CN102706830A - 一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，盒体为支撑结构件，光纤接口、反射镜组件、准直镜组件、光栅组件、聚焦镜组件和探测器分别安装于盒体上，反射镜组件安装面和光栅组件安装面共用1个表面，光纤安装在光纤接口上，电路板安装在探测器背后，并固定在盒体上，探测器背面安装半导体制冷器和散热结构，探测器背面和半导体制冷器冷端贴合，半导体制冷器热端和散热结构贴合，三者接触面涂敷导热材料，散热结构将探测器和半导体制冷器工作时产生的热量传导出去，本发明光谱仪结构紧凑、无活动机构、装调简单、使用方便、性能稳定、可以同时对整个光谱进行快速扫描，且能经受振动、冲击、热真空和热循环等环境试验考核。

Description

一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪结构。

背景技术

光纤光谱仪是对物质结构和成分进行分析处理的光谱分析仪器。Czerny-Turner型构型是常用的光纤光谱仪的光学系统形式，采用平面光栅结构，用两块凹面反射镜分别做为准直物镜和成像物镜，对整个光谱进行扫描。为获取准确的光谱数据，光谱仪需要具有稳定可靠的结构。

光谱仪的结构设计要求为：

a.结构紧凑，同时各元件应具有足够的空间以易于装配、调节和维修。

b.根据光学系统的加工公差和装调工差进行结构件的加工精度分析，在加工精度实现困难的情况下设置必要的装配调整环节。

c.保持光学件的相互位置关系稳定。

d.能经受振动、冲击、热真空和热循环等环境试验考核。

e.适应一定的工作温度范围。

目前在已有的光纤光谱仪结构中，光学件和结构件间调整好位置后多采用直接粘接的方式，在需要通过力学环境试验考核的情况下，这种结构形式不宜采用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其该光纤光谱仪结构紧凑、无活动机构、装调简单、使用方便、性能稳定、可以同时对整个光谱进行快速扫描，且能经受振动、冲击、热真空和热循环等环境试验考核。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，包括盒体、光纤接口、反射镜组件、准直镜组件、光栅组件、聚焦镜组件、探测器、电路板、半导体制冷器和散热结构，其中盒体为支撑结构件，光纤接口、反射镜组件、准直镜组件、光栅组件、聚焦镜组件和探测器分别安装于盒体上，反射镜组件安装面和光栅组件安装面共用1个表面，光纤安装在光纤接口上，光纤的输出光经由光纤接口进入光谱仪，经过反射镜、准直镜、光栅、聚焦镜，最后聚焦在探测器上，电路板与探测器连接，并固定在盒体上，探测器背面安装半导体制冷器和散热结构，探测器背面和半导体制冷器冷端贴合，半导体制冷器热端和散热结构贴合，三者接触面涂敷导热材料，散热结构将探测器和半导体制冷器工作时产生的热量传导出去，实现探测器焦面所需要的低温工作温度。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，光纤光出射面的位置可通过光纤接口和盒体间的调整垫片进行前后调节；探测器通过调焦垫片直接固定在盒体上，调焦垫片厚度通过最终确定的焦面位置确定。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，反射镜组件由反射镜托框、反射镜、反射镜压圈和支架组成，反射镜安装在反射镜托框里，用反射镜压圈固定，反射镜托框安装在支架上，反射镜组件通过支架安装到盒体上，支架和盒体通过轴孔定位，支架可绕反射镜组件安装轴转动调整反射镜的角度位置，且反射镜组件安装轴轴线通过反射镜反射面。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，准直镜组件由准直镜托框、准直镜和准直镜压圈组成，准直镜安装在准直镜托框里，用准直镜压圈固定，准直镜托框通过三个安装点安装到盒体外侧面上，准直镜托框外圆和盒体上准直镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，准直镜组件的位置可以在间隙内调整。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，准直镜为离轴反射镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证准直镜对称面和准直镜托框过安装孔中心的对称面对齐，安装误差为±1mm。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，准直镜托框上的安装孔为腰形孔，可通过转动准直镜组件调整准直镜对称面位置。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，光栅组件由光栅托框、光栅、光栅压圈、光栅托框压圈和底座组成，为两层结构，光栅安装在光栅托框内，用光栅压圈固定，光栅托框安装在底座上，光栅托框在底座内可转动调整光栅刻线方向，调整完成后拧紧光栅托框压圈固定光栅托框，底座和盒体通过轴孔定位，底座可绕光栅组件安装轴转动调整光栅的角度位置，所述光栅组件安装轴轴线通过光栅反射面。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，聚焦镜组件由聚焦镜托框、聚焦镜和聚焦镜压圈组成，聚焦镜安装在聚焦镜托框内，用聚焦镜压圈固定，聚焦镜托框通过三个安装点安装到盒体外侧面上，聚焦镜托框外圆和盒体上聚焦镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，聚焦镜组件的位置可以在间隙内调整。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，聚焦镜为离轴反射镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证聚焦镜对称面和聚焦镜托框过安装孔中心的对称面对齐，安装误差为±1mm。

