CN108713135A - 一种光谱分析系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光谱分析系统，包括：光谱检测装置和光谱分析装置；光谱检测装置包括光谱扫描单元、第一光栅和聚焦单元，光谱分析装置包括空间光分割器、准直单元、第二光栅和成像器；光谱扫描单元向被检测物发射激光，接收被检测物被激光激发的原始光谱并投射到第一光栅；第一光栅对原始光谱分光后投射到聚焦单元；聚焦单元对第一光栅投射的光谱聚焦后，经由空间光分割器投射至准直单元；准直单元对投射的光谱进行准直处理后投射到第二光栅；第二光栅对准直单元处理后的光谱进行分光后，投射至成像器，在成像器的作用下形成光谱带。该系统用以解决光学检测过程中光谱分辨率不高和光谱分析过程中光信号损失的问题。

Description

一种光谱分析系统
技术领域
本申请涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光谱分析系统。
背景技术
光谱仪是光学检测的重要仪器，是通过对光谱的测量分析来完成对物质的成分及结构等测量的通用设备，具有测量速度快、精度高、无损测量等优点。
光谱仪的分辨率是光谱测量中至关重要的指标，它表示将波长极为接近的谱线分开的能力，反映光谱超精细结构测量的程度，因此，分辨率是光谱仪最关键的性能指标之一。
发明人在研究现有技术的过程中发现，当前的大范围高分辨率光谱检测设备基本都是通过多个光谱仪拼接实现的，这样的方式会导致如下的问题：1、集成后的系统体积较大，设备重量也大，不便于携带；2、多个光谱仪集成使系统的成本增加；3、由于多个光谱仪拼接导致设备的定标标准不一致，光线辐射定标偏差会造成光谱拼接处的断层；4、多通道分光探测造成了光信号的大量损失。
因此，需要寻求一种有效提高光谱仪分辨率的方式。
发明内容
本申请部分实施例所要解决的技术问题在于提供一种光谱分析系统，用以解决光学检测过程中光谱分辨率不高和光谱分析过程中光信号损失的问题。
本申请的一个实施例提供了一种光谱分析系统，包括：光谱检测装置和光谱分析装置；光谱检测装置包括依次设置的光谱扫描单元、第一光栅和聚焦单元，光谱分析装置包括依次设置的空间光分割器、准直单元、第二光栅和成像器；光谱扫描单元用于向被检测物发射激光，接收被检测物被激光激发的原始光谱并投射到第一光栅；第一光栅用于对原始光谱分光后投射到聚焦单元；聚焦单元用于对第一光栅投射的光谱聚焦后，经由空间光分割器投射至准直单元；准直单元用于对投射的光谱进行准直处理后投射到第二光栅；第二光栅用于对准直单元处理后的光谱进行分光后，投射至成像器，在成像器的作用下形成光谱带。
相对于现有技术而言，在收集到被检测物发出的原始光谱之后，通过光谱检测装置中的第一光栅对原始光谱进行第一次分光，增大了原始光谱的分光距离，并通过第二光栅的分光进一步增加了分光距离，使原始光谱变为面阵光谱，提高了光谱分析系统的分辨率，不需要通过多个光谱仪的拼接提高光谱分辨率，使该光谱分析系统体积小，便于携带，进一步的，由于不需要拼接该光谱分析系统中没有断层，设备的定标标准一致，整个光谱处理在一个光谱分析系统中完成，从而没有光信号损失，而且，在光谱分析系统中仅通过两个光栅对光谱进行两次分光而达到提高光谱分辨率的效果，使该光谱分析系统结构简单，成本低。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本申请第一实施例中一种光谱分析系统的结构图；
图2是本申请第一实施例中另一光谱分析系统的结构图
图3是本申请第一实施例中另一光谱分析系统的结构图；
