CN102589691A - 自准直光栅光谱仪 - Google Patents

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自准直光栅光谱仪包括分光成像单元：光纤、入射孔、准直-聚焦系统、光栅、平面反射镜、出射狭缝，和光谱信号处理单元：面阵光电探测器、信号处理系统、显示屏。准直-聚焦系统与光栅同轴，该轴为系统中心轴线；光纤位于入射孔处；入射孔在准直-聚焦系统的焦平面且不在焦点上；准直-聚焦系统与光栅依次放在入射孔远离光纤的一侧；平面反射镜位于光栅的衍射光经过准直-聚焦系统聚焦后的光路上；出射狭缝和面阵光电探测器位于光栅的衍射光经过聚焦-准直系统的焦点上；面阵光电探测器的输出端连接信号处理系统的输入端；信号处理系统输入端与面阵光电探测器输出端连接，输出端与显示屏输入端连接。该光谱仪具有体积小、价格低、稳定性好等优点。

Description

自准直光栅光谱仪
技术领域
本发明涉及一种自准直光栅光谱仪，属于分析仪器技术领域。
背景技术
已有的一般光谱仪光路由入射窗、准直系统、分光元件、聚焦系统和感光元件(CCD)等组成，有的还含有出射窗及部分调整光路结构的元件，如棱镜等。多种波长的光通过入射窗再经过准直系统变成平行光，之后辐照在分光元件上，经过分光元件的作用(衍射等)，不同波长的光分布在不同的出射方向，再经过聚焦系统的汇聚到感光元件的不同位置，从而达到分光的效果，在公开的文献和实际应用中所见到的光谱仪光路系统中，大多数准直系统和聚焦系统是独立的，导致光谱仪系统体积较大，在需要外出作业的场合，不方便携带，给光谱仪的推广应用产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是针对目前已有的高分辨率光谱仪存在体积大的缺点，提出的一种自准直光栅光谱仪。
一种自准直光栅光谱仪，包括：分光成像单元和光谱信号处理单元。其中，分光成像单元包括光纤(1)、入射孔(2)、准直-聚焦系统(3)、光栅(4)、平面反射镜(5)、出射狭缝(6)；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器(7)、信号处理系统(8)、显示屏(9)。
所述光纤(1)用于将待检测光导入所述自准直光栅光谱仪。
所述入射孔(2)的功能是使待检测光进入所述自准直光栅光谱仪，防止外界杂散光进入系统。
所述准直-聚焦系统(3)的功能是对待检测光起到准直作用，对于光栅(4)的衍射光起到聚焦作用。
所述光栅(4)的功能是对准平行光进行分光；所述光栅(4)为闪耀光栅或者阶梯光栅。
所述闪耀光栅和阶梯光栅的倾斜角和刻划线数目可由公式(1)确定：
2dsinθ＝mλ；(1)
其中，d为光栅常数，具体为每毫米刻划线数目的倒数，单位为毫米(mm)；θ为光栅的倾斜角，单位为度(°)；m为光栅的衍射级数；λ为选定的基准波长，单位为毫米(mm)。
所述平面反射镜(5)的功能是改变光路。
所述出射狭缝(6)的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其他光的干扰。
所述面阵光电探测器(7)的功能是采集从出射狭缝(6)透过的信号光，并将光信号变为电信号。
所述信号处理系统(8)的功能包括：①从面阵光电探测器(7)读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度。
所述显示屏(9)的功能是显示光谱的特征信息。
上述各组成部分的连接关系为：
准直-聚焦系统(3)与光栅(4)同轴，且该轴线为所述自准直光栅光谱仪的中心轴线；入射孔(2)的一侧为光纤(1)，另一侧为准直-聚焦系统(3)；光纤(1)的出射端位于入射孔(2)处，且垂直于入射孔所在平面；入射孔(2)位于准直-聚焦系统(3)的焦平面上且不在准直-聚焦系统(3)的焦点上；准直-聚焦系统(3)的一侧为入射孔(2)，另一侧为光栅(4)；平面反射镜(5)位于入射孔(2)和准直-聚焦系统(3)之间且在光栅(4)的衍射光经过准直-聚焦系统(3)聚焦后的光路上的某一位置；出射狭缝(6)和面阵光电探测器(7)位于光栅(4)的衍射光经过准直-聚焦系统(3)聚焦后，又经过平面反射镜(5)的反射后的焦点上；面阵光电探测器(7)的输出端连接信号处理系统(8)的输入端；信号处理系统(8)的输出端连接显示屏(9)的输入端。
