CN112082648A - 基于光纤的光谱探测装置和探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于光纤的光谱探测装置和探测方法，光谱探测装置包括用于容置透镜的镜筒，镜筒是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤通过压紧件插接于镜筒的尾部；其中所有的透镜、光纤和镜筒均同轴而设。本发明利用透镜将采集到的光谱汇聚到光纤的靶心，再由光纤以光信号的形式传输，整体结构简单且体积精巧，而且各个光学参数可以根据不同探测需求自行调整改进以满足不同的推广应用，其中的光纤具有传输速率高、清洁环保、能量损失小、重量轻、抗电磁干扰、传输距离远、成本低等优点，满足探测传输的要求。

Description

基于光纤的光谱探测装置和探测方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及基于光纤的光谱探测装置和探测方法。

背景技术

工程研究时，需要在狭小空间探测指定光谱范围的火焰、光波、温度等等，并将指定光谱采集汇聚到靶心上，其目的是将光从光电管不适合的区域（如高温区域）传送至适合光电转换的温度区域，传送过程中要求能量损失小、功率损耗低，并且需达到在接收信号后实现探测、分析、使用的目的。

目前光信号的传输依靠电缆或光纤，但无论电缆或光纤，在采集探测光信号时由于光谱直接通过电缆或光纤传输，光谱与电缆或光纤之间缺少引导光谱的装置，因此传输时极易造成光信号的能量损失、功率损耗、色散等，导致光信号的不完整。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供基于光纤的光谱探测装置和探测方法，以克服上述技术缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒，镜筒是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤通过压紧件插接于镜筒的尾部；

其中所有的透镜、光纤和镜筒均同轴而设。

进一步地，若m≥2，则任意相邻的透镜之间同轴布设隔圈，隔圈是中空且沿轴向中心线贯通的筒状结构，中空腔体沿轴向中心线的截面呈圆台形，且圆台的直径沿光信号的传输方向逐渐减小，圆台的大直径端是光信号输入侧透镜且两者相互抵接，圆台的小直径端是光信号输出侧透镜且两者相互抵接，其中圆台大直径端的最大直径小于光信号输入侧透镜的外径，圆台小直径端的最小直径小于光信号输出侧透镜的外径。

优选地，压紧件包括螺母和压管，压管穿套于光纤的外壁，且压管的头部抵接于镜筒的尾部底端面，两者的抵接处穿套螺母，螺母的内螺面分别与抵接处的镜筒外壁和压管外壁旋接。

优选地，压管的内管径与光纤的外径一致，压管的外管壁分为两段，分别是直管段和锥管段，其中直管段开设有用于和螺母旋接的螺纹，锥管段的管壁沿管身长度方向开设有至少一道豁口槽。

进一步地，镜筒的内筒壁设置有若干个台阶孔，台阶孔至少包括位于头部的第一台阶孔、位于透镜段的第二台阶孔、位于尾部的第三台阶孔，其中第一台阶孔内安装有用于压紧透镜的压圈，第二台阶孔内黏贴透镜，且第二台阶孔的数量与透镜数量相同，第三台阶孔内插接光纤。

优选地，透镜段布设有2个透镜，沿光信号传输方向分别是第一透镜和第二透镜，压圈压紧第一透镜至第二台阶孔内，在第一透镜和第二透镜之间是隔圈，第二透镜的下方是光纤，光纤的外壁套设的压管的管壁开设有2道豁口槽，2道豁口槽将压管沿径向分为2个半圆管。

本发明还保护了基于光纤的光谱探测方法，至少包括基于光纤的光谱探测装置，探测方法包括：

光谱进入镜筒，依次经m个透镜采集后汇聚至光纤的靶心，再由光纤以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示。

进一步地，基于光纤的光谱探测方法，包括：

组装基于光纤的光谱探测装置；

光谱穿过压圈传输至第一透镜，光谱沿着路径第一透镜、隔圈、第二透镜汇聚至光纤的靶心，再由光纤以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示；

其中伸出镜筒的部分光纤在压管的豁口槽的保护下可实现弯曲。

本发明的有益效果如下：

本发明主要由镜筒和透镜组成，利用透镜将采集到的光谱汇聚到光纤的靶心，再由光纤以光信号的形式传输，整体结构简单且体积精巧，而且各个光学参数可以根据不同探测需求自行调整改进以满足不同的推广应用，其中的光纤具有传输速率高、清洁环保、能量损失小、重量轻、抗电磁干扰、传输距离远、成本低等优点，满足探测传输的要求。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是基于光纤的光谱探测装置的剖视图。

