反鏡17、單色系統(tǒng)07和二維電動平移臺13的運動。
所述的光源04由鹵素?zé)?1、第一半透半反鏡02和氘燈03構(gòu)成， 在一條直線上的所述的鹵素?zé)?1、第一半透半反鏡02、光闌05、第一 會聚鏡06、單色系統(tǒng)07、準(zhǔn)直透鏡組08)和第二半透半反鏡09構(gòu)成主 光路，所述的第一半透半反鏡02的旋轉(zhuǎn)軸與所述的主光路成22.5° ， 所述的氘燈03的光軸與所述的第一半透半反鏡02的旋轉(zhuǎn)軸成22. 5° 。
所述的第一半透半反鏡02、第二半透半反鏡09和第三半透半反鏡 17都是一繞其垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的圓片，參見圖2，該圓片的一半為通 光孔，另一半是反光的半圓片。
樣品臺14的最大載重為50kg，可測量的待測樣品10最大尺寸為 400mmX600mm。鑒于待測樣品10的尺寸和質(zhì)量都較大，將待測樣品10 水平放置于樣品臺14上，可以保證待測樣品10的安全性；樣品架12 的大小可以調(diào)節(jié)。
第一半透半反鏡02、第二半透半反鏡09和第三半透半反鏡17、單 色系統(tǒng)07、 二維電動平移臺13、 A/D轉(zhuǎn)換器20通過數(shù)據(jù)線和計算機21 相連，所述控制軟件具有采集單色系統(tǒng)07的數(shù)據(jù)、對單色系統(tǒng)07的當(dāng) 前波長進行定位以及調(diào)節(jié)單色系統(tǒng)07波長的功能，還具有采集二維電動 平移臺13的數(shù)據(jù)、對二維電動平移臺13的位置進行定位以及驅(qū)動二維 電動平移臺13至設(shè)定位置的功能，此外還有控制第一半透半反鏡02、 第二半透半反鏡09和第三半透半反鏡17的旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動速率，采集、 處理A/D轉(zhuǎn)換器20信號的功能。測量時，計算機在完成一個點的透射率 測量之后，控制軟件的電動平移臺控制模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的測量點數(shù)和 測量范圍，計算兩個測量點間的間距，通過二維電動平移臺13將樣品 IO驅(qū)動到下一個測量位置，然后進行下一設(shè)置點的測量，直至完成測量 范圍內(nèi)所有設(shè)定點的透射光譜測量。
所述第三半透半反鏡17將測量光束和參考光束合成一束，經(jīng)第二會
聚鏡18，進入光電倍增管19。測量過程中計算機21控制第二半透半反 鏡09和第三半透半反鏡17同步轉(zhuǎn)動，即同時提供透射或者反射的功能， 并且在計算時加以區(qū)分，這樣通過一個信號接收系統(tǒng)22就能探測測量光 束和參考光束的光強。
本發(fā)明的工作情況如下
圖4所示為本發(fā)明控制軟件的流程圖，利用本發(fā)明光學(xué)元件透射光譜 自動面掃描測量裝置進行光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量的方法，包 括下列步驟
① 首先在所述的計算機上設(shè)置測量光譜范圍^tart、 ^nd，測量波長間隔 △X，測量元件尺寸X^e、 y^e以及面掃描測量的點數(shù)N;
② 在所述的樣品臺14上先不放置待測樣品10，對測量裝置進行校零
根據(jù)預(yù)先設(shè)置的測量光譜范圍，通過第一半透半反鏡02選擇鹵素?zé)?1或 気燈03作為光源，將所述的單色系統(tǒng)07的波長調(diào)節(jié)至^M，光源發(fā)出的 光經(jīng)光闌05和第一會聚鏡06后進入單色系統(tǒng)07，由單色系統(tǒng)07出射的單 色光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組08變成平行光束，然后入射到第二半透半反鏡09上， 該第二半透半反鏡09在計算機21的控制下高速旋轉(zhuǎn)，將入射光束分成透 射光束和反射光束，透射光束作為參考光束，經(jīng)第二反射鏡16反射至第 三半透半反鏡17，反射光束作為測量光束，穿過所述的樣品臺14經(jīng)第一 反射鏡15反射至第三半透半反鏡17，該第三半透半反鏡17將參考光束和 測量光束合成一束，經(jīng)第二會聚鏡18后進入光電倍增管19檢測并輸出模 擬信號，A/D轉(zhuǎn)換器20將光電倍增管19的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入 所述的計算機21，該計算機21通過所述的控制軟件控制所述的第二半透
