CN103954359B - 一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，其包括有入射狭缝、准直镜头、分光元件、面阵CCD及计算机；所述分光元件后部通过中间固定座和O形橡胶圈安装一调焦镜头。通过调焦镜头调节焦距，实现光谱分辨率的调节；通过机械压紧O形橡胶圈调整分光元件和调焦镜头所成角度，实现光谱范围的选择。本发明结构简单，易于加工调试，生产成本低廉，操作简单，结合CCD面元数据纵向累加的处理方法，在提高分辨率的同时具有较高的探测灵敏度，适用于荧光光谱及拉曼光谱测量。

Description

一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪
技术领域
本发明属于光谱测量仪器技术领域，它涉及一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪。
背景技术
光谱仪是将成分复杂的光分解成光谱线的科学仪器，可对物质的结构及成分进行测量和分析，被广泛应用于物理及化学组分分析检测、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域。典型的光谱仪由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和探测器阵列组成，其中样品辐射光经狭缝入射至色散系统，色散后的光经过聚焦元件聚集至探测器阵列上。光谱仪按照使用的波段可分为可见光光谱仪、红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按照功能用途可分为荧光光谱仪、拉曼光谱仪、激光诱导击穿光谱仪等。光谱仪的分辨率是光谱仪的一个关键技术指标，其分辨率决定了分析的精度，不同功能的光谱仪要求的光谱分辨率有所差异。现有的光谱仪通常得到宽带波长范围内的光谱图，通过软件选择可得到某一波段位置附近的光谱，由于其聚焦元件焦距固定，无法调节，各个波段的分辨率为固定值，不能根据探测需求调节光谱分辨率。在实际光谱测量中，通常某一光谱范围内要求具有较高分辨率，如荧光光谱仪在测量相似结构时需要在光谱重叠较多的光谱范围内有较高的分辨率；拉曼光谱仪则需要在拉曼峰附近有较高的分辨率。因此低光谱分辨率光谱仪不能满足探测需求，若要获得高分辨率则需要更换分光元件以提高光谱分辨率。光栅光谱仪需要更换成狭缝数更多的光栅，棱镜光谱仪则需要更换色散材料更大的棱镜或使用棱镜组等方法提高分辨率。上述方法都会造成光学效率降低导致探测灵敏度的降低，同时操作复杂需要专业人员操作。专利号201210475068.6公开了一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪，通过液体变焦透镜实现光谱分辨率调节，受液体透镜的限制该光谱仪光谱分辨率较低且稳定性较差。专利号201210558981.2公开了一种分辨率可调的微型光谱仪，通过调整微型步进电机转动楔角片对，使测试光束以连续的不同角度入射到双腔标准具，实现双腔标准具滤波特性的连续平移提高了分辨率，但是这种光谱仪只适用于较窄的光谱范围。专利号201210534435.5公开了一种可变分辨率微镜阵列复用型光谱仪，通过软件数控微镜阵列调节光谱仪的分辨率，但该光谱仪涉及微镜阵列的控制存在结构复杂、造价高等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，易于加工调试，生产成本低廉，操作简单的光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，其包括有入射狭缝、准直镜头、分光元件、面阵CCD及计算机；其特征是：所述分光元件后部通过中间固定座和O形橡胶圈安装一调焦镜头，所述的O形橡胶圈设置在分光元件和调焦镜头之间；所述面阵CCD光敏面置于调焦镜头的焦平面上；待测光信号经入射狭缝进入准直镜头，由准直镜头准直成平行光出射至分光元件，由分光元件色散为不同波长的单色光，经调焦镜头聚焦在面阵CCD上，在CCD上形成按波长依次排列的竖直线状光谱，面阵CCD上显示的信号由计算机进行采集并处理生成光谱图；通过调焦镜头调节焦距，实现光谱分辨率的调节；通过机械压紧O形橡胶圈调整分光元件和调焦镜头所成角度，实现光谱范围的选择。
本发明所述的调焦镜头由若干透镜组成，通过变换透镜之间的距离变换焦距。调焦镜头的作用是将色散后的光信号聚焦。
本发明所述中间固定座为一带有凸台的圆柱套，圆柱套套固在分光元件上，后部凸台通过相间120度的三个螺栓与调焦镜头连接，所述O形橡胶圈夹持在调焦镜头和中间固定座的凸台端面之间，通过旋转调整三个螺栓对O形橡胶圈的压紧程度，进而可调整分光元件与调焦镜头所成角度。
本发明通过控制调焦镜头的焦距改变象元角分辨率实现光谱分辨率调节，通过机械压紧O形橡胶圈调节调焦镜头与分光元件所成角度可实现光谱测量范围的选择。本技术方案中配合调节调焦镜头焦距及不同程度压紧O形橡胶圈可实现选择光谱范围和光谱分辨率的提高。调焦镜头的焦距改变后，光谱图像随之缩放，光谱照度也会发生变化，本发明中数据处理算法中采取将CCD面元信号纵向累加的方法使得调焦镜头任一焦距工作状态下均具有较高的探测灵敏度。本发明具有光谱范围及分辨率可调同时灵敏度高的特点。对照现有技术，本发明结构简单，易于加工调试，生产成本低廉，操作简单，结合CCD面元数据纵向累加的处理方法，在提高分辨率的同时具有较高的探测灵敏度，适用于对某一固定波段具有较高分辨率要求的探测系统。特别适用于荧光光谱及拉曼光谱测量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明组成原理示意图。
图2是本发明分光元件与调焦镜头连接示意图。
图3是图2的左视图。
图中的标号为：1.入射狭缝，2.准直镜头，3.分光元件，4.O形橡胶圈，5.调焦镜头，6.面阵CCD，7.计算机，8.中间固定座，9.螺栓，10.螺钉。
具体实施方式
从图1中可以看出，一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，由入射狭缝（1）、准直镜头（2）、分光元件（3）、O形橡胶圈（4）、调焦镜头（5）、面阵CCD（6）和计算机（7）组成。待测光信号通过入射狭缝（1）入射进入准直镜头，经准直镜头（2）准直成平行光入射至分光元件（3），被其色散成不同波长的单色光，再经调焦镜头（5）聚焦在面阵CCD（6）光敏面上，形成按波长递增依次排列的竖直线状光谱，其数据输送至计算机（7）中，对面阵CCD（6）有效成像区域内列像素进行累加，在计算机（7）上显示所测目标的光谱。本发明所述分光元件（3）其作用是将入射待测光信号色散为不同波长的单色光。所述分光元件（3）可以是光栅或棱镜。
如图2、图3所示，本发明所述分光元件（3）后部通过中间固定座（8）和O形橡胶圈（4）安装一调焦镜头（5），所述的O形橡胶圈（4）设置在分光元件（3）和调焦镜头（5）之间；所述面阵CCD（6）光敏面置于调焦镜头（5）的焦平面上；通过调焦镜头（5）调节焦距，实现光谱分辨率的调节；通过机械压紧O形橡胶圈（4）调整分光元件（3）和调焦镜头（5）所成角度，实现光谱范围的选择。
本发明所述的调焦镜头（5）由若干透镜组成，通过变换透镜之间的距离变换焦距。调焦镜头（5）的作用是将色散后的光信号聚焦。
本发明所述中间固定座（8）为一带有凸台的圆柱套，圆柱套套在分光元件（3）上，径向通过螺钉（10）固定。中间固定座（8）后部的凸台通过相间120度的三个螺栓（9）与调焦镜头（5）连接，所述O形橡胶圈（4）夹持在调焦镜头（5）和中间固定座（8）的凸台端面之间，通过旋转调整三个螺栓（9）对O形橡胶圈（4）的压紧程度，进而可调整分光元件（3）与调焦镜头（5）所成角度。实现光谱测量范围的选择。
本发明所述的调焦镜头（5）最短焦距工作时，光谱覆盖范围最宽，面阵CCD（6）光敏面上有效二维光谱图高度最小，光谱分辨率低；为获得一定光谱范围较高的分辨率，首先调节调节调焦镜头（5）使其焦距增加，再通过压紧O形橡胶圈（4）调整调焦镜头（5）与分光元件（3）所成角度选择测量的光谱范围变小，此时面阵CCD（6）光敏面上有效二维光谱图高度得到放大，实现了在选择的光谱范围内光谱分辨率的提高。
本发明所述的面阵CCD相机（6）采用高灵敏度大面阵小像素元以获得微弱入射光信号的高分辨率光谱。本发明所述的数据处理算法采用CCD面元纵向累加的方法，通过对CCD有效成像区域内列像素进行累加，使得调焦镜头（5）任一焦距工作状态下在选择的光谱范围内可获得高灵敏度、高分辨率的光谱图。
光谱仪分光系统的角色散能力一定时，采用面元尺寸可满足探测需求的CCD其光谱分辨率下主要取决于象元角分辨率。本发明通过控制调焦镜头的焦距改变象元角分辨率实现光谱分辨率调节，通过机械压紧O形橡胶圈调节调焦镜头与分光元件所成角度可实现光谱测量范围的选择。本技术方案中配合调节调焦镜头焦距及不同程度压紧O形橡胶圈可实现选择光谱范围和光谱分辨率的提高。调焦镜头的焦距改变后，光谱图像随之缩放，光谱照度也会发生变化，本发明中数据处理算法中采取将CCD面元信号纵向累加的方法使得调焦镜头任一焦距工作状态下均具有较高的探测灵敏度。本发明具有光谱范围及分辨率可调同时灵敏度高的特点。
本发明结构简单，易于加工调试，生产成本低廉，操作简单，结合CCD面元数据纵向累加的处理方法，在提高分辨率的同时具有较高的探测灵敏度，适用于对某一固定波段具有较高分辨率要求的探测系统。特别适用于荧光光谱及拉曼光谱测量。

