高清直读光谱观测仪

技术领域

本发明属于光谱观测领域，更为具体地，涉及一种高清直读光谱观测仪。

背景技术

光栅衍射实验的实验目的是观察光栅衍射现象，了解光栅的应用及其特性，测量光源包含的各种谱线波长，主要使用的配套仪器是分光计，其主要利用的理论公式为光栅方程：d·sinθ＝K·λ，K取1，只要测量衍射角θ，即可计算出波长λ，使用分光计进行测量虽然原理简单，但是观测前的仪器调整准备工作复杂，如果没有足够的正规培训，会严重影响测量精度，甚至产生错误，观测时需要重复测量并记录多组数据，若长时间观测，容易使实验人员产生眼部不舒适，观测完成后需要复杂的三角函数计算才能得出待测光源的波长数值。而且使用分光计光栅衍射法只能对静态光源光的波长数值进行测量，当面对动态变换的光源，此装置无法快速跟踪谱线的位置变化和读取谱线波长变换范围数值。作为基础培训实验，以上状况可以接受，但是在实际应用中，比如在战场上，需要快速测定对面光谱成分进行数字解析和敌我判断，这套笨重的测量方法和设备明显不适用。对现有测量技术方案存在的缺点总结如下：

①分光计、汞灯、镇流器等，体积大，重量也大、不易携带。

②实验测量对环境光照有要求,需要暗室环境。

③分光计测量前准备过程复杂，尤其对初学者更艰难漫长。

④需要函数计算过程才能得到测量波长的数值。

⑤观测视野狭窄，谱线看不全。

⑥只能单眼观测，长时间观测，易疲劳。

⑦只能水平观测，应用范围受限。

⑧使用单缝装置自带的固定毛玻璃屏，无法替换。

⑨仪器需要220V电源，不适合户外使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有各种光谱观测装置的观测技术缺陷，提供了一种高清直读光谱观测仪，能够有效解决现有光谱观测仪结构和操作技术复杂且无法直读等缺陷，该高清直读光谱观测仪无需其他配套设备即可实现高清显示谱线分布，迅速直读谱线波长数值，同时具备动态观测谱线分布的功能。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：高清直读光谱观测仪，其特征在于，包括：仪器外壳、光栅、凸透镜、波长读数标尺、可调狭缝、毛玻璃片和定位平板；所述仪器外壳为长方体结构，仪器外壳包括壳体和底盖，壳体和底盖可拆卸地固定连接，所述壳体为底部敞口的长方体状结构，由顶壁和四个侧壁围合而成，四个侧壁分别为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁，第一侧壁和第二侧壁相对设置，第三侧壁和第四侧壁相对设置，并在壳体的第一侧壁上开设有观测窗口，壳体的第二侧壁上开设有光源入射窗口，壳体的顶壁上开设有标尺采光窗口；所述光栅镶嵌在观测窗口里；所述定位平板的截面形状和壳体的第二侧壁截面形状一致，定位平板和壳体的第二侧壁紧贴在一起，定位平板朝向所述第二侧壁的一侧预留有用于安放毛玻璃片的容置凹槽，毛玻璃片滑动配合在容置凹槽内，毛玻璃片在所述容置凹槽内能够具有第一位置和第二位置；其中，在第一位置时毛玻璃片完全遮挡光源入射窗口，在第二位置时毛玻璃片与光源入射窗口相互完全错开；所述可调狭缝采用单面可调狭缝，可调狭缝与光源入射窗口位置相对应，可调狭缝镶嵌在定位平板中，可调狭缝的一侧与所述容置凹槽槽底平齐，可调狭缝的另一侧与定位平板背向壳体的第二侧壁一侧平齐共面；所述波长读数标尺的一部分粘贴在可调狭缝上，另一部分粘贴在定位平板上，波长读数标尺的O刻度线的位置与可调狭缝的缝口靠近波长读数标尺一侧的边缘线位置对齐，波长读数标尺的最小分度值为1纳米，刻度范围为0纳米～680纳米；所述凸透镜设置在仪器外壳内部，凸透镜和光栅之间的距离近似等于凸透镜与波长读数标尺的距离，以使得在波长读数标尺上能够清晰的观察到光谱图像以及标尺刻度线。

进一步，所述壳体和底盖上加工有螺丝连接孔，壳体和底盖通过穿装在螺丝连接孔中的螺丝固定在一起。

进一步，所述仪器外壳的内表面涂覆有防反光涂层。

作为本发明的优选方案，所述仪器外壳的长宽高尺寸为23cm×20cm× 5.2cm，凸透镜的焦距为18cm。

作为本发明的优选方案，所述光栅选用1200线/毫米的光栅。

进一步，在所述波长读数标尺上与缝口正对的位置处预留有宽度为1毫米的细缝。

进一步，所述可调狭缝的缝口宽度可调范围为0.1毫米～1.0毫米。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：与同类产品相比，本发明提出的高清直读光谱观测仪具有更简单直观的结构设计，方便迅捷的实验操作，结实耐用的金属外壳，清晰明确的谱线成像，快速读取波长数值的方法等各项优势，而且还具备如下特点：体积小，重量轻，测量速度快，可直接读取波长数值，随机误差小，测量精度足以应对各种不同光源的区分测量，且现象直观，无需调试，不需要暗室环境，双眼观测视野宽，可以观测到所有谱线的分布状态。