半反鏡09和第三半透半反鏡17同步旋轉(zhuǎn)，采集所述的A/D轉(zhuǎn)換器20的數(shù)
據(jù)，獲得當(dāng)前波長的測量光路的透過率La)和參考光路的透過率iva)，
并分別將信號保存在數(shù)組Ti[num]、 T/[num]中，然后控制軟件將所述的 單色系統(tǒng)07的波長調(diào)節(jié)為人+AX，重復(fù)上述步驟，直至獲得所要測量波
長范圍內(nèi)測量光路的全部透過率信息T,a^J，……，La^)和參考光 路的全部透過率信息TU，……，TD，校零完畢；
③ 在樣品臺14上放置待測樣品10，重復(fù)第②步的操作對所述的待
測樣品IO進行測量，得到所要測量波長范圍內(nèi)測量光路的全部透過率信 息T2( istart),……，T2(、nd)和參考光路的全部透過率信息TV(Xstart) ， ，
丁2' (Xencl);
④ 計算機2i進行數(shù)據(jù)處理m)二 (雄x纖)/餘)xiva))，
其中X的范圍為^tart到^nd，即獲得待測樣品10 —個測量點的透過率
⑤ 計算機21根據(jù)面掃描測量的點數(shù)N，通過所述的二維電動平移臺 13將待測樣品10驅(qū)動到下一個測量點位置，然后重復(fù)第③、@步的測 量，完成該測量點的測量；
⑥重復(fù)第⑤步，直至完成測量范圍內(nèi)待測樣品IO所有設(shè)定的測量點 的透射光譜測量。
本發(fā)明實現(xiàn)了大尺寸光學(xué)元件的透射光譜測量，可測量的光學(xué)元件 的最大尺寸為400mmX600mm;利用計算機的控制軟件的控制實現(xiàn)了光學(xué) 元件的自動面掃描測量。
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置，其構(gòu)成包括光源(04)、光闌(05)、第一會聚鏡(06)、單色系統(tǒng)(07)、準(zhǔn)直透鏡組(08)和第二半透半反鏡(09)、參考光路、測量光路、第三半透半反鏡(17)、第二會聚鏡(18)、待測樣品(10)、信號接收系統(tǒng)(22)和計算機(21)，其特征在于所述的測量光路由第二半透半反鏡(09)反射的豎直光路和依次設(shè)置的待測樣品(10)、第一反射鏡(15)、第三半透半反鏡(17)和第二會聚鏡(18)構(gòu)成；所述的待測樣品(10)水平地放置在所述的樣品臺(14)的樣品架(12)上，該樣品臺(14)由樣品架(12)、燕尾式滑動導(dǎo)軌(11)和二維電動平移臺(13)構(gòu)成，所述的待測樣品(10)隨著二維電動平移臺(13)進行二維移動；所述的參考光路由通過所述的第二半透半反鏡(09)的水平光路和依次設(shè)置的第二反射鏡(16)、第三半透半反鏡(17)和第二會聚鏡(18)構(gòu)成；所述的計算機(21)的輸入端接所述的信號接收系統(tǒng)(22)的輸出端，該計算機(21)通過信號線分別與所述的第一半透半反鏡(02)、第二半透半反鏡(09)、第三半透半反鏡(17)、單色系統(tǒng)(07)和二維電動平移臺(13)相連，所述的計算機(21)通過具有的控制軟件控制所述的第一半透半反鏡(02)、第二半透半反鏡(09)、第三半透半反鏡(17)、單色系統(tǒng)(07)和二維電動平移臺(13)的運動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置， 其特征在于所述的第一半透半反鏡(02)、第二半透半反鏡(09)、第三 半透半反鏡(17)都是一塊繞其垂直的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的圓片，該圓片的一半 為通光孔，另一半是全反光的半圓片。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝 置，其特征在于所述的信號接收系統(tǒng)(22)由光電倍增管(19)和A/D 轉(zhuǎn)換器(20)構(gòu)成。
