利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置及基于该装置观测并读取波长的方法

摘要

利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置及基于该装置观测并读取波长的方法，属于光学领域。本发明是为了解决利用透射光栅裸眼观测可见光谱时，衍射信号弱、衍射方向不易确定且波长无法直接读取的问题。本发明所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置及基于该装置观测并读取波长的方法，无需对入射狭缝出射光准直形成平行光，而是直接入射到透射光栅上，形成衍射虚像，逆衍射光方向用裸眼观测光谱，通过转臂上的两个白光狭缝来确认衍射方向，并在非线性波长标尺上直接读取相应的波长值；具有成本低，视场大，光谱直观，衍射方向测量精确，波长直读等优点。适用于物理实验教学与光谱研究中的可见光谱裸眼测量。

说明书

技术领域

本发明属于光学领域。

背景技术

目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的工作原理是：光源通过入射狭缝，用凹面反射镜 准直形成平行光，不同波长的光经反射光栅衍射，形成不同方向的衍射平行光，再用凹面 反射镜聚焦到光电转换装置的不同位置，实现光谱分辨和记录。优点是无色差，适用波长 范围广；缺点是如果用球面反射镜，其非共轴光学系统会形成较大像差，影响分辨率。

透射式光栅光谱仪用会聚透镜代替凹面反射镜形成平行光，其共轴光学系统可以避免 严重的像差，但透镜的色散特性又会引入较大色差，同样影响分辨率。

光源通过入射狭缝后，如果直接入射到光栅上形成衍射，就避免了像差色差问题，但 衍射光不是平行光而是形成衍射虚像，其缺点是虚像无法直接在光电转换装置上记录，但 可以用裸眼在透射光栅后直接观测衍射像，并有光谱直观等优点，缺点是衍射方向不易确 定，波长无法直读等。

在中学和大学物理实验教学中，以透射光栅为分光元件的分光计有着重要的地位，这 是一种以裸眼观测可见光谱的透射式光谱仪，可以精确地测量衍射角度，进而计算出相应 的波长。优点是直观，精确，适合实验教学。缺点是价格贵，需要消色差，平行光管和望 远镜调节复杂，分划板视场偏小，不能直接读取波长等。

发明内容

本发明是为了解决利用透射光栅裸眼观测可见光谱时，衍射信号弱、衍射方向不易确 定且波长无法直接读取的问题，现提供利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装 置及基于该装置观测并读取波长的方法。

利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置，它包括：入射狭缝、透射光栅、 机械转臂、一号白光狭缝、二号白光狭缝、指针和非线性波长标尺；

光源发出的光穿过入射狭缝垂直入射至透射光栅含有光栅刻线的一侧，透射光栅对其 接收到的光进行衍射，

一号白光狭缝和二号白光狭缝均垂直于机械转臂的长度方向固定在机械转臂上，指针 固定在机械转臂的另一端，且指针的指针指向非线性波长标尺的刻度；

机械转臂的一端与透射光栅含有光栅刻线的一侧中心位置铰接，非线性波长标尺沿指 针摆动时走过的路径设置。

它还包括：会聚透镜；穿过入射狭缝的光透过会聚透镜垂直入射至透射光栅含有光栅 刻线的一侧。

它还包括：毛玻璃片；光源发出的光经毛玻璃片透射后再穿过入射狭缝。

它还包括：放大镜；该放大镜位于机械转臂的另一端，用于放大非线性波长标尺上的 刻度。

它还包括：连动杆、丝杆和手轮；手轮用于带动丝杆的动作端沿X轴方向移动，连动 杆的一端固定在丝杆的动作端，连动杆的一端固定在机械转臂上。

二号白光狭缝到透射光栅中心的距离为非线性波长标尺到透射光栅中心的距离的0.8 倍。

入射狭缝到透射光栅中心的距离等于非线性波长标尺到透射光栅中心的距离。

基于上述利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置观测并读取波长的方 法，该方法为：

首先，开启光源，在透射光栅的另一侧观测光谱，

然后，调节机械转臂的摆动角度，使得衍射谱线与一号白光狭缝和二号白光狭缝所确 定的直线共线，

最后读取当前位置下，指针所指出的非线性波长标尺的刻度，获得光谱波长。

波长x在标尺上的对应位置的确定方法为：

x＝R·arcsin(λ/d)

