CN111044458B - 光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种光谱仪，包括：激发模块，包括激光发射器；光学模块，限定有光路，包括沿光路由前向后依次设置的物镜、二向色片、狭缝和色散元件；检测模块，包括位于色散元件后方的光感元件；以及，校准模块，包括校准光源，校准光源能够发出具有特定光谱的校准光束；其中，激光发射器所发出的激发光束经二向色片反射后沿光路朝向物镜出射，校准光源所发出的校准光束经二向色片后沿光路朝向狭缝照射；其中，光谱仪具有工作模式和校准模式，在工作模式，激发模块工作，激光发射器发出激发光束；在校准模式下，校准模块工作，校准光源发出校准光束。通过上述技术方案，本公开提供的光谱仪能够获得准确且稳定的校准数据，简单又便捷地进行校准。

Description

光谱仪
技术领域
本公开涉及光谱技术领域，具体地，涉及一种光谱仪。
背景技术
在现有技术中，通常利用光谱仪可测量物体表面发射的光线。光谱仪在长期使用后或在受到运输、跌落、振动等环境影响时，需要对其进行光谱校准。在对光谱仪进行校准时，通常是通过测试随设备出厂的一种化学物质的光谱，并将所测得的光谱通过光电转换装置输出至控制中心，控制中心在获得光谱数据后对光谱仪进行校准。
然而，这种化学物质长期使用并在环境因素的影响下会变质，导致校准数据不准确且不稳定。同时，在校准过程中，操作者的操作不当会导致多次校准不成功，操作较繁琐。
发明内容
本公开的目的是提供一种光谱仪，该光谱仪能够获得准确且稳定的校准数据，简单又便捷地进行校准。
为了实现上述目的，本公开提供一种光谱仪，所述光谱仪包括：激发模块，所述激发模块包括激光发射器；光学模块，所述光学模块限定有光路，所述光学模块包括沿所述光路由前向后依次设置的物镜、二向色片、狭缝和色散元件，检测模块，所述检测模块包括位于所述色散元件后方的光感元件；以及，校准模块，所述校准模块包括校准光源，所述校准光源能够发出具有特定光谱的校准光束；其中，所述激光发射器所发出的激发光束经所述二向色片反射后沿所述光路朝向所述物镜出射，所述校准光源所发出的校准光束经所述二向色片后沿所述光路朝向所述狭缝照射；其中，所述光谱仪具有工作模式和校准模式，在所述工作模式，所述激发模块工作，所述激光发射器发出所述激发光束；在所述校准模式下，所述校准模块工作，所述校准光源发出所述校准光束。
可选地，所述激发模块和所述校准模块在横向方向上位于所述二向色片的两侧，所述校准光束与所述激发光束共线，且垂直于所述光路。
可选地，所述校准模块包括PCB板，所述校准光源固定于所述PCB板，所述PCB板安装于所述光谱仪的壳体。
可选地，所述校准光束与所述光路平行；所述光学模块包括导光套筒，该导光套筒能够在第一位置和第二位置之间切换，在所述第一位置，所述导光套筒位于所述物镜和所述二向色片之间且与所述光路同轴设置，以使得所述激发光束经所述二向色片反射后穿过所述导光套筒并朝向所述物镜传播，在所述第二位置，所述导光套筒避让所述光路；所述校准光源能够在工作位置和闲置位置之间切换，在所述工作位置，所述校准光源位于所述物镜和所述二向色片之间且与所述光路同轴设置，以使得所发出的校准光束沿所述光路朝向所述二向色片传播，在所述闲置位置，所述校准光源避让所述光路；在所述工作模式，所述导光套筒位于所述第一位置，所述校准光源位于所述闲置位置；在所述校准模式，所述导光套筒位于所述第二位置，所述校准光源位于所述工作位置。
可选地，所述校准模块包括驱动装置、PCB板和安装支架，所述校准光源固定于所述PCB板，所述PCB板固定安装在所述安装支架上，所述驱动装置驱动所述安装支架运动，以带动所述校准光源在所述工作位置和所述闲置位置之间移动。