Claims (3)

1.一种光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，其包括有入射狭缝、准直镜头、分光元件、面阵CCD及计算机；其特征是：所述分光元件后部通过中间固定座和O形橡胶圈安装一调焦镜头，所述的O形橡胶圈设置在分光元件和调焦镜头之间；所述面阵CCD光敏面置于调焦镜头的焦平面上；待测光信号经入射狭缝进入准直镜头，由准直镜头准直成平行光出射至分光元件，由分光元件色散为不同波长的单色光，经调焦镜头聚焦在面阵CCD上，在CCD上形成按波长依次排列的竖直线状光谱，面阵CCD上显示的信号由计算机进行采集并处理生成光谱图；通过调焦镜头调节焦距，实现光谱分辨率的调节；通过机械压紧O形橡胶圈调整分光元件和调焦镜头所成角度，实现光谱范围的选择。
2.根据权利要求1所述的光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，其特征是：所述调焦镜头由若干透镜组成，通过变换透镜之间的距离变换焦距。
3.根据权利要求1所述的光谱测量范围及分辨率可调的变焦光谱仪，其特征是：所述中间固定座为一带有凸台的圆柱套，圆柱套套固在分光元件上，后部凸台通过相间120度的三个螺栓与调焦镜头连接，所述O形橡胶圈夹持在调焦镜头和中间固定座的凸台端面之间，通过旋转调整三个螺栓对O形橡胶圈的压紧程度，进而可调整分光元件与调焦镜头所成角度。
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