图2是镜筒的剖视图。

图3是压管的右视图。

图4是基于光纤的光谱探测方法的光学参数示意图。

附图标记说明：

1.压圈；2.第一透镜；3.镜筒；4.隔圈；5.第二透镜；6.螺母；7.压管；8.光纤；9.豁口槽；10.第一台阶孔；11.第二台阶孔；12.第三台阶孔；

A/B.光学间隔；

C.第二透镜5的焦距；

D.第一透镜2的外径；

E.第二透镜5的外径；

F.光纤8的内径。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需说明的是，在本发明中，图中的上、下、左、右即视为本说明书中所述的基于光纤的光谱探测装置的上、下、左、右。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

第一实施方式：

本发明的第一实施方式涉及基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒3，镜筒3是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤8的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤8通过压紧件插接于镜筒3的尾部；

其中所有的透镜、光纤8和镜筒3均同轴而设，以确保光谱的传输路径。

基于光纤的光谱探测装置的工作原理如下：

光谱进入镜筒3，依次经m个透镜采集后汇聚至光纤8的靶心，再由光纤8以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示，达到光谱的探测、分析和使用。

其中，镜筒3的作用是容置透镜，透镜的作用是采集光谱并聚光，光谱被汇聚至光纤8的靶心，光纤8的作用是传输光信号。

透镜的数量、透镜的间距以及透镜的外径等可以根据不同探测需求自行选择调整，但所有透镜必须达到高精度、高光洁度、高抛光的要求，且须用专业仪器加工，保证稳定、可靠的光学参数。

同时光纤8的靶心（端面）的切割、打磨、抛光等要求使用专业设备和技术进行，且靶心须达到高精度、无污、清洁的要求，安装的高同轴度，对采集、探测的精度和光信号的高质量至关重要。

参见图1，为2个透镜的具体应用例。

具体地，光纤8的一端插接于镜筒3的尾部，光纤8的另一端则伸出镜筒3，伸出部分可以在压紧件的保护下实现弯曲；此外，透镜优选黏贴于镜筒3的内腔，但并不仅限于此，也可以是其他的安装方式。

第二实施方式：

本实施方式涉及基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒3，镜筒3是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤8的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤8通过压紧件插接于镜筒3的尾部；

其中所有的透镜、光纤8和镜筒3均同轴而设。

参见图1，若m≥2，则任意相邻的透镜之间同轴布设隔圈4，隔圈4是中空且沿轴向中心线贯通的筒状结构，中空腔体沿轴向中心线的截面呈圆台形，且圆台的直径沿光信号的传输方向逐渐减小，圆台的大直径端是光信号输入侧透镜且两者相互抵接，圆台的小直径端是光信号输出侧透镜且两者相互抵接，其中圆台大直径端的最大直径小于光信号输入侧透镜的外径，圆台小直径端的最小直径小于光信号输出侧透镜的外径。

隔圈4的作用是作为相邻两个透镜的光学间隔，光学间隔是指第一个透镜的像方焦点到第二个透镜的物方焦点的距离，具体参见图4中的光学间隔A或光学间隔B，以下将以图1所示的2个透镜为例，对光谱探测进行说明，具体如下：

当光谱进入镜筒3后，首先照射至第一透镜2，第一透镜2对光谱进行采集和聚光后，光谱继续前行至隔圈4，经隔圈4的逐渐缩小的内腔再次二次聚光后再到达第二透镜5，此时第二透镜5对光谱进行三次聚光，最终汇聚的光谱到达光纤8，光纤8以光信号的形式传输。

值得一提的是，以图1所示方向为参照，隔圈4的内腔为锥形孔，隔圈4的最左端是大内径端，该端的最大内径必须小于第一透镜2的外径D，隔圈4的最右端是小内径端，该端的最小内径必须小于第二透镜5的外径E，这样可以避免漏光，进而避免光能量的损耗和光信号的丢失，最大程度的确保光谱的完整性。

隔圈4与透镜在抵接的同时也可以黏贴连接，确保牢固安装并避免脱落。

第三实施方式：

本实施方式涉及基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒3，镜筒3是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤8的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤8通过压紧件插接于镜筒3的尾部；

其中所有的透镜、光纤8和镜筒3均同轴而设。

参见图1，若m≥2，则任意相邻的透镜之间同轴布设隔圈4，隔圈4是中空且沿轴向中心线贯通的筒状结构，中空腔体沿轴向中心线的截面呈圆台形，且圆台的直径沿光信号的传输方向逐渐减小，圆台的大直径端是光信号输入侧透镜且两者相互抵接，圆台的小直径端是光信号输出侧透镜且两者相互抵接，其中圆台大直径端的最大直径小于光信号输入侧透镜的外径，圆台小直径端的最小直径小于光信号输出侧透镜的外径。

