CN109269640B - 微型光纤光谱仪的装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光纤光谱仪的装调方法，该方法包括下述步骤：将装有狭缝的光纤头本体固定，使可见光激光器入射进光纤头本体内；安装光阑片并调整光阑片的位置，使激光器的光均匀充满准直镜，使其工作在最佳的工作状态；调整光栅俯仰角度使其处于最佳状态；调整成像镜的位置和角度，使其处于最佳工作状态；调整探测器位置与角度的，使其工作处于最佳状态；完成微型光纤光谱仪的标定。本发明所需专业辅助设备少、操作简便、易于应用的精确装调方法，利于实现微型光纤光谱仪的实时在线检测直读的光谱分析。

Description

微型光纤光谱仪的装调方法

技术领域

本发明属于光谱技术领域，具体的说涉及一种微型光纤光谱仪的装调方法。

背景技术

微型光纤光谱仪以平面衍射光栅作为主色散元件，色散后在像面形成按波长顺序空间分离的一维光谱。目前，微型光纤光谱仪已经广泛地应用于各种光学检测、生物化学分析、工业自动检测、天文研究等领域，能够完成对物质辐射的研究、对光与物质相互作用的研究、对物质结构及其能级分布与变化的研究、对物质定性和定量的光谱分析以及星体的研究等。 根据工作波长范围的不同，微型光纤光谱仪也有不同的分类，比如：真空紫外、紫外、可见光、红外、近红外等等；而微型光纤光谱仪的分辨率也因不同需要有所差异。综上所述，对于微型光纤光谱仪的性能参数不能一概而论。但可以说精确装调是保证微型光纤光谱仪高分辨率与波长准确性的重要环节之一，只有精确装调才能保证其结构参数与设计参数尽可能的接近，使成像质量达到最佳状态。

目前应用的一种微型光纤光谱仪的光路结构，包括光纤头本体、狭缝、光阑片、准直镜、平面衍射光栅、成像镜和探测器；所述准直镜和成像镜均采用球面镜；光纤头本体使入射光束无俯仰、无倾斜的照射到狭缝和光阑片，从光阑片上的小孔出射的光束照射准直镜，准直镜反射的平行光直接入射到平面衍射光栅表面，平面衍射光栅衍射的光束照射到成像镜上，成像镜反射的汇聚光由探测器接收。

由于微型光纤光谱仪经交叉色散后在探测器上接收信号，为了保证呈现系统谱图的成像质量及像差的一致性，光学设计中采用球面镜作为系统的准直镜和成像镜。通过分析，得知系统的成像质量以及像差的一致性对两片球面镜的引入误差非常敏感。排除球面镜的加工误差后，其误差主要来源位置误差、角度误差、俯仰误差，以及滚转误差，以上误差均属于安装误差。采用精确的装调方法，可以有效的减小各种误差，使成像质量尽可能的接近设计结果。

目前，国内外对于高精度光学仪器的装调方法较多，但对于微型光纤光谱仪的精确装调方法的讨论并不多见。大多数装调方法都需要配合使用多个专业的辅助装调设备，装调过程较为繁琐，对装调者的经验依赖较大。同时，由于微型光纤光谱仪结构较小，并且考虑到紫外波段的应用，大多数微型光纤光谱仪均采用封闭式结构设计，这使得辅助装调设备的使用受到了严重的限制。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明的目的是要提供一种所需专业辅助设备少、操作简便、易于应用，并利于实现微型光纤光谱仪的高分辨率、宽谱段范围的微型光纤光谱仪的装调方法。

本发明的目的是这样实现的，一种微型光纤光谱仪的装调方法：该方法包括以下步骤：

步骤一、将狭缝清洁干净后，点涂光学胶，然后将狭缝粘在光纤接头本体内，用镊子轻轻调整狭缝片位置，使狭缝长边与光纤头本体长边平行。（如图6）；

步骤二、将装有狭缝的光纤头本体安装固定在机械外壳上（如图1位置处）；准直镜安装于光纤头本体前，在装有狭缝的光纤头本体上确定整个光学系统的坐标原点；

步骤三、取来可见光激光器作为光源，利用光纤将可见光激光器连接到光纤头本体上，使可见光激光器出射的光束无俯仰、无倾斜地经过狭缝后入射到准直镜；在狭缝与准直镜之间安放光阑片，使经过狭缝的光也能经过光阑片的小孔入射到准直镜，调整光阑片位置使可见光斑均匀充满准直镜镜面，最后固定光阑片位置。光纤头本体部件细节（如图7、8、9、10所示）；