在上述固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪中，聚焦镜托框上的安装孔为腰形孔，可通过转动聚焦镜组件调整聚焦镜对称面位置。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明光纤光谱仪为对称式Czerny-Turner型构型，采用固定平面光栅结构，结构紧凑、无活动机构、装调简单、使用方便、可以同时对整个光谱进行快速扫描；

(2)本发明光纤光谱仪中的盒体是光谱仪中主要的支撑结构件，具有较高的刚度以保证其机械稳定性，盒体上的光纤接口安装孔和安装面、反射镜组件安装孔和安装面、准直镜组件安装孔和安装面、光栅组件安装孔和安装面、聚焦镜组件安装孔和安装面、探测器安装面分别提供光纤接口、准直镜组件、光栅组件、聚焦镜组件、探测器的安装基准，且反射镜组件安装面和光栅组件安装面共用1个表面，通过加工公差保证各元件安装面和安装孔间严格的位置和角度关系，减少调整环节，使得整个光纤光谱仪具有较高的刚度和强度；

(3)本发明光纤光谱仪中的探测器背面安装半导体制冷器和散热结构，通过对探测器焦面的制冷减小探测器工作时的热噪声，散热结构则将探测器和半导体制冷器工作时产生的热量传导出去，增加了光纤光谱仪的可靠性；

(4)本发明对光纤光谱仪中的准直镜组件、光栅组件、聚焦镜组件和反射镜组件的结构和在盒体上的安装进行了巧妙的设计，使得整体结构更加紧凑、调试更加方便，大大提高了可靠性；

(5)整机地面试验和环境试验测试结果表明，本发明光纤光谱仪性能经受振动、冲击、热真空和热循环等环境试验考核，性能稳定可靠，很好地满足了设计要求；

(6)本发明中光纤光谱仪结构适用于固定光栅的对称式Czerny-Turner型光纤光谱仪，对于固定光栅的非对称式Czerny-Turner型光纤光谱仪结构设计也有一定的参考价值。

附图说明

图1为本发明光学系统示意图；

图2为本发明光纤光谱仪的结构示意图；

图3为本发明光纤光谱仪的结构剖面图；

图4为本发明光纤光谱仪中盒体结构示意图；

图5为本发明光纤光谱仪中反射镜组件的结构示意图；

图6为本发明光纤光谱仪中准直镜组件的结构示意图；

图7为本发明光纤光谱仪中光栅组件的结构示意图；

图8为本发明光纤光谱仪中聚焦境组件的结构示意图；

图9为本发明光纤光谱仪中探测器、电路板、半导体制冷器和散热结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图2所示为本发明光纤光谱仪结构示意图，由图可知光谱仪包括盒体1、光纤接口2、反射镜组件3、准直镜组件4、光栅组件5、聚焦镜组件6、探测器7、电路板8、半导体制冷器9和散热结构10。光纤接口2、反射镜组件3、准直镜组件4、光栅组件5、聚焦镜组件6、探测器7分别安装于盒体1上。如图3所示为本发明光纤光谱仪的结构剖面图。

如图1为本发明光学系统示意图，由图可知光纤的输出光由光纤端口进入光谱仪，经反射镜302反射到准直镜402上，经准直镜402反射入射到做为分光器件的平面光栅502，不同波长的光以不同的角度被光栅502反射后以不同的入射角到达聚焦镜602，经聚焦镜602反射后被聚焦于探测器上的不同位置。光学件材料为K9。

探测器7后面安装电路板8、进行信号处理。探测器7背面安装半导体制冷器9和散热结构10、实现探测器焦面所需要的低温工作温度。

光谱仪的主要设计参数为：

a.工作谱段1.2～2.2μm。

b.光谱分辨率4nm。

c.准直镜和聚焦镜的光学表面为离轴抛物面。

d.光栅刻线300line/mm，光栅闪耀级次m＝1，闪耀波长1.5μm。

e.探测器为铟镓砷(InGaAs)线阵探测器，像元数512。

如图4所示为本发明光纤光谱仪中盒体结构示意图，盒体1是光谱仪中主要的支撑结构件，材料为铝合金5A06，具有较高的刚度以保证其机械稳定性。盒体1上的光纤接口2安装孔和安装面、反射镜组件3安装孔和安装面、准直镜组件4安装孔和安装面、光栅组件5安装孔和安装面、聚焦镜组件6安装孔和安装面、探测器7安装面分别提供光纤接口2、反射镜组件3、准直镜组件4、光栅组件5、聚焦镜组件6、探测器7的安装基准，保证它们的相对位置关系保持不变。反射镜组件3安装面和光栅组件5安装面共用1个表面。通过加工公差保证各元件安装面和安装孔间严格的位置和角度关系，减少调整环节。