所述自准直光栅光谱仪对待检测光进行特征分析的过程为：
第1步：待检测光通过光纤(1)到达入射孔(2)，穿过入射孔(2)后到达准直-聚焦系统(3)，经过准直-聚焦系统(3)的准直作用后，变成准平行光；
第2步：准平行光到达光栅(4)，经过衍射分光后到达准直-聚焦系统(3)；
第3步：经过准直-聚焦系统(3)的聚焦作用后，变成汇聚光，到达平面反射镜(5)；
第4步：汇聚光经过平面反射镜(5)的反射后，到达出射狭缝(6)；透过出射狭缝(6)的光达到面阵光电探测器(7)；
第5步：面阵光电探测器(7)将光信号变为电信号，发送到信号处理系统(8)；
第6步：信号处理系统(8)将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息，并将其发送到显示屏(9)输出。
有益效果
本发明提出的自准直光栅光谱仪与目前已有的光谱仪相比较具有以下优点：
①由于采用光纤导入，光纤可弯折，使光路可变，从而提高了系统的灵活性；
②该结构将光谱仪光路中的准直系统的准直作用和聚焦系统的汇聚作用由同一套光学系来承担，具有结构简单、光谱分辨率高、体积相对较小、价格较低等优点；
③整个结构无移动部件，系统稳定性高。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的自准直光栅光谱仪的结构示意图；
其中：1-光纤；2-入射孔；3-准直-聚焦系统；4-光栅；5-平面反射镜；6-出射狭缝；7-面阵光电探测器；8-信号处理系统；9-显示屏。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细描述。
一种自准直光栅光谱仪，如图1所示，包括：分光成像单元和光谱信号处理单元。其中，分光成像单元包括光纤1、入射孔2、准直-聚焦系统3、光栅4、平面反射镜5、出射狭缝6；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器7、信号处理系统8、显示屏9。
所述光纤1用于将待检测光导入所述自准直光栅光谱仪；光纤的数值孔径采用NA＝0.12；光纤可弯折，提高了系统的灵活性。
所述入射孔2的功能是使待检测光进入所述自准直光栅光谱仪，防止外界杂散光进入系统；入射孔和出射狭缝可采用钻孔、刻蚀、切割等方法制作。
所述准直-聚焦系统3的功能是对待检测光起到准直作用，对于光栅4的衍射光起到聚焦作用；本发明将一般光谱仪中的准直系统和聚焦系统由同一套光学系来替代，可较大程度的减小光谱仪的体积。
所述光栅4的功能是对准平行光进行分光；光栅4为闪耀光栅。
闪耀光栅的倾斜角θ为63度；光栅常数d为1/158mm；光栅的衍射级数m为15；基准波长λ为751.9×10-6mm。
所述平面反射镜5的功能是改变光路。
所述出射狭缝6的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其他光的干扰。
所述面阵光电探测器7的功能是采集从出射狭缝6透过的信号光，并将光信号变为电信号；面阵光电探测器7选用CCD。
所述信号处理系统8的功能包括：①从面阵光电探测器7读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度。
所述显示屏9的功能是显示光谱的特征信息。
上述各组成部分的连接关系为：
准直-聚焦系统3与光栅4同轴，且该轴线为所述自准直光栅光谱仪的中心轴线；入射孔2的一侧为光纤1，另一侧为准直-聚焦系统3；光纤1的出射端位于入射孔2处，且垂直于入射孔所在平面；入射孔2位于准直-聚焦系统3的焦平面上且不在准直-聚焦系统3的焦点上；准直-聚焦系统3的一侧为入射孔2，另一侧为光栅4；平面反射镜5位于入射孔2和准直-聚焦系统3之间且在光栅4的衍射光经过准直-聚焦系统3聚焦后的光路上的某一位置；出射狭缝6和面阵光电探测器7位于光栅4的衍射光经过准直-聚焦系统3聚焦后，又经过平面反射镜5的反射后的焦点上；面阵光电探测器7的输出端连接信号处理系统8的输入端；信号处理系统8的输出端连接显示屏9的输入端。
所述自准直光栅光谱仪对待检测光进行特征分析的过程为：
第1步：待检测光通过光纤1到达入射孔2，穿过入射孔2后到达准直-聚焦系统3，经过准直-聚焦系统3的准直作用后，变成准平行光；