步骤四、将光栅安置至设计位置，调整光栅使光栅衍射面与光学系统坐标原点所在的水平面垂直（如图11），并使光栅表面能够全部接收到经准直镜反射后的平行光的可见光斑；

步骤五、将成像镜安装在设计位置；

步骤六、将探测器放置于像面位置，此时要调整成像镜俯仰角度，调整光栅滚转，探测器的位置与像面滚转，找到最亮的光斑并使光斑入射至探测器接收面上；

步骤七、将可见光激光器移除光学系统，将汞灯放置在可见光激光器位置处作为光源；连接仪器至计算机，通过仪器操作软件所述的操作软件为本领域公知的常用软件的界面观察汞灯特征谱峰位置，此时再次调整光栅滚转，直至特征峰到达指定位置固定光栅、成像镜、探测器；

步骤八、记录各波长谱线与探测器像元的对应关系，根据三次拟合算法得出仪器定标完成的谱图；将汞灯移除光学系统，完成微型光纤光谱仪的装调。

本发明的有益效果：本发明为微型光纤光谱仪提供了一种所需专业辅助设备少、操作简便、易于应用的精确装调方法，利于实现微型光纤光谱仪的高分辨率、宽谱段范围的光谱分析。

附图说明

图1是本发明微型光纤光谱仪及其装调设备的整体结构示意图。

图2是本发明图1的后视图。

图3是本发明图1的仰视图。

图4是本发明图1的右视图。

图5是本发明图1的左视图。

图6是本发明狭缝装调完成效果示意图。

图7是本发明光纤头本体的结构示意图。

图8是本发明图7的剖视图。

图9是本发明图7的右视图。

图10是本发明图7的左视图。

图11是本发明调试方法中的光栅衍射面与光学系统坐标原点所在平面垂直的示意图。

附图标记：1盖板、2十字孔沉头螺丝、3内六角止动螺丝、4探测器底座、5探测器电路板、6探测器、7十字孔圆头螺丝、8滤光片、9内六角圆柱头螺丝、10柱面镜、11十字孔圆头螺丝、12准直镜、13外壳、14内六角圆柱头螺丝、15十字孔沉头螺丝、16主电路板、17外径螺栓、18成像镜架、19成像镜、20挡片、21转轴销、22光纤头本体、23狭缝、24光纤头本体垫圈、25光纤头本体背帽、26光阑片、27光栅、28光栅支座、A成像镜架靠近小孔位置、B成像镜架的右侧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明微型光纤光谱仪的装调方法包括如下步骤：

步骤一、狭缝23的装调：用酒精沿着狭缝23长边单方向擦拭，然后吹干狭缝23表面；在狭缝23边缘点涂少量光学胶，将沾有光学胶的狭缝23粘在光纤头本体22内，轻轻调整狭缝23片位置，使狭缝23长边方向与光纤头本体22长边平行；取来可见光激光器，利用光纤将可见光激光器发出的光连接到光纤头本体22内，当透过狭缝23射出的可见光斑呈现圆且均匀的亮斑时，停止调节狭缝23位置，使其固定于该位置，移除可见光激光器。装调完成效果如图6；

步骤二、光纤头本体22的装调：取装好狭缝23的光纤头本体22，将光纤头本体22固定在外壳13相应位置，保证光纤头本体短边与外壳13底部平行，设定装有狭缝23的光纤头本体22作为整个光学系统的坐标原点；

步骤三、准直镜12的装调：根据球面镜光学特性可知，自焦点入射的光经球面后准直为平行光；在本光学系统中将准直镜12安装在设计位置、入射光阑片26小孔恰处于准直镜12的焦点处，入射光线经球面后以平行光出射；为了实现该状态的调整，同时降低光学系统的轴外像差， 在狭缝23和准直镜12之间放置一光阑片26，经过光阑片26上小孔入射的光线照射在准直镜12位置处；将准直镜12直立放置在洁净的操作台上，将光学胶均匀涂抹在准直镜12背面，不可有漏涂区域，然后将准直镜12安装在光纤头本体22前的相应位置，要保证准直镜12背面与外壳13紧靠；此时将可见光激光器作为光源，使可见光激光器出射的光束无俯仰、无倾斜地经过狭缝23和光阑片26小孔后入射到准直镜12，调整光阑片26位置使可见光斑均匀充满准直镜镜12面，调整好光阑片26位置后将其固定。光纤头本体22部件细节如图7、8、9、10所示；

步骤四、光栅27的装调：在光栅27背部均匀适量涂胶；将光栅27边缘与光栅支座28对齐，粘在光栅支座28上，紧靠光栅支座28并无缝连接；将光栅支座28安装到外壳13相应位置，调整光栅支座28使光栅衍射面与光学坐标原点所在的水平面垂直（如图11所示），将可见光激光器接入光路，转动光栅支座28使光栅27表面能够全部接收到经准直镜12反射后的平行光的可见光斑，同时使衍射光斑中的最亮光斑的一半打在准直镜12上，此时将光栅支座28固定；