如图1所示，压紧件包括螺母6和压管7，压管7穿套于光纤8的外壁，且压管7的头部抵接于镜筒3的尾部底端面，两者的抵接处穿套螺母6，螺母6的内螺面分别与抵接处的镜筒3外壁和压管7外壁旋接。

以图1所示方向为参照，光纤8的左端插入镜筒3的尾部，并在光纤8伸出镜筒3的部分穿套压管7，向左推送压管7直至抵接于镜筒3的尾部底端面，此时镜筒3的外壁和压管7的外壁平齐，再在抵接部分穿套螺母6，螺母6分别与镜筒3外壁和压管7外壁旋接，也就是说，先使用压管7保护光纤8，同时起到对光纤8的缓冲作用，而压管7和螺母6共同作用压紧光纤8，此外压管7使得光纤8在弯曲半径内有效弯曲。

压管7的内管径与光纤8的外径一致，压管7的外管壁分为两段，分别是直管段和锥管段，其中直管段开设有用于和螺母6旋接的螺纹，锥管段的管壁沿管身长度方向开设有至少一道豁口槽9，参见图3。

如图3所示，压管7的豁口槽9提供给光纤8预紧力，保证光纤8固定可靠和柔韧弯曲，同时便于安装光纤8，并对光纤8的弯曲起到导引和缓冲的作用。

参见图2，镜筒3的内筒壁设置有若干个台阶孔，台阶孔至少包括位于头部的第一台阶孔10、位于透镜段的第二台阶孔11、位于尾部的第三台阶孔12，其中第一台阶孔10内螺纹安装有用于压紧透镜的压圈1，第二台阶孔11内黏贴透镜，且第二台阶孔11的数量与透镜数量相同，第三台阶孔12内插接光纤8。

可以看出，镜筒3的外筒壁和内筒壁均设有若干个台阶，其中外筒壁的台阶一方面可以减小整个光谱探测装置的体积，方便在狭小空间的安装，另一方面还可以提供握持部，方便工作人员的使用；而内筒壁的台阶则都是为镜筒3内的部件提供容置腔，即对各个部件限位，例如，当第一透镜2黏贴在第二台阶孔11内后，再利用第一台阶孔10内的压圈1压紧第一透镜2，也就是说将压圈1限制于第一台阶孔10内，将第一透镜2或第二透镜5限制在第二台阶孔11内，同时也可以确保同轴度。

如图1和图2所示，光纤8的外壁紧贴第三台阶孔12的孔壁，而光纤8的内径小于第三台阶孔12的孔径，其目的是确保光谱进入的完整性。

作为优选，透镜段布设有2个透镜，沿光信号传输方向分别是第一透镜2和第二透镜5，压圈1压紧第一透镜2至第二台阶孔内，在第一透镜2和第二透镜5之间是隔圈4，第二透镜5的下方是光纤8，光纤8的外壁套设的压管7的管壁开设有2道豁口槽9，2道豁口槽9将压管7沿径向分为2个半圆管，如图3所示。

第四实施方式：

本实施方式提供了基于光纤的光谱探测方法，至少包括基于光纤的光谱探测装置，探测方法包括：

光谱进入镜筒3，依次经m个透镜采集后汇聚至光纤8的靶心，再由光纤8以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示。

基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒3，镜筒3是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤8的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤8通过压紧件插接于镜筒3的尾部；

其中所有的透镜、光纤8和镜筒3均同轴而设，以确保光谱的传输路径。

如图4所示，其中光学参数：光学间隔A/B、第二透镜5的焦距C、第一透镜2的外径D、第二透镜5的外径E、光纤8的内径F，以上设计参数，可以根据不同的探测需求和探测精度进行计算、调整，装配的结构件一一对应的尺寸依次调整，来满足不同的探测需求，因此可推广应用：既可军用，又可民用；既可教学实验，又可用在通讯工程。

第五实施方式：

基于光纤的光谱探测方法，包括：

组装基于光纤的光谱探测装置；

光谱穿过压圈1传输至第一透镜2，光谱沿着路径第一透镜2、隔圈4、第二透镜5汇聚至光纤8的靶心，再由光纤8以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示；

其中伸出镜筒3的部分光纤8在压管7的豁口槽9的保护下可实现弯曲。

基于光纤的光谱探测装置，包括用于容置透镜的镜筒3，镜筒3是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤8的尾部，透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤8通过压紧件插接于镜筒3的尾部；

其中所有的透镜、光纤8和镜筒3均同轴而设。

若m≥2，则任意相邻的透镜之间同轴布设隔圈4，隔圈4是中空且沿轴向中心线贯通的筒状结构，中空腔体沿轴向中心线的截面呈圆台形，且圆台的直径沿光信号的传输方向逐渐减小，圆台的大直径端是光信号输入侧透镜且两者相互抵接，圆台的小直径端是光信号输出侧透镜且两者相互抵接，其中圆台大直径端的最大直径小于光信号输入侧透镜的外径，圆台小直径端的最小直径小于光信号输出侧透镜的外径。