如图2、3所示，光纤接口2直接安装到盒体1上，光纤通过SMA905光纤接头安装到光纤接口2上，光纤光出射面的位置可通过光纤接口2和盒体1间的调整垫片进行前后调节。

如图5所示为本发明光纤光谱仪中反射镜组件的结构示意图，由图可知反射镜组件3由反射镜托框301、反射镜302、反射镜压圈303、支架304组成。反射镜302安装在反射镜托框301里，用反射镜压圈303固定。反射镜托框301安装在支架304上。反射镜组件3通过支架304安装到盒体1上，支架304和盒体1通过轴孔定位，支架304可绕反射镜组件安装轴转动调整反射镜302的角度位置。

反射镜组件3安装轴轴线通过反射镜302反射面。反射镜托框301、反射镜压圈303、支架304材料为铝合金5A06。

如图6所示为本发明光纤光谱仪中准直镜组件的结构示意图，由图可知准直镜组件4由准直镜托框401、准直镜402、准直镜压圈403组成。准直镜402安装在准直镜托框401里，用准直镜压圈403固定。准直镜402为离轴抛物面镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证准直镜对称面和准直镜托框过安装孔中心的对称面对齐，安装误差±1mm。

准直镜托框401通过三个安装点安装到盒体1外侧面上，准直镜托框外圆和盒体上准直镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，准直镜组件4的位置可以在间隙内调整。准直镜托框401上的安装孔为腰形孔，可通过转动准直镜组件4调整准直镜对称面位置。此外准直镜托框401、准直镜压圈403材料为铝合金5A06。

如图7所示为本发明光纤光谱仪中光栅组件的结构示意图，由图可知光栅组件5由光栅托框501、光栅502、光栅压圈503、光栅托框压圈504、底座505组成，为两层结构。光栅502先安装到光栅托框501内，用光栅压圈503固定。光栅托框501安装到底座505上，光栅托框501在底座505内可转动调整光栅刻线方向，调整完成后拧紧光栅托框压圈504固定光栅托框501。

底座505和盒体1通过轴孔定位，底座505可绕光栅组件安装轴转动调整光栅502的角度位置。光栅组件安装轴轴线通过光栅反射面。此外光栅托框501、光栅压圈503、光栅托框压圈504、底座505的材料为铝合金5A06。

如图8所示为本发明光纤光谱仪中聚焦境组件的结构示意图，由图可知聚焦镜组件6由聚焦镜托框601、聚焦镜602、聚焦镜压圈603组成。聚焦镜602安装在聚焦镜托框601里，用聚焦镜压圈603固定。聚焦镜602为离轴抛物面镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证聚焦镜对称面和聚焦镜托框过安装孔中心的对称面对齐，安装误差±1mm。

聚焦镜托框601通过三个安装点安装到盒体1外侧面上，聚焦镜托框外圆和盒体上聚焦镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，聚焦镜组件6的位置可以在间隙内调整。聚焦镜托框601上的安装孔为腰形孔，可通过转动聚焦镜组件6调整聚焦镜对称面位置。此外聚焦镜托框601、聚焦镜压圈603材料为铝合金5A06。

如图9所示为本发明光纤光谱仪中探测器、电路板、半导体制冷器和散热结构的结构示意图，探测器7通过调焦垫片直接固定在盒体1上，调焦垫片厚度通过最终确定的焦面位置确定。电路板8安装在探测器7背后，并固定在盒体1上。

探测器7背面安装半导体制冷器9和散热结构10，采用探测器内部制冷结合探测器外部半导体致冷实现探测器焦面的制冷，减小探测器工作时的热噪声。探测器7背面和半导体制冷器9冷端贴合，半导体制冷器9热端和散热结构10贴合，三者接触面涂有GD414导热硅胶。散热结构10安装在盒体1上，材料为纯铝材料L4，将探测器7和半导体制冷器9工作时产生的热量传导出去。在光谱仪外部采用风机提高探测器、半导体制冷器9的散热效果，保持探测器7工作时的数据稳定。为防止制冷时探测器7表面结露，对探测器7和半导体制冷器9的参数进行匹配使用，将探测器7的壳温控制在环境温度附近，同时探测器7的焦面温度满足低温工作温度要求。