可选地，所述安装支架包括彼此相对的第一端和第二端，所述驱动装置构造为电机，所述安装支架在所述第一端固定于所述电机的转动轴，所述校准光源位于所述安装支架的第二端，并且所述安装支架在所述光谱仪中固定为使得所述校准光源的发光点与所述转动轴的转动轴线之间的距离等于所述转动轴线与所述光路的中心轴线之间的距离。
可选地，所述导光套筒固定在所述安装支架的所述第二端，并且与所述校准光源间隔设置，所述导光套筒的中心轴线与所述转动轴线之间的距离等于所述校准光源的发光点与所述转动轴的转动轴线之间的距离。
可选地，所述校准光源发出的校准光束为准直光束。
可选地，所述校准光源为氖灯或者汞灯。
可选地，所述光学模块包括：位于所述激光发射器和所述二向色片之间的滤光片，在所述二向色片和所述狭缝之间依次设置的滤光片组和第一聚焦元件，位于所述狭缝和所述色散元件之间的准直元件，以及位于所述色散元件和所述光感元件之间的第二聚焦元件。
可选地，所述色散元件为透射式光栅。
可选地，所述光谱仪包括控制模块，所述激发模块、校准模块和检测模块均与所述控制模块通信连接，以使得所述光谱仪通过所述控制模块能够在所述工作模式和所述校准模式之间切换。
通过上述技术方案，本公开提供的光谱仪通过控制激发模块和校准模块能够实现在工作模式和校准模式之间切换，在工作模式，光谱仪能够通过所获得的光谱数据，以识别待测物质，在校准模式，由于校准光源能够发出具有特定光谱的校准光束，因此光谱仪能够获得准确且稳定的光谱数据，从而能够简单又便捷地进行校准。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开一种实施例提供的光谱仪的立体结构示意图；
图2是本公开一种实施例提供的光谱仪的爆炸结构示意图，其中示出了光谱仪处于工作模式；
图3是本公开一种实施例提供的光谱仪的爆炸结构示意图，其中示出了光谱仪处于校准模式；
图4是本公开另一种实施例提供的光谱仪的立体结构示意图，其中示出了光谱仪处于工作模式；
图5是本公开另一种实施例提供的光谱仪的立体结构示意图，其中示出了光谱仪处于校准模式；
图6是本公开另一种实施例提供的光谱仪的立体结构示意图，其中示出了光谱仪在校准模式时的光路图。
附图标记说明
1-激光发射器，2-滤光片，3-二向色片，4-物镜，5-滤光片组，6-第一聚焦元件，7-狭缝，8-准直元件，9-色散元件，10-第二聚焦元件，11-光感元件，12-校准光源，13-PCB板，14-壳体，15-电机，16-安装支架，161-安装套筒，162-导光套筒，17-紧固件，100-待测物质。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“前、后”是基于光谱仪进行定义的，认为在使用时面向待测物质的方位为前，反方向为后，另外，在本公开提供的附图中，“前、后”方位分别对应于图1至图6的图面中的左方位、右方位。此外，本公开所使用的术语“第一、第二、第三”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。此外，在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。
根据本公开的具体实施方式，提供一种光谱仪，图1至图3示出了光谱仪的一种实施例，图4至图6示出了光谱仪的另一种实施例。参考图1至图6中所示，光谱仪包括：激发模块，激发模块包括激光发射器1；光学模块，光学模块限定有光路，光学模块包括沿光路由前向后依次设置的物镜4、二向色片3、狭缝7和色散元件9；检测模块，检测模块包括位于色散元件9后方的光感元件11；以及，校准模块，校准模块包括校准光源12，校准光源12能够发出具有特定光谱的校准光束。其中，激光发射器1所发出的激发光束经二向色片3反射后沿光路朝向物镜4出射，校准光源12所发出的校准光束经二向色片3后沿光路朝向狭缝7照射。其中，光谱仪具有工作模式和校准模式，在工作模式，激发模块工作，激光发射器1发出激发光束；在校准模式，校准模块工作，校准光源12发出校准光束。