图4是本申请第二实施例中光谱分析系统的结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请部分实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请的各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本申请的第一实施例涉及一种光谱分析系统，其结构如图1所示，包括：光谱检测装置10和光谱分析装置20；光谱检测装置10包括依次设置的光谱扫描单元11、第一光栅12和聚焦单元13，光谱分析装置包括依次设置的空间光分割器21、准直单元22、第二光栅23和成像器24。
需要说明的是，图示中箭头的方向表示光线传播的路径，以下图示中均是如此，不再赘述。
值得一提的是，空间光分割器21是用于将空间中的面阵光分割为线阵的光，对空间中的光起限制作用，具体地说，该空间光分割器包括光阑或空间编码器。进一步的，光阑的孔径用于限制光束，使得空间中的面阵光变为线阵光，光阑包括狭缝、小孔等，因而，可以选择使用狭缝作为空间光分割器，实际中也可以使用空间编码器或其他光分割器件作为空间光分割器，此处不做限制。
具体的，光谱扫描单元11用于向被检测物发射激光，接收被检测物被激光激发的原始光谱并投射到第一光栅12；第一光栅12用于对原始光谱分光后投射到聚焦单元13；聚焦单元13用于对第一光栅投射的光谱聚焦后，经由空间光分割器21投射至准直单元22；准直单元22用于对投射的光谱进行准直处理后投射到第二光栅23；第二光栅23用于对准直单元处理后的光谱进行分光后，投射至成像器24，在成像器24的作用下形成光谱带。
具体的，光谱扫描单元11用于发射激光并投射到被检测物，在激光的作用下被检测物中分子的能级发成变化，产生原始光谱，值得注意的是，若激光信号在投射到被检测物后发生反射，会伴随原始光谱进入第一光栅，从而影响后续的对原始光谱的处理。为了避免反射光进入第一光栅所造成的影响，可以在光谱检测装置中设置滤光单元14，如图2所示，滤光单元14设置于光谱扫描单元11和第一光栅12之间；滤光单元14用于对光谱扫描单元11投射的原始光谱中的激光信号进行滤光处理后，投射到第一光栅。
例如，图2中的滤光单元14是一种干涉滤光片，原始光谱以垂直于干涉滤光片的角度入射，原始光谱中激光信号不能通过滤光片，而其他波长的光可以通过滤光片。又如，可通过设置滤光片组，使被检测物发出的原始光谱能够无阻碍的通过，以及波长大于激光波长的光信号可通过，而激光信号不能通过滤光片组，进而使得原始光谱中的激光信号被滤除。上述的干涉滤光片和滤光片组均是示例性的说明，本领域的技术人员能够明白，滤光单元是为了滤除激光信号而设置，此处不限制设置的滤光片的种类以及设置方式。
具体的，本实施例中光谱扫描单元11将原始光谱经由滤光单元14滤光之后投射到第一光栅12，由于第一光栅12的分光作用，使原始光谱分光为线阵光谱，聚焦单元13对该线阵光谱进行聚焦处理，经由聚焦后的线阵光谱投射到空间光分割器21，空间光分割器21作为光谱检测装置和光谱分析装置之间的连接器件能够限制分光后的杂散光进入光谱分析装置，为进一步提高光谱分辨率，在空间光分割器21后设置准直单元22对经过空间光分割器的光进行准直处理，对准直处理后的光谱使其经过第二光栅23进行再次分光，增大了分光距离，使原本的线阵光谱变为面阵光谱，进而在成像器的作用下形成光谱带，从而提高光谱分辨率。
值得一提的是，经过准直单元22准直处理的光谱是在玻璃或光学塑料基体内传播并到达第二光栅23，避免环境中的其他信号影响光线传播。
需要说明的是，在第一光栅12对光谱进行分光时，为了得到一个高色散、高分辨率的光谱，第一光栅12优选中阶梯光栅或透镜光栅，如图3所示，是当第一光栅为中阶梯光栅时，光谱分析系统的一种结构示意。选择中阶梯光栅主要是考虑到，一定程度上中阶梯光栅属于粗光栅，光栅常数较大，衍射后的光谱分辨率较高。当然，第一光栅12还可以是普通的投射光栅、中阶梯反射光栅或低刻线光栅。此处对第一光栅的说明是一种示例性说明，不局限于上述的示例，可根据实际选择合适光栅。
