CN103712692A - 光谱仪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光谱仪及工作方法，所述光谱仪包括光源、探测器，进一步包括：分束器设置在光源发出的测量光的光路上，将测量光分出第一光束和第二光束；第一反射单元将第一光束反射到第三反射单元；第二反射单元将第二光束反射到第三反射单元；第三反射单元的一个侧面将第一光束反射到第四反射单元，另一侧面将第二光束反射到第五反射单元；第三反射单元的反射面与分束器的反射面间的夹角为锐角；第四反射单元反射第一光束，使得第一光束原路返回到分束器，并进入探测器；第五反射单元用于反射第二光束，使得第二光束原路返回到分束器，并进入探测器；运动机构，用于平移和／或转动所述第三反射单元。本发明具有结构简单、分辨率高、成本低等优点。

Description

光谱仪及工作方法

技术领域

本发明涉及光谱分析，特别涉及光谱仪及工作方法。

背景技术

傅里叶变换红外光谱仪的基本原理是：准直的红外光束入射干涉仪中，通过干涉仪中动镜的运动，获取不同光程差下的干涉图，而干涉图是干涉光强度随着光程差变化的函数，将获取的干涉图进行傅里叶变换，就可以得到对应的光谱图，从而实现光谱探测。干涉仪是傅里叶变换红外光谱仪的核心部件。干涉仪所能提供的光程差大小，直接决定着光谱仪的分辨率。

经典的迈克尔逊干涉仪只能提供两倍于动镜移动距离的光程差，因此基于经典迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换红外光谱仪要获取高分辨率光谱，就必须增加动镜的移动范围，需要大行程的音圈电机或者直线电机，这样就会增加光谱仪的体积和成本。

因此，构建能够提供较长光程差的干涉仪光学系统成为一个本领域需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种分辨率高、结构简单、成本低的光谱仪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光谱仪，所述光谱仪包括光源、探测器，进一步包括：

分束器，所述分束器设置在所述光源发出的测量光的光路上，用于将所述测量光分出第一光束和第二光束；

第一反射单元，所述第一反射单元用于将所述第一光束反射到第三反射单元；

第二反射单元，所述第二反射单元用于将所述第二光束反射到所述第三反射单元；

第三反射单元，所述第三反射单元的一个侧面将所述第一光束反射到第四反射单元，另一侧面将所述第二光束反射到第五反射单元；所述第三反射单元的反射面与所述分束器的反射面间的夹角为锐角；

第四反射单元，所述第四反射单元用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器，并进入所述探测器；

第五反射单元，所述第五反射单元用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器，并进入所述探测器；

运动机构，所述运动机构用于平移和／或转动所述第三反射单元。

根据上述的光谱仪，优选地，所述第三反射单元的所述位置是由与分束器的反射面平行且中轴线共线的位置转动而来。

根据上述的光谱仪，可选地，所述光谱仪进一步包括：

调节机构，所述调节机构用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置。

根据上述的光谱仪，优选地，所述测量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。

根据上述的光谱仪，优选地，所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。

根据上述的光谱仪，优选地，所述第三反射单元的两个反射面平行。

本发明的目的还在于提供了一种分辨率高的光谱仪的工作方法，该发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种光谱仪的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

(A1)光源发出的测量光在分束器上分出第一光束和第二光束；

(A2)所述第一光束经过第三反射单元的一个反射面后入射到第四反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入探测器；

所述第二光束经过第三反射单元的另一个反射面后入射到第五反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入所述探测器；

所述第三反射单元的反射面和分束器的反射面间的夹角为锐角；

(A3)平移或转动所述第三反射单元，使得第一光束和第二光束从所述分束器射出、返回的光程差不同。

根据上述的工作方法，可选地，所述第一光束经过第一反射单元反射后入射到所述第三反射单元，所述第二光束经过第二反射单元后入射到所述第三反射单元。

根据上述的工作方法，优选地，所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。

根据上述的工作方法，可选地，当所述第三反射单元转动时，步骤(A3)进一步包括以下步骤：

调节步骤，用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分束器。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、高光谱分辨率：在行程已定的情况下，通过增加第三反射单元和分束器间的夹角θ，可以获取更长的光程差4d·tanθ(第三反射单元的平移距离为d)，从而实现高分辨率光谱探测；