光谱仪装调过程中，对工作光谱范围、光谱分辨率及波长位置进行了测试，均满足设计要求。

本发明光谱仪结构随整机进行振动试验前后和冲击试验前后光谱位置稳定、光谱仪输出曲线未发生变化，经过累计300小时-35℃～70℃热循环试验和热真空试验后、在室温下光谱仪测试正常。整机地面试验和环境试验测试结果表明，该光纤光谱仪结构简单可靠，很好地满足了设计要求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：包括盒体(1)、光纤接口(2)、反射镜组件(3)、准直镜组件(4)、光栅组件(5)、聚焦镜组件(6)、探测器(7)、电路板(8)、半导体制冷器(9)和散热结构(10)，其中盒体(1)为支撑结构件，光纤接口(2)、反射镜组件(3)、准直镜组件(4)、光栅组件(5)、聚焦镜组件(6)和探测器(7)分别安装于盒体(1)上，反射镜组件(3)安装面和光栅组件(5)安装面共用1个表面，光纤安装在光纤接口(2)上，光纤的输出光经由光纤接口(2)进入光谱仪，经过反射镜(302)、准直镜(402)、光栅(502)、聚焦镜(602)，最后聚焦在探测器(7)上，电路板(8)与探测器(7)连接，并固定在盒体(1)上，探测器(7)背面安装半导体制冷器(9)和散热结构(10)，探测器(7)背面和半导体制冷器(9)冷端贴合，半导体制冷器(9)热端和散热结构(10)贴合，三者接触面涂敷导热材料，散热结构(10)将探测器(7)和半导体制冷器(9)工作时产生的热量传导出去，实现探测器(7)焦面所需要的低温工作温度。

2.根据权利要求1所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述光纤光出射面的位置可通过光纤接口(2)和盒体(1)间的调整垫片进行前后调节；探测器(7)通过调焦垫片直接固定在盒体(1)上，调焦垫片厚度通过最终确定的焦面位置确定。

3.根据权利要求1所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述反射镜组件(3)由反射镜托框(301)、反射镜(302)、反射镜压圈(303)和支架(304)组成，反射镜(302)安装在反射镜托框(301)里，用反射镜压圈(303)固定，反射镜托框(301)安装在支架(304)上，反射镜组件(3)通过支架(304)安装到盒体(1)上，支架(304)和盒体(1)通过轴孔定位，支架(304)可绕反射镜组件安装轴转动调整反射镜(302)的角度位置，且反射镜组件安装轴轴线通过反射镜反射面。

4.根据权利要求1所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述准直镜组件(4)由准直镜托框(401)、准直镜(402)和准直镜压圈(403)组成，准直镜(402)安装在准直镜托框(401)里，用准直镜压圈(403)固定，准直镜托框(401)通过三个安装点安装到盒体(1)外侧面上，准直镜托框(401)外圆和盒体(1)上准直镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，准直镜组件(4)的位置可以在间隙内调整。

5.根据权利要求4所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述准直镜(402)为离轴反射镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证准直镜(402)对称面和准直镜托框(401)过安装孔中心的对称面对齐，安装误差为±1mm。

6.根据权利要求4所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述准直镜托框(401)上的安装孔为腰形孔，可通过转动准直镜组件(4)调整准直镜(402)对称面位置。

7.根据权利要求1所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述光栅组件(5)由光栅托框(501)、光栅(502)、光栅压圈(503)、光栅托框压圈(504)和底座(505)组成，为两层结构，光栅(502)安装在光栅托框(501)内，用光栅压圈(503)固定，光栅托框(501)安装在底座(505)上，光栅托框(501)在底座(505)内可转动调整光栅刻线方向，调整完成后拧紧光栅托框压圈(504)固定光栅托框(501)，底座(505)和盒体(1)通过轴孔定位，底座(505)可绕光栅组件安装轴转动调整光栅(502)的角度位置，所述光栅组件安装轴轴线通过光栅反射面。

8.根据权利要求1所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述聚焦镜组件(6)由聚焦镜托框(601)、聚焦镜(602)和聚焦镜压圈(603)组成，聚焦镜(602)安装在聚焦镜托框(601)内，用聚焦镜压圈(603)固定，聚焦镜托框(601)通过三个安装点安装到盒体(1)外侧面上，聚焦镜托框(601)外圆和盒体(1)上聚焦镜组件安装孔间留有间隙，间隙为0.5mm～1mm，聚焦镜组件(6)的位置可以在间隙内调整。

9.根据权利要求8所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述聚焦镜(602)为离轴反射镜，装框时通过使镜面最高点和托框上的安装刻线对齐来保证聚焦镜(602)对称面和聚焦镜托框(601)过安装孔中心的对称面对齐，安装误差为±1mm。

10.根据权利要求8所述的一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪，其特征在于：所述聚焦镜托框(601)上的安装孔为腰形孔，可通过转动聚焦镜组件(6)调整聚焦镜(602)对称面位置。

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