但实际中第一光栅一般不会选择闪耀光栅，主要是由于闪耀光栅通过对闪耀角的设计，主要适用于对某一特定波段的某一级光谱进行衍射，实际中被检测物发出的原始光谱可能并不只有某一级光谱。
值得注意的是，第一光栅可以是某一种光栅，也可以是光栅组，此处不做具体限制。
具体的，经过空间光分割器21后的光谱投射到准直单元22时，准直单元22对其进行准直处理，准直处理就是将光谱中的光线变为平行的光线，准直单元22可以是凸透镜也可以是其他镜头组合，对于准直单元的结构和具体构成，此处不做限制。
需要说明的是，第二光栅23设置在准直单元22之后，用于增大分光的距离，使线阵光谱变为面阵的光谱，第二光栅23可以为光栅或棱镜，第二光栅23的设置增大了分光距离。当然，第二光栅还可以是除光栅或棱镜外的其它元件，本实施例不限制第二光栅的具体实现形式。
具体的，两次分光使原始光谱变为线阵光谱再变为面阵光谱，增大了分光距离，成像器将两次分光后的光谱形成光谱带，成像器24包括成像镜头241和面阵探测器242；成像镜头241对第二光栅23投射的光谱进行成像处理后，投射至面阵探测器242，在面阵探测器242表面形成光谱带。值得一提的是，此处仅是说明成像器中的成像镜头和面阵探测器，对于其他不相关元件只是没有进行说明，并不表示不存在其他元件。
一个具体实现中，面阵探测器242为面阵电荷耦合(CCD，Charge-coupled Device)探测器或面阵互补性氧化金属半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)探测器。需要说明的是，上述的两种具体探测器是面阵探测器中常用的两种探测器型号，此处并非局限于上述的两种探测器，仅是举例说明，不做具体限制。
相对于现有技术而言，在收集到被检测物发出的原始光谱之后，通过光谱检测装置中的第一光栅对原始光谱进行第一次分光，增大了原始光谱的分光距离，并通过第二光栅的分光进一步增加了分光距离，使原始光谱变为面阵光谱，提高了光谱分析系统的分辨率，不需要通过多个光谱仪的拼接提高光谱分辨率，使该光谱分析系统体积小，便于携带，进一步的，由于不需要拼接该光谱分析系统中没有断层，设备的定标标准一致，整个光谱处理在一个光谱分析系统中完成，从而没有光信号损失，而且，在光谱分析系统中仅通过两个光栅对光谱进行两次分光而达到提高光谱分辨率的效果，使该光谱分析系统结构简单，成本低。
本申请的第二实施例涉及一种光谱分析系统，第二实施例与第一实施例大致相同，主要区别之处在于，在第二实施例中具体说明了光谱扫描单元的具体结构。
光谱扫描单元11用于向被检测物发射激光和接收被检测物发出的原始光谱，光谱扫描单元11包括：激光器111、物镜112和二向色片113，结构如图4所示。
具体的，激光器111用于发出激光信号，并将激光信号投射到二向色片113；二向色片113用于将投射的激光信号反射到物镜112；物镜112用于将投射的激光信号投射到被检测物，并获取被检测物发出的原始光谱，将原始光谱投射到二向色片113；二向色片113将原始光谱投射到第一光栅12。
值得一提的是，二向色片113又被称为“二向色镜”，二向色片的一个特点是：对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。
本实施例中选择的二向色片113对激光是全反射的，为了将激光信号通过二向色片113的反射投射到待检测物上，一个具体实现为：激光信号投射到二向色片113时，与二向色片的入射夹角为45度；激光信号被二向色片反射到物镜时，与二向色片的出射角为45度。需要说明的是，二向色片113在设置时需要根据激光器111与物镜112的位置关系设置，保证能将激光信号反射到物镜112，且能接收物镜投射的原始光谱。