其中，λ为波长，R为弧形标尺的半径，即标尺到光栅中心的距离，d为光栅常数。

本发明所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置及基于该装置观测 并读取波长的方法，无需对入射狭缝出射光准直形成平行光，而是直接入射到透射光栅上， 形成衍射虚像，逆衍射光方向用裸眼观测光谱，通过转臂上的两个白光狭缝来确认衍射方 向，并在非线性波长标尺上直接读取相应的波长值；具有成本低，视场大，光谱直观，衍 射方向测量精确，波长直读等优点。适用于物理实验教学与光谱研究中的可见光谱裸眼测 量。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置的 结构示意图；

图2为具体实施方式二所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置的 结构示意图；

图3为非线性波长标尺示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的利用透射 光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置，它包括：入射狭缝4、透射光栅6、机械转臂 8、一号白光狭缝9、二号白光狭缝10、指针11和非线性波长标尺12；

光源1发出的光穿过入射狭缝4垂直入射至透射光栅6含有光栅刻线的一侧，透射光 栅6对其接收到的光进行衍射，

一号白光狭缝9和二号白光狭缝10均垂直于机械转臂8的长度方向固定在机械转臂8 上，指针11固定在机械转臂8的另一端，且指针11的指针指向非线性波长标尺12的刻度；

机械转臂8的一端与透射光栅6含有光栅刻线的一侧中心位置铰接，非线性波长标尺 12沿指针11摆动时走过的路径设置。

透射光栅6含有光栅刻线的一侧中心位置设有转轴7，机械转臂8通过该转轴7与透 射光栅6铰接，并能够以转轴7为中心摆动。透射光栅6的光栅常数适合可见光范围1级 衍射，例如1000线/mm左右。如图1或2所示，坐标的三个轴在空间上相互垂直，透射光 栅6的刻线方向与Z轴方向相同。

非线性波长标尺12是以光栅中心为曲率中心的弧形标尺，该标尺符合如下条件：

x＝R·arcsin(λ/d)

其中，λ为波长，x为波长对应标尺位置，R为弧形标尺的半径，即标尺到光栅中心 的距离，d为光栅常数。

在实际应用时，通过光源开关19来控制两个白光狭缝的背光。

本实施方式中所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置，入射狭缝 与非线性波长标尺位于透射光栅同侧(有光栅刻线一侧)，光源经入射狭缝后被透射至光栅 衍射；在透射光栅的另一侧用裸眼观测衍射光谱，衍射方向通过两个以白光为背景光的狭 缝确认，两个狭缝被固定在以光栅中心为转动中心的机械转臂上；当谱线和两个白光狭缝 共线时，波长通过转臂远端指针在非线性波长标尺上指示的位置用裸眼直接读出。本实施 方式衍射谱线较窄，光谱分辨率高。

具体实施方式二：参照图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方 式一所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方 式中，它还包括：会聚透镜5；穿过入射狭缝4的光透过会聚透镜5垂直入射至透射光栅 6含有光栅刻线的一侧。

本实施方式中，在入射狭缝4与透射光栅6之间增加了会聚透镜5，光源1发出的光 通过入射狭缝4后，再经过会聚透镜5成放大虚像并被透射光栅6衍射，衍射强度高于具 体实施方式一所记载的方案。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的利用透射光栅对可见光谱裸 眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括：毛玻璃片3；光源1 发出的光经毛玻璃片3透射后再穿过入射狭缝4。

本实施方式中，在入射狭缝4与光源1之间增加毛玻璃片3，使视场中的衍射谱线和 两个白光狭缝处于裸眼确认的最佳状态。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见光 谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括：放大镜13；该放 大镜13位于机械转臂8的另一端，用于放大非线性波长标尺12上的刻度。

由于非线性波长标尺12上的刻度排布较密集，因此，本实施方式中增加了放大镜13， 将该放大镜13固定在机械转臂8的另一端，人眼15通过放大镜13更易于观察和读取非线 性波长标尺12上的刻度。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见光 谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括：连动杆16、丝杆 17和手轮18；

手轮18用于带动丝杆17的动作端沿X轴方向移动，连动杆16的一端固定在丝杆17 的动作端，连动杆16的一端固定在机械转臂8上。

本实施方式中，旋转手轮18，丝杆17的动作端沿X轴方向移动，进而通过连动杆16 驱动机械转臂8以透射光栅6含有光栅刻线的一侧中心为轴摆动。在读取波长时，旋转手 轮18调节机械转臂8的摆动角度，直到衍射谱线与两个白光狭缝所确定的直线共线时，人 眼15就能够直接读取指针11当前位置所指示的读数，即读取波长。