附图说明

图1为高清直读光谱观测仪结构示意图；

图2为高清直读光谱观测仪光路原理图；

图3为本发明实施例中仪器外壳的壳体展开图；

图4为本发明实施例中仪器外壳的底盖示意图；

图5为波长读数标尺的结构示意图；

图6为高清直读光谱观测仪结构的局部放大图一；

图7为高清直读光谱观测仪结构的局部放大图二；

图8为高清直读光谱观测仪结构的局部放大图三；

图9为高清直读光谱观测仪的局部结构立体模型轮廓图一；

图10为高清直读光谱观测仪的局部结构立体模型轮廓图二；

图中各标记如下：1-仪器外壳；2-光栅；3-凸透镜；4-波长读数标尺；5- 可调狭缝；6-毛玻璃片；7-定位平板；8-待测光源；101-壳体；102-底盖；103- 观测窗口；104-标尺采光窗口；105-光源入射窗口；106-螺丝连接孔；501-缝口。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合本发明的实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，高清直读光谱观测仪，包括：仪器外壳1、光栅2、凸透镜3、波长读数标尺4、可调狭缝5、毛玻璃片6和定位平板7。下面先对各个部件选用规格和安装位置进行说明：

所述仪器外壳1为长方体结构，长宽高尺寸为23cm×20cm×5.2cm，该尺寸长度由凸透镜3的焦距决定，宽度由光栅谱线成像范围决定,高度由可调狭缝5 大小决定，仪器外壳1包括壳体101和底盖102，壳体101和底盖102上加工有螺丝连接孔106，壳体101和底盖102通过穿装在螺丝连接孔106中的螺丝固定在一起，所述壳体101为底部敞口的长方体状结构，由顶壁和四个侧壁围合而成，四个侧壁分别为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁，第一侧壁和第二侧壁相对设置，第三侧壁和第四侧壁相对设置，并在壳体101的第一侧壁上开设有观测窗口103，壳体101的第二侧壁上开设有光源入射窗口105，壳体 101的顶壁上开设有标尺采光窗口104。仪器外壳1的内表面涂覆有防反光涂层，防止光线反射形成图像干扰，制作仪器外壳1的材质选用厚度为1毫米的镀膜铝合金薄板，其特点是成本低，易加工，不生锈，外观明亮，适合量产。所述光栅2镶嵌在观测窗口103里，光栅2易损表面朝向仪器外壳1内部，选用1200 线/毫米的精密光栅，确保测量精度为1纳米。所述定位平板7的截面形状和壳体101的第二侧壁截面形状一致，定位平板7和壳体101的第二侧壁紧贴在一起，定位平板7朝向所述第二侧壁的一侧预留有用于安放毛玻璃片6的容置凹槽，毛玻璃片6滑动配合在容置凹槽内，毛玻璃片6在所述容置凹槽内能够具有第一位置和第二位置；其中，在第一位置时毛玻璃片6完全遮挡光源入射窗口105，在第二位置时毛玻璃片6与光源入射窗口105相互完全错开；所述可调狭缝5采用单面可调狭缝，可调狭缝5与光源入射窗口105位置相对应，可调狭缝5镶嵌在定位平板7中，可调狭缝5的一侧与所述容置凹槽槽底平齐，可调狭缝5的另一侧与定位平板7背向壳体101的第二侧壁一侧平齐共面；所述波长读数标尺4，波长读数标尺4的材质为相片纸，波长读数标尺4的一部分粘贴在可调狭缝5上，另一部分粘贴在定位平板7上，波长读数标尺4的O刻度线的位置与可调狭缝5的缝口501靠近波长读数标尺4一侧的边缘线位置对齐，其他刻度线分布在两侧形成坐标轴结构，粘贴波长读数标尺4时，会在缝口501 位置切断，预留1mm缝宽，满足可调狭缝5的工作范围，同时满足分布在两侧的坐标位置不变。波长读数标尺4的最小分度值为1纳米，刻度范围为0纳米～ 680纳米，因此对可见光的观测范围是390纳米～680纳米。所述凸透镜3设置在仪器外壳1内部，凸透镜3和光栅2之间的距离近似等于凸透镜3与波长读数标尺4的距离，以使得在波长读数标尺4上能够清晰的观察到光谱图像。