第2步：准平行光到达光栅4，经过衍射分光后到达准直-聚焦系统3；
第3步：经过准直-聚焦系统3的聚焦作用后，变成汇聚光，到达平面反射镜5；
第4步：汇聚光经过平面反射镜5的反射后，到达出射狭缝6；透过出射狭缝6的光达到面阵光电探测器7；
第5步：面阵光电探测器7将光信号变为电信号，发送到信号处理系统8；
第6步：信号处理系统8将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息，并将其发送到显示屏9输出。
以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自准直光栅光谱仪，其特征在于：包括：分光成像单元和光谱信号处理单元；其中，分光成像单元包括光纤(1)、入射孔(2)、准直-聚焦系统(3)、光栅(4)、平面反射镜(5)、出射狭缝(6)；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器(7)、信号处理系统(8)、显示屏(9)；
所述光纤(1)用于将待检测光导入所述自准直光栅光谱仪；
所述入射孔(2)的功能是使待检测光进入所述自准直光栅光谱仪，防止外界杂散光进入系统；
所述准直-聚焦系统(3)的功能是对待检测光起到准直作用，对于光栅(4)的衍射光起到聚焦作用；
所述光栅(4)的功能是对准平行光进行分光；
所述平面反射镜(5)的功能是改变光路；
所述出射狭缝(6)的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其他光的干扰；
所述面阵光电探测器(7)的功能是采集从出射狭缝(6)透过的信号光，并将光信号变为电信号；
所述信号处理系统(8)的功能包括：①从面阵光电探测器(7)读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度；
所述显示屏(9)的功能是显示光谱的特征信息；
上述各组成部分的连接关系为：
准直-聚焦系统(3)与光栅(4)同轴，且该轴线为所述自准直光栅光谱仪的中心轴线；入射孔(2)的一侧为光纤(1)，另一侧为准直-聚焦系统(3)；光纤(1)的出射端位于入射孔(2)处，且垂直于入射孔所在平面；入射孔(2)位于准直-聚焦系统(3)的焦平面上且不在准直-聚焦系统(3)的焦点上；准直-聚焦系统(3)的一侧为入射孔(2)，另一侧为光栅(4)；平面反射镜(5)位于入射孔(2)和准直-聚焦系统(3)之间且在光栅(4)的衍射光经过准直-聚焦系统(3)聚焦后的光路上的某一位置；出射狭缝(6)和面阵光电探测器(7)位于光栅(4)的衍射光经过准直-聚焦系统(3)聚焦后，又经过平面反射镜(5)的反射后的焦点上；面阵光电探测器(7)的输出端连接信号处理系统(8)的输入端；信号处理系统(8)的输出端连接显示屏(9)的输入端。
2.如权利要求1所述的一种自准直光栅光谱仪，其特征在于：所述自准直光栅光谱仪对待检测光进行特征分析的过程包括第1步至第6步，具体为：
第1步：待检测光通过光纤(1)到达入射孔(2)，穿过入射孔(2)后到达准直-聚焦系统(3)，经过准直-聚焦系统(3)的准直作用后，变成准平行光；
第2步：准平行光到达光栅(4)，经过衍射分光后到达准直-聚焦系统(3)；
第3步：经过准直-聚焦系统(3)的聚焦作用后，变成汇聚光，到达平面反射镜(5)；
第4步：汇聚光经过平面反射镜(5)的反射后，到达出射狭缝(6)；透过出射狭缝(6)的光达到面阵光电探测器(7)；
第5步：面阵光电探测器(7)将光信号变为电信号，发送到信号处理系统(8)；
第6步：信号处理系统(8)将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到光谱的特征信息，并将其发送到显示屏(9)输出。
3.如权利要求1或2所述的一种自准直光栅光谱仪，其特征在于：所述光栅(4)为闪耀光栅或者阶梯光栅。
4.如权利要求3所述的一种自准直光栅光谱仪，其特征在于：所述闪耀光栅或阶梯光栅的倾斜角和刻划线数目可由公式(1)确定：
2dsin θ＝mλ；(1)
其中，d为光栅常数，具体为每毫米刻划线数目的倒数，单位为毫米；θ为光栅的倾斜角，单位为度；m为光栅的衍射级数；λ为选定的基准波长，单位为毫米。
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