通过上述技术方案，本公开提供的光谱仪通过控制激发模块和校准模块能够实现在工作模式和校准模式之间切换，在工作模式，光谱仪能够通过所获得的光谱数据，以识别待测物质100，在校准模式，由于校准光源12能够发出具有特定光谱的校准光束，因此光谱仪能够获得准确且稳定的光谱数据，从而能够简单又便捷地进行校准。
其中，物镜4构造为胶合透镜，该胶合透镜能够将激发光束聚焦到待测物质100上，并且能够将待测物质100产生的拉曼光谱准直为沿光路朝向二向色片3照射的平行光束。可选择地，物镜4内设置有光学透镜，该光学透镜朝向待测物质100的一侧为平面或凸面，光学透镜的另一面为凸面。在此需要解释的是，拉曼光谱是一种指纹光谱，能够反映出分子的转动和震动方面的信息。当光束穿过分子结构不同的物质时，会散射出不同的拉曼光谱，因此通过对拉曼光谱的分析，可以实现鉴别不同的物质的目的。
其中，校准光源12发出的校准光束为准直光束。
其中，校准光源12可以为氖灯或者汞灯。
其中，色散元件9为透射式光栅。
在本公开提供的具体实施方式中，光学模块包括：位于激光发射器1和二向色片3之间的滤光片2，在二向色片3和狭缝7之间依次设置的滤光片组5和第一聚焦元件6，位于狭缝7和色散元件9之间的准直元件8，以及位于色散元件9和光感元件11之间的第二聚焦元件10。
在工作模式，激光发射器1所发出的激发光束通过滤光片2滤光后，将激光发射器1发出的多余波长的光滤掉，激发光束经二向色片3反射后沿光路朝向物镜4出射，物镜4将激发光束聚焦到待测物质100上，待测物质100产生的拉曼光谱经物镜4转换为平行光，该平行光穿过二向色片3、滤光片组5，经第一聚焦元件6聚焦入射到狭缝7后转换为发散光，该发散光再由准直元件8准直为平行光到达色散元件9，经过色散元件9衍射后，不同波长的光衍射向不同的方向，所有波长的衍射光经过聚焦透镜聚焦到光感元件11(例如光感元件CCD)上，由光感元件11将光信号转换为电信号，从而形成光谱数据输出，以识别待测物质。
在校准模式，校准光源12所发出的校准光束经二向色片3反射后，穿过二向色片3、滤光片组5，经第一聚焦元件6聚焦入射到狭缝7后转换为发散光，该发散光再由准直元件8准直为平行光到达色散元件9，经过色散元件9衍射后，不同波长的光衍射向不同的方向，所有波长的衍射光经过聚焦透镜聚焦到光感元件11上，由光感元件11将光信号转换为电信号，以获得校准光源12的光谱数据，从而测得校准光源12的光谱数据的特征峰值在X/Y轴位置的数据，将该数据与光谱仪中保存的校准前的光谱数据的特征峰值在X/Y轴位置的数据进行对比，通过算法得出一个系数，以实现光谱仪的校准。
其中，在本公开提供的具体实施方式中，光谱仪包括控制模块，激发模块、校准模块和检测模块均与控制模块通信连接，以使得光谱仪通过控制模块能够在工作模式和校准模式之间切换。
在本公开提供的具体实施方式中，校准模块可以以任意合适的方式设置。在一种实施例中，参考图1至图3中所示，激发模块和校准模块在横向方向上位于二向色片3的两侧，校准光束与激发光束共线，且垂直于光路，校准光束经二向色片3反射后沿平行于光路的方向朝向狭缝7照射。其中，校准模块包括PCB板13，校准光源12固定于PCB板13，由PCB板13向校准光源12提供电源，PCB板13安装于光谱仪的壳体14。其中，PCB板13可以通过紧固件17(例如螺钉、销钉等)固定安装在壳体14上。
在另一种实施例中，参考图4至图6中所示，校准光束与光路平行。在该实施例中，光学模块包括导光套筒162，该导光套筒162能够在第一位置和第二位置之间切换，其中，在第一位置，导光套筒162位于物镜4和二向色片3之间且与光路同轴设置，以使得激发光束经二向色片3反射后在导光套筒162中朝向物镜4传播，并且使得拉曼光谱经二向色片3折射后在导光套筒162中朝向狭缝7传播，在第二位置，导光套筒162避让光路。其中，校准光源12能够在工作位置和闲置位置之间切换，在工作位置，校准光源12位于物镜4和二向色片3之间且与光路同轴设置，以使得所发出的校准光束沿光路朝向二向色片3传播，在闲置位置，校准光源12避让光路。其中，在工作模式，导光套筒162位于第一位置，校准光源12位于闲置位置；在校准模式，导光套筒162位于第二位置，校准光源12位于工作位置。