2、低成本：为了获取特定的高分辨光谱，可以通过调节θ角，降低系统对移动机构的量程需求，从而降低成本，尤其是对于使用成本较高的音圈电机的光谱仪。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的光谱仪的结构简图；

图2是根据本发明实施例1的工作方法的流程图。

具体实施方式

图1、2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的光谱仪的结构简图，如图1所示，所述光谱仪包括：

光源11、探测器32，所述光源11和探测器32是本领域的现有技术，在此不再赘述；

分束器21，所述分束器21设置在所述光源11发出的测量光的光路上，用于将所述测量光分出第一光束和第二光束；

第一反射单元22，所述第一反射单元22用于将所述第一光束反射到第三反射单元24；

第二反射单元23，所述第二反射单元23用于将所述第二光束反射到所述第三反射单元24；

第三反射单元24，所述第三反射单元24的一个侧面将所述第一光束反射到第四反射单元25，另一侧面将所述第二光束反射到第五反射单元26；所述第三反射单元24的反射面与所述分束器21的反射面间的夹角为锐角；

第四反射单元25，所述第四反射单元25用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器21，并进入所述探测器31；

第五反射单元26，所述第五反射单元26用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器21，并进入所述探测器31；

运动机构(未示出)，所述运动机构用于平移和／或转动所述第三反射单元24。

为了使第一光束和第二光束入射到第三反射单元时是对称的，优选地，所述第三反射单元的所述位置是由与分束器的反射面平行且中轴线共线的位置转动而来。

为了适应于第三反射单元的转动，可选地，所述光谱仪进一步包括：

调节机构，所述调节机构用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置。

为了使第一光束和第二光束行进路径对称，优选地，所述测量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。优选地，所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。优选地，所述第三反射单元的两个反射面平行。

图2示意性地给出了光谱仪的工作方法的流程图，如图2所示，所述工作方法包括以下步骤：

(A1)光源发出的测量光在分束器上分出第一光束和第二光束；

(A2)所述第一光束经过第三反射单元的一个反射面后入射到第四反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入探测器；

所述第二光束经过第三反射单元的另一个反射面后入射到第五反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入所述探测器；

所述第三反射单元的反射面和分束器的反射面间的夹角为锐角；

(A3)平移或转动所述第三反射单元，使得第一光束和第二光束从所述分束器射出、返回的光程差不同。

为了使第一光束和第二光束行进路径对称，可选地，所述第一光束经过第一反射单元反射后入射到所述第三反射单元，所述第二光束经过第二反射单元后入射到所述第三反射单元。优选地，所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。

为了适应于第三反射单元的转动，可选地，当所述第三反射单元转动时，步骤(A3)进一步包括以下步骤：

调节步骤，用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分束器。

实施例2：

根据本发明实施例1的光谱仪及工作方法在气体检测中的应用例。具体检测二氧化碳等气体的含量。

如图1所示，在该应用例中，红外光源11发射出的红外光束经过抛物面反射镜12进行准直，准直后的光束由分束器21进行分束(反射和透射的两束光)；分束后的两束光分别通过平面反射镜22和平面反射镜23以垂直分束器21所在平面方向入射到双面(平行)反射平板24；反射镜22和反射镜23关于分束器21对称设置，经过双面反射平板24的两个侧面反射后的两红外光束分别经过平面反射镜25和平面反射镜26回射并按照原光路返回分束器21产生合束干涉；干涉光束出射进入红外探测单元3，经过聚焦抛物面反射镜31聚焦到红外探测器32感光面上，实现对干涉光束的探测。双面反射平板24与分束器21所在平面成一定夹角θ，并在线性马达作用下沿着分束器21所在平面做线性往返运动改变两光束的光程差，从而在红外探测器32处获得与光程差相对应的一系列红外光信号强度值；探测到的红外干涉信号，经过计算机进行傅里叶变换处理，从而得到对应的红外光谱谱图。装有待测气体的测量池设置在所述分束器和聚焦抛物面反射镜31之间的光路上。