本实施方式中，机械转臂8通过连动杆16、丝杆17和手轮18完成转动，精确度高于 人眼的角分辨能力1′。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的利用透射光栅对可见光谱裸 眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括：外壳20；

外壳20的侧壁开有手轮孔，手轮18嵌固在该手轮孔内，外壳20的两个侧壁上分别设 有入射光窗口2和观察窗口14，

透射光栅6、机械转臂8、一号白光狭缝9、二号白光狭缝10、指针11、非线性波长 标尺12、连动杆16、丝杆17和手轮18均位于外壳20内。

本实施方式所述的利用透射光栅对可见光谱裸眼观测并读取波长的装置，光源1发出 的光通过入射光窗口2入射至外壳20内部，人眼15能够通过观察窗口14裸眼观测光谱并 读取波长。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见光 谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，光源1为可见光。

本实施方式所述光源1可以为连续光谱，如：日光、烛光或白炽灯等；或者光谱为分 立光谱，如汞灯、钠灯等；又或者光谱为带状光谱，如日光灯、节能灯或LED灯等。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见光 谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，二号白光狭缝10到透射光栅 6中心的距离为非线性波长标尺12到透射光栅6中心的距离的0.8倍。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用透射光栅对可见光谱裸 眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，入射狭缝4到透射光栅6中心的 距离等于非线性波长标尺12到透射光栅6中心的距离。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式二所述的利用透射光栅对可见光谱裸 眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，会聚透镜5所成虚像到透射光栅 6中心的距离等于非线性波长标尺12到透射光栅6中心的距离。

具体实施方式八、九和十均限定了元件之间的距离，通过精确的控制元件之间的距离， 就能够减小视差，获得更加精确的读数。

具体实施方式十一：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见 光谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，一号白光狭缝9和二号白 光狭缝10的背光强度均可调。

具体实施方式十二：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的利用透射光栅对可见 光谱裸眼观测并读取波长的装置作进一步说明，本实施方式中，入射狭缝4的狭缝宽度可 调。

通过调节一号白光狭缝9、二号白光狭缝10的背光强度和入射狭缝4的狭缝宽度，能 够使视场中的衍射谱线和两个白光狭缝处于裸眼确认的最佳状态。

具体实施方式十三：本实施方式所述的基于具体实施方式一所述的利用透射光栅对可 见光谱裸眼观测并读取波长的装置观测并读取波长的方法，该方法为：

首先，开启光源1，在透射光栅6的另一侧观测光谱，

然后，调节机械转臂8的摆动角度，使得衍射谱线与一号白光狭缝9和二号白光狭缝 10所确定的直线共线，

最后读取当前位置下，指针11所指出的非线性波长标尺12的刻度，获得光谱波长。

具体实施方式十四：本实施方式是对具体实施方式十三所述的基于利用透射光栅对可 见光谱裸眼观测并读取波长的装置观测并读取波长的方法作进一步说明，本实施方式中， 波长x在标尺上的对应位置的确定方法为：

x＝R·arcsin(λ/d)

其中，λ为波长，R为弧形标尺的半径，即标尺到光栅中心的距离，d为光栅常数。

具体实施例

采用1000线/毫米透射光栅6，入射狭缝4与透射光栅6中间加入共轴的会聚透镜5， 放大倍数约为四倍，会聚透镜5所成虚像到透射光栅6的中心距离约60厘米，非线性波长 标尺12到透射光栅6的中心距离约60厘米，二号白光狭缝10到透射光栅6的中心距离约 48厘米，用T型螺旋丝杆17加连动杆16的方式转动机械转臂8，弧形非线性波长标尺12 以透射光栅6的中心为转动中心，非线性波长标尺12沿机械转臂8所划过的弧线放置，机 械转臂8远端的指针11位置可以微调。

观测光谱前首先校准光谱仪，用汞灯作为标准光源，通过微调指针11来定标；

然后打开待测光源，旋转手轮18，带动丝杆17平移，进而使机械转臂8转动，直到 衍射谱线、一号白光狭缝9和二号白光狭缝10三条亮线共线，通过观察窗口14在视场中 从上到下可以依次看到衍射谱线、二号白光狭缝10和一号白光狭缝9；

本具体实施例中，光谱仪最小分辨率优于1纳米，能够清晰分辨钠灯的双黄线(间隔 0.6纳米)。