步骤五、成像镜19的装调：根据光学系统像差分析，可知光学系统成像质量对成像镜19的工作角度与俯仰角度比较敏感，所以必须对成像镜19进行精确装调；成像镜19的装调与准直镜12类似，将成像镜19直立放在洁净的操作台上，将光学胶均匀涂抹在成像镜架背面，不可有漏涂区域；将成像镜19边缘与成像镜架18对齐，紧靠并无缝隙连接；将成像镜架18安装到仪器上，保证成像镜架18右侧B位置距离仪器壁3.29mm±0.01mm成像镜架18靠近小孔位置为左A位置 ；

步骤六、探测器6的装调：本系统采用线阵CCD作为探测器，探测器6的前后位置产生离焦对系统的成像质量会产生影响；所以要对系统的探测器6进行调整，避免像面存在角度误差；吹掉滤光片8表面灰尘，然后用酒精分别擦拭滤光片8两面，同时吹干滤光片表面8；将光学胶点涂在探测器6凹槽四周，将滤光片8完全嵌入到探测器6上；将装有滤光片8的探测器6插在探测器电路板5上相应位置；然后安装在探测器底座4上，并从两端将其固定，固定时，令左右顶丝的顶入距离相等，探测器6与探测器底座4平行；同时为了增加到达探测器6的光信号强度，本系统中在探测器6前增加一块柱面镜10来达到增强光强的目的；将安装有探测器6的探测器底座4安置在设计位置；

步骤七、整机部件联调：将可见光激光器移除光学系统，将汞灯放置在可见光激光器位置处作为光源；连接仪器至计算机，通过仪器操作软件所述的操作软件为本领域公知的常用软件的界面观察汞灯波长的形状与强度，通过调节成像镜19的俯仰以及探测器底座4的前后左右，使光谱达到饱和状态光强最强，从而初步确定探测器6及成像镜19的大概位置；微调成像镜19的俯仰和探测器6的前后左右，根据汞灯的特征光谱形状与强度，最终确定像质最优时的成像镜19与探测器6的位置，固定探测器底座4以及成像镜19的调节俯仰的顶丝；微调光栅支座28的角度，使特征峰大致打到探测器6对应像素处，将光栅支座28固定；目视观察谱线，要求尽量峰形对称；利用半高宽算法计算仪器分辨率；

步骤八、波长校正：系统各环节调整为最佳状态后，进行系统波长的精确定标；首先利用汞灯作为光源，此时软件上呈现各波长的二维光谱分布图像；通过观察图像，找到汞灯特征波长的谱峰与像素的一一对应关系，并记录数值；然后将这种波长与像素一一对应的数值输入计算机软件，经该软件计算可建立各波长谱线与像面位置的精确对应关系，该对应关系将作为微型光纤光谱仪精确定标的结果；即可确定微型光纤光谱仪的最终工作状态，完成了平面衍射光栅27、成像镜19、探测器6相对角度的精确调整，最后将汞灯移除光学系统。

Claims (1)

1.一种微型光纤光谱仪的装调方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、将狭缝清洁干净后，点涂光学胶，然后将狭缝粘在光纤接头本体内，用镊子轻轻调整狭缝片位置，使狭缝长边与光纤头本体长边平行；

步骤二、将装有狭缝的光纤头本体安装固定在机械外壳上，准直镜安装于光纤头本体前，在装有狭缝的光纤头本体上确定整个光学系统的坐标原点；

步骤三、取来可见光激光器作为光源，利用光纤将可见光激光器连接到光纤头本体上，使可见光激光器出射的光束无俯仰、无倾斜地经过狭缝后入射到准直镜；在狭缝与准直镜之间安放光阑片，使经过狭缝的光也能经过光阑片的小孔入射到准直镜，调整光阑片位置使可见光斑均匀充满准直镜镜面，最后固定光阑片位置；

步骤四、将光栅安置至设计位置，调整光栅使光栅衍射面与光学坐标原点所在的水平面垂直，并使光栅表面能够全部接收到经准直镜反射后的平行光的可见光斑；

步骤五、将成像镜安装在设计位置；

步骤六、将探测器放置于像面位置，此时要调整成像镜俯仰角度，调整光栅滚转，探测器的位置与像面滚转，找到最亮的光斑并使光斑入射至探测器接收面上；

步骤七、将可见光激光器移除光学系统，将汞灯放置在可见光激光器位置处作为光源；连接仪器至计算机，通过仪器操作软件的界面观察汞灯特征谱峰位置，此时再次调整光栅滚转，直至特征峰到达指定位置固定光栅、成像镜、探测器；

步骤八、记录各波长谱线与探测器像元的对应关系，根据三次拟合算法得出仪器定标完成的谱图；将汞灯移除光学系统，完成微型光纤光谱仪的装调。

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