值得一提的是，该光谱分析系统中的光谱检测装置10对获取的物质光谱进行分析，因而该光谱分析系统可用于为多种光谱检测手段获取的光谱提供分析，如，该光谱检测装置可以为拉曼探头、激光诱导击穿光谱(LIBS，Laser-Induced BreakdownSpectroscopy)或电感耦合等离子光谱发生仪(ICP，Inductive Coupled Plasma EmissionSpectrometer)。也就是说，光谱分析装置可以是不同的光谱检测探头与光谱分析装置的集成，使得该光谱检测系统在多种检测中均能够获取高分辨的光谱，拓宽了系统的使用范围，而且成本低。
需要说明的是，光谱分析装置能够与获取物质光谱的检测探头集成光谱分析系统，并不局限于上述的几种检测探头，实际中根据检测需要将光谱装置与何种类型的检测探头连接，此处不做限制。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (11)

1.一种光谱分析系统，其中，包括：光谱检测装置和光谱分析装置；所述光谱检测装置包括依次设置的光谱扫描单元、第一光栅和聚焦单元，所述光谱分析装置包括依次设置的空间光分割器、准直单元、第二光栅和成像器；
所述光谱扫描单元用于向被检测物发射激光，接收所述被检测物被所述激光激发的原始光谱并投射到所述第一光栅；
所述第一光栅用于对所述原始光谱分光后投射到所述聚焦单元；
所述聚焦单元用于对所述第一光栅投射的光谱聚焦后，经由所述空间光分割器投射至所述准直单元；
所述准直单元用于对投射的光谱进行准直处理后投射到所述第二光栅；
所述第二光栅用于对所述准直单元处理后的光谱进行分光后，投射至所述成像器，在所述成像器的作用下形成光谱带。
2.根据权利要求1所述的光谱分析系统，其中，所述空间光分割器包括光阑或空间编码器。
3.根据权利要求2所述的光谱分析系统，其中，所述光阑包括狭缝。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光谱分析系统，其中，所述图像传感器包括成像镜头和面阵探测器；
所述成像镜头用于对所述第二光栅投射的光谱进行成像处理后，投射至所述面阵探测器，在所述面阵探测器表面形成光谱带。
5.根据权利要求4所述的光谱分析系统，其中，所述面阵探测器为面阵电荷耦合CCD探测器或面阵互补性氧化金属半导体CMOS探测器。
6.根据权利要求4或5所述的光谱分析系统，其中，所述光谱检测装置还包括滤光单元，所述滤光单元设置于所述光谱扫描单元和所述第一光栅之间；
所述滤光单元用于对所述光谱扫描单元投射的所述原始光谱中的所述激光信号进行滤光处理后，投射到所述第一光栅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱分析系统，其中，所述光谱检测装置为拉曼探头、激光诱导击穿光谱LIBS或电感耦合等离子光谱发生仪ICP。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱分析系统，其中，所述第一光栅为中阶梯光栅或透射光栅。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱分析系统，其中，所述第二光栅为光栅或棱镜。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的光谱分析系统，其中，所述光谱扫描单元包括：激光器、物镜和二向色片；
所述激光器用于发出激光信号，并将所述激光信号投射到所述二向色片；所述二向色片用于将投射的所述激光信号反射到所述物镜；所述物镜用于将所述投射的所述激光信号投射到被检测物，并获取被检测物发出的原始光谱，将所述原始光谱投射到所述二向色片；所述二向色片将所述原始光谱投射到所述第一光栅。
11.根据权利要求10所述的光谱分析系统，其中，所述激光信号投射到所述二向色片时，与所述二向色片的入射夹角为45度；所述激光信号被所述二向色片反射到所述物镜时，与所述二向色片的出射角为45度。
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