双面反射平板24的平移距离为d时，两束光的光程差为4d·tanθ。

实施例3：

根据本发明实施例1的光谱仪及工作方法在气体检测中的应用例。具体检测一氧化碳等气体的含量。

如图1所示，在该应用例中，红外光源11发射出的红外光束经过抛物面反射镜12进行准直，准直后的光束由分束器21进行分束(反射和透射的两束光)；分束后的两束光分别通过平面反射镜22和平面反射镜23以垂直分束器21所在平面方向入射到双面(平行)反射平板24；反射镜22和反射镜23关于分束器21对称设置，经过双面反射平板24的两个侧面反射后的两红外光束分别经过平面反射镜25和平面反射镜26回射并按照原光路返回分束器21产生合束干涉；干涉光束出射进入红外探测单元3，经过聚焦抛物面反射镜31聚焦到红外探测器32感光面上，实现对干涉光束的探测。双面反射平板24与分束器21所在平面成一定夹角θ，并在线性马达作用下沿着分束器21所在平面做线性往返运动改变两光束的光程差，从而在红外探测器32处获得与光程差相对应的一系列红外光信号强度值；探测到的红外干涉信号，经过计算机进行傅里叶变换处理，从而得到对应的红外光谱谱图。装有待测气体的测量池设置在所述分束器和聚焦抛物面反射镜31之间的光路上。

在光程差的调节过程中，还利用转动机构(未示出)调节所述双面反射平板24与分束器21之间的夹角，之后平移。当转动调节时，还需配备调节机构(未示出)，如三维调节架，以调节反射镜25、26的位置，使得入射光经反射镜25、26反射后原路返回到分束器21。

Claims (10)

1.一种光谱仪，所述光谱仪包括光源、探测器，其特征在于：所述光谱仪进一步包括：

分束器，所述分束器设置在所述光源发出的测量光的光路上，用于将所述测量光分出第一光束和第二光束；

第一反射单元，所述第一反射单元用于将所述第一光束反射到第三反射单元；

第二反射单元，所述第二反射单元用于将所述第二光束反射到所述第三反射单元；

第三反射单元，所述第三反射单元的一个侧面将所述第一光束反射到第四反射单元，另一侧面将所述第二光束反射到第五反射单元；所述第三反射单元的反射面与所述分束器的反射面间的夹角为锐角；

第四反射单元，所述第四反射单元用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器，并进入所述探测器；

第五反射单元，所述第五反射单元用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器，并进入所述探测器；

运动机构，所述运动机构用于平移和／或转动所述第三反射单元。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述第三反射单元的所述位置是由与分束器的反射面平行且中轴线共线的位置转动而来。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述光谱仪进一步包括：

调节机构，所述调节机构用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述测量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于：所述第三反射单元的两个反射面平行。

7.一种光谱仪的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

(A1)光源发出的测量光在分束器上分出第一光束和第二光束；

(A2)所述第一光束经过第三反射单元的一个反射面后入射到第四反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入探测器；

所述第二光束经过第三反射单元的另一个反射面后入射到第五反射单元，经过反射后原路返回到所述分束器，之后进入所述探测器；

所述第三反射单元的反射面和分束器的反射面间的夹角为锐角；

(A3)平移或转动所述第三反射单元，使得第一光束和第二光束从所述分束器射出、返回的光程差不同。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：所述第一光束经过第一反射单元反射后入射到所述第三反射单元，所述第二光束经过第二反射单元后入射到所述第三反射单元。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：所述第一反射单元和第二反射单元关于所述分束器对称设置。

10.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：当所述第三反射单元转动时，步骤(A3)进一步包括以下步骤：

调节步骤，用于调节所述第四反射单元和第五反射单元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分束器。

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