在该实施例中，校准模块包括驱动装置、PCB板13和安装支架16，校准光源12固定于PCB板13，PCB板13固定安装在安装支架16上，驱动装置驱动安装支架16运动，以带动校准光源12在工作位置和闲置位置之间移动。
在一种实施方式中，驱动装置可以设置为驱动安装支架16转动，从而实现校准光源12在工作位置和闲置位置之间的切换。安装支架16包括彼此相对的第一端和第二端，驱动装置可以构造为电机15，安装支架16在第一端固定于电机15的转动轴，校准光源12位于安装支架16的第二端，并且安装支架16在光谱仪中固定为使得校准光源12的发光点与转动轴的转动轴线之间的距离等于转动轴线与光路的中心轴线之间的距离。其中，安装支架16在第一端设置有安装套筒161，该安装套筒161套设在转动轴上，并通过紧固件(例如螺钉、销钉等)固定在转动轴上。
其中，导光套筒162可以固定在安装支架16的第二端，并且与校准光源12间隔设置，导光套筒162的中心轴线与转动轴线之间的距离等于校准光源12的发光点与转动轴的转动轴线之间的距离，在该情况下，电机15可以同时驱动导光套筒162和校准光源12进行位置切换。若需对光谱仪进行校准，则需要通过电机15驱动安装支架16正向转动，使得导光套筒162从第一位置转动到第二位置，校准光源12从闲置位置转动到工作位置，即从图4所示的位置切换到图5和图6所示的位置。校准完成之后，则需要通过电机15驱动安装支架16反向转动，使得导光套筒162从第二位置转动到第一位置，校准光源12从工作位置转动到闲置位置，即从图5和图6所示的位置切换到图4所示的位置。
在另一种实施方式中，驱动装置可以设置为驱动安装支架16平移，从而实现校准光源12在工作位置和闲置位置之间的切换。安装支架16包括彼此相对的第一端和第二端，驱动装置可以构造为气缸，安装支架16在第一端固定于气缸的活塞杆的末端，校准光源12位于安装支架16的第二端，活塞杆往复移动带动安装支架16往复平移，从而使得校准光源12在工作位置和闲置位置之间切换。
其中，导光套筒162可以固定在安装支架16的第二端，并且与校准光源12间隔设置，气缸可以同时驱动导光套筒162和校准光源12进行位置切换。若需对光谱仪进行校准，则需要通过气缸驱动安装支架16正向平移，使得导光套筒162从第一位置转动到第二位置，校准光源12从闲置位置转动到工作位置，即从图4所示的位置切换到图5和图6所示的位置。校准完成之后，则需要通过气缸驱动安装支架16反向平移，使得导光套筒162从第二位置转动到第一位置，校准光源12从工作位置转动到闲置位置，即从图5和图6所示的位置切换到图4所示的位置。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：
激发模块，所述激发模块包括激光发射器(1)；
光学模块，所述光学模块限定有光路，所述光学模块包括沿所述光路由前向后依次设置的物镜(4)、二向色片(3)、狭缝(7)和色散元件(9)；
检测模块，所述检测模块包括位于所述色散元件(9)后方的光感元件(11)；以及，
校准模块，所述校准模块包括校准光源(12)，所述校准光源(12)能够发出具有特定光谱的校准光束；
其中，所述激光发射器(1)所发出的激发光束经所述二向色片(3)反射后沿所述光路朝向所述物镜(4)出射，所述校准光源(12)所发出的校准光束经所述二向色片(3)后沿所述光路朝向所述狭缝(7)照射；