4、利用權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置進行 光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量的方法，其特征在于包括下列步驟① 所述的光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置啟動后，首先在所述的計算機(21)上設(shè)置待測樣品(10)的測量光譜范圍Xstart、 Xend，測量 波長間隔AX，測量元件尺寸Xs^e、 y^e以及面掃描測量的點數(shù)N;② 在所述的樣品臺(14)上先不放置待測樣品(10)，對測量裝置進行校零根據(jù)預(yù)先設(shè)置的測量光譜范圍，通過第一半透半反鏡(02)選擇鹵素?zé)?01)或氖燈(03)作為光源，將所述的單色系統(tǒng)(07)的波 長調(diào)節(jié)至^M，光源發(fā)出的光經(jīng)光闌(05)和第一會聚鏡(06)后進入 單色系統(tǒng)(07)，單色系統(tǒng)(07)出射的單色光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組(08)變成 平行光束，然后入射到第二半透半反鏡(09)上，所述的計算機(21) 通過所具有的控制軟件控制所述的第二半透半反鏡(09)和第三半透半反 鏡(17)同步旋轉(zhuǎn)，該第二半透半反鏡(09)在所述的計算機(21)的控 制下高速旋轉(zhuǎn)，將入射光束分成透射光束和反射光束，透射光束作為參 考光束，經(jīng)第二反射鏡(16)反射至第三半透半反鏡(17)，反射光束作 為測量光束，穿過所述的樣品臺(14)經(jīng)第一反射鏡(15)反射至第三 半透半反鏡(17)，該第三半透半反鏡(17)將參考光束和測量光束合成 一束，經(jīng)第二會聚鏡(18)后進入光電倍增管(1.9)檢測并輸出模擬信 號，A/D轉(zhuǎn)換器(20)將光電倍增管(19)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入所述的計算機(21)，該計算機(21)采集所述的A/D轉(zhuǎn)換器(20)的數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前波長的測量光路的透過率La)和參考光路的透過率TVa)，并分別將信號保存在數(shù)組L[num]、 TV[n咖]中，然后控制軟件將 所述的單色系統(tǒng)(07)的波長調(diào)節(jié)為+AX二X，重復(fù)上述步驟，直至獲 得所要測量波長范圍內(nèi)測量光路的全部透過率信息La^j,……，La^)和參考光路的全部透過率信息:tu,……，n)，校零完畢；③在樣品臺(14)上放置待測樣品(10)，重復(fù)第②步的操作對所述 的待測樣品(10)進行測量，得到所要測量波長范圍內(nèi)測量光路的全部 透過率信息:TU,……，T2(、J和參考光路的全部透過率信息 丁2' (Xtart) ，， T2， (Xend); 計算機(21)進行數(shù)據(jù)處理T CO = (TV 00 X L CO ) / (T2 (" X ), 其中人的范圍為Xstart到xend，即獲得待測樣品(10) —個測量點的透過率T(";(D計算機(21)根據(jù)面掃描測量的點數(shù)N，通過所述的二維電動平 移臺(13)將待測樣品(10)驅(qū)動到下一個測量點位置，然后重復(fù)第③、 步的測量，完成該測量點的測量；⑥重復(fù)第⑤步，直至完成測量范圍內(nèi)待測樣品(10)所有設(shè)定的測 量點的透射光譜測量。
全文摘要
一種光學(xué)元件透射光譜自動面掃描測量裝置和方法，裝置的構(gòu)成包括光源、光闌、第一會聚鏡、單色系統(tǒng)、準(zhǔn)直透鏡組和第二半透半反鏡、參考光路、測量光路、第三半透半反鏡、第二會聚鏡、待測樣品、信號接收系統(tǒng)和計算機，其特點在于所述的測量光路對水平地放置的待測樣品進行測量；所述的計算機具有控制軟件，該計算機通過信號線分別與第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第三半透半反鏡、單色系統(tǒng)、二維電動平移臺和信號接收系統(tǒng)相連，本發(fā)明實現(xiàn)了光學(xué)元件的透射光譜測量，可測量的光學(xué)元件的最大尺寸為400mm×600mm；利用計算機的控制軟件的控制實現(xiàn)了光學(xué)元件的自動面掃描測量。
文檔編號G01J3/28GK101387551SQ20081020206
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者葵 易, 朱美萍, 范正修 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所