本发明中毛玻璃片6可以自由滑动，选择是否遮挡光源入射窗口105适应不同类型的光源测量。其选择依据为，当入射光源较弱或为面光源时手动滑动毛玻璃片6使其置于第二位置，使得所述光源入射窗口105与毛玻璃片6错开，以获取直射光线；当入射光源像激光一样较强或为点光源时,可选择手动滑动毛玻璃片6使其置于第一位置，使得所述毛玻璃片6遮挡光源入射窗口105，才能形成足够长度的谱线。

本发明中可调狭缝5采用现有市面上能够采购到的单面可调狭缝，其属于现有光学器件，狭缝的两个刀片，一个为固定刀片，另一个为活动刀片，固定刀片和活动刀片之间形成缝口501，通过调整缝宽调整旋钮，活动刀片可以移动从而来改变狭缝的缝口501宽度，本实施例中可调狭缝5选用北京恒奥德仪器仪表有限公司生产的TP-SZ-22单面可调狭缝或北京恒奥德仪器仪表有限公司生产的型号为H11571单面可调狭缝。缝口501经过打磨更加精细，缝口501宽度可调范围为0.1毫米～1.0毫米,解决了谱线成像失真变形，成像短、亮度不均匀、方向不垂直、有毛刺等不利于测量的问题。

所述凸透镜3的焦距为18cm，决定了仪器整体长宽的比例是否美观，其位置设置在仪器外壳1内部，处于光栅2和波长读数标尺4的位置之间，凸透镜3 它们之间的距离会影响到光栅谱线成像清晰度和波长读数标尺4的刻度线观测清晰度，因此应调节到能够保证这两种成像同时清晰无视差的位置后胶粘固定。当待测光源8发射的散射光经凸透镜3汇聚后投射在光栅2上，经光栅2衍射后射出观测窗口103，入射到观测者眼睛或拍摄装置镜头，人眼或拍摄设备观察到的光谱图像刚好位于波长读数标尺4所在平面，与波长读数标尺4刻度对准读数，即可得到相应波长数值。

光路的设计是本发明架构的核心,结构简单，选择的光学配件只有两个：光栅2和凸透镜3，但两个光学配件都担负着双重的功能，比如光栅2既用来产生谱线，又用来作为透明观测窗口使用,凸透镜3既用来会聚形成平行光输出到光栅2，又用来放大波长读数标尺4的标尺刻度线提高测量分辨率。

图2示出了本发明所述的高清直读光谱观测仪光路原理图。

基于本发明的光路设计的相关理论推导：

以可调狭缝5的缝口501靠近波长读数标尺4一侧的边缘中点所在位置为坐标原点，在波长读数标尺4所在平面向形成谱线分布的方向建立坐标X轴，由于光栅2中心和可调狭缝5的缝口501靠近波长读数标尺4一侧的边缘中点连线方向与X轴并不垂直，因此光栅2的中心在X轴上的投影点不是所述坐标原点，而是存在一个偏离的距离，这个距离的数值在仪器制作完成后为定值设为x

1、光栅方程：d·sinθ＝K·λ，式中d为光栅常数,λ为待测谱线波长，θ为光栅衍射形成的偏角,K为谱线左右级次数值,因为只能观察到左1级，所以这里K取1，这样光栅方程简化为:λ＝d·sinθ；

2、谱线位置在波长读数标尺4的读数坐标值为x，则

x≈x

代入简化的光栅方程得：

上式中仅λ和x为变量,其他量为常量,可见波长测量值λ与谱线位置距原点距离x成线性正比关系，比例系数为d/L。这样就可以对X轴刻度整体线性放大或缩小，形成读数与λ一致，作为波长读数标尺4刻度，再利用汞灯中的已知波长的谱线根据实测进行校定和修正，即可得到能够准确读数的标尺刻度。

利用本发明提出的高清直读光谱观测仪进行测量计算实例

以测量氦氖激光光源为例，重复测量六次，第i次测量得到激光波长测量值为λ

1、计算平均值：

被测激光波长平均值为

式中，nm为波长数值的单位：纳米；

2、计算不确定度：

标准偏差为σ

式中∑为求和运算符，i代表第i次测量，初始值为1，n为求和终止量，也代表测量次数，所以n＝6；λ

A类不确定度为U

式中t为矫正因子,和测量次数相关，查询A类不确定度的因子表，见表 1，得知t≈1。

B类不确定度U

由于波长读数标尺4刻度非常密集，无法对小于1纳米的观测结果进行估读,因此取U

总不确定度为U

相对不确定度E

3、测量结果：激光波长λ，

表1A类不确定度的因子表

表1中，n为测量次数，t为矫正因子，p为置信概率。

综上，根据光路原理，本发明设计的高清直读光谱观测仪内部各部件格局、采光方式、虚像直读模式和仪器外壳1形式都与现有的光栅光谱观测仪不同，本发明提出的高清直读光谱观测仪视野宽阔，精度高，加工和耗材的成本得到合理控制，因此拥有良好的技术推广和产品转化的市场应用前景，尤其适用大专院校科教和科普仪器的更新和技术推广。