其中，所述光谱仪具有工作模式和校准模式，在所述工作模式，所述激发模块工作，所述激光发射器(1)发出所述激发光束；在所述校准模式，所述校准模块工作，所述校准光源(12)发出所述校准光束；
所述校准光束与所述光路平行；
所述光学模块包括导光套筒(162)，该导光套筒(162)能够在第一位置和第二位置之间切换，在所述第一位置，所述导光套筒(162)位于所述物镜(4)和所述二向色片(3)之间且与所述光路同轴设置，以使得所述激发光束经所述二向色片(3)反射后穿过所述导光套筒(162)并朝向所述物镜(4)传播，在所述第二位置，所述导光套筒(162)避让所述光路；
所述校准光源(12)能够在工作位置和闲置位置之间切换，在所述工作位置，所述校准光源(12)位于所述物镜(4)和所述二向色片(3)之间且与所述光路同轴设置，以使得所发出的校准光束沿所述光路朝向所述二向色片(3)传播，在所述闲置位置，所述校准光源(12)避让所述光路；
在所述工作模式，所述导光套筒(162)位于所述第一位置，所述校准光源(12)位于所述闲置位置；在所述校准模式，所述导光套筒(162)位于所述第二位置，所述校准光源(12)位于所述工作位置。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述校准模块包括驱动装置、PCB板(13)和安装支架(16)，所述校准光源(12)固定于所述PCB板(13)，所述PCB板(13)固定安装在所述安装支架(16)上，所述驱动装置驱动所述安装支架(16)运动，以带动所述校准光源(12)在所述工作位置和所述闲置位置之间移动。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述安装支架(16)包括彼此相对的第一端和第二端，所述驱动装置构造为电机(15)，所述安装支架(16)在所述第一端固定于所述电机(15)的转动轴，所述校准光源(12)位于所述安装支架(16)的第二端，并且所述安装支架(16)在所述光谱仪中固定为使得所述校准光源(12)的发光点与所述转动轴的转动轴线之间的距离等于所述转动轴线与所述光路的中心轴线之间的距离。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述导光套筒(162)固定在所述安装支架(16)的所述第二端，并且与所述校准光源(12)间隔设置，
所述导光套筒(162)的中心轴线与所述转动轴线之间的距离等于所述校准光源(12)的发光点与所述转动轴的转动轴线之间的距离。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述校准光源(12)发出的校准光束为准直光束。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述校准光源(12)为氖灯或者汞灯。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光学模块包括：位于所述激光发射器(1)和所述二向色片(3)之间的滤光片(2)，在所述二向色片(3)和所述狭缝(7)之间依次设置的滤光片组(5)和第一聚焦元件(6)，位于所述狭缝(7)和所述色散元件(9)之间的准直元件(8)，以及位于所述色散元件(9)和所述光感元件(11)之间的第二聚焦元件(10)。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散元件(9)为透射式光栅。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括控制模块，所述激发模块、校准模块和检测模块均与所述控制模块通信连接，以使得所述光谱仪通过所述控制模块能够在所述工作模式和所述校准模式之间切换。
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