压紧件包括螺母6和压管7，压管7穿套于光纤8的外壁，且压管7的头部抵接于镜筒3的尾部底端面，两者的抵接处穿套螺母6，螺母6的内螺面分别与抵接处的镜筒3外壁和压管7外壁旋接。

压管7的内管径与光纤8的外径一致，压管7的外管壁分为两段，分别是直管段和锥管段，其中直管段开设有用于和螺母6旋接的螺纹，锥管段的管壁沿管身长度方向开设有至少一道豁口槽9。

镜筒3的内筒壁设置有若干个台阶孔，台阶孔至少包括位于头部的第一台阶孔10、位于透镜段的第二台阶孔11、位于尾部的第三台阶孔12，其中第一台阶孔10内安装有用于压紧透镜的压圈1，第二台阶孔11内黏贴透镜，且第二台阶孔11的数量与透镜数量相同，第三台阶孔12内插接光纤8。

透镜段布设有2个透镜，沿光信号传输方向分别是第一透镜2和第二透镜5，压圈1压紧第一透镜2至第二台阶孔内，在第一透镜2和第二透镜5之间是隔圈4，第二透镜5的下方是光纤8，光纤8的外壁套设的压管7的管壁开设有2道豁口槽9，2道豁口槽9将压管7沿径向分为2个半圆管。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，包括用于容置透镜的镜筒（3），所述镜筒（3）是沿轴向中心线贯通的筒状体，筒状体的内腔沿光信号的传输方向依次分为供光谱输入的头部、供光谱聚光的透镜段、用于插接光纤（8）的尾部，所述透镜段布设有m个透镜，其中m≥1，光纤（8）通过压紧件插接于镜筒（3）的尾部；

其中所有的透镜、光纤（8）和镜筒（3）均同轴而设。

2.如权利要求1所述的基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，若m≥2，则任意相邻的透镜之间同轴布设隔圈（4），所述隔圈（4）是中空且沿轴向中心线贯通的筒状结构，中空腔体沿轴向中心线的截面呈圆台形，且圆台的直径沿光信号的传输方向逐渐减小，圆台的大直径端是光信号输入侧透镜且两者相互抵接，圆台的小直径端是光信号输出侧透镜且两者相互抵接，其中圆台大直径端的最大直径小于光信号输入侧透镜的外径，圆台小直径端的最小直径小于光信号输出侧透镜的外径。

3.如权利要求1或2所述的基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，所述压紧件包括螺母（6）和压管（7），压管（7）穿套于光纤（8）的外壁，且压管（7）的头部抵接于镜筒（3）的尾部底端面，两者的抵接处穿套螺母（6），所述螺母（6）的内螺面分别与抵接处的镜筒（3）外壁和压管（7）外壁旋接。

4.如权利要求3所述的基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，所述压管（7）的内管径与光纤（8）的外径一致，压管（7）的外管壁分为两段，分别是直管段和锥管段，其中直管段开设有用于和螺母（6）旋接的螺纹，锥管段的管壁沿管身长度方向开设有至少一道豁口槽（9）。

5.如权利要求4所述的基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，所述镜筒（3）的内筒壁设置有若干个台阶孔，台阶孔至少包括位于头部的第一台阶孔（10）、位于透镜段的第二台阶孔（11）、位于尾部的第三台阶孔（12），其中第一台阶孔（10）内安装有用于压紧透镜的压圈（1），第二台阶孔（11）内黏贴透镜，且第二台阶孔（11）的数量与透镜数量相同，第三台阶孔（12）内插接光纤（8）。

6.如权利要求5所述的基于光纤的光谱探测装置，其特征在于，所述透镜段布设有2个透镜，沿光信号传输方向分别是第一透镜（2）和第二透镜（5），所述压圈（1）压紧第一透镜（2）至第二台阶孔内，在第一透镜（2）和第二透镜（5）之间是隔圈（4），第二透镜（5）的下方是光纤（8），光纤（8）的外壁套设的压管（7）的管壁开设有2道豁口槽（9），2道豁口槽（9）将压管（7）沿径向分为2个半圆管。

7.基于光纤的光谱探测方法，其特征在于，至少包括权利要求1～6中任一权利要求所述的基于光纤的光谱探测装置，所述探测方法包括：

光谱进入镜筒（3），依次经m个透镜采集后汇聚至光纤（8）的靶心，再由光纤（8）以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示。

8.如权利要求7所述的基于光纤的光谱探测方法，其特征在于，包括：

组装基于光纤的光谱探测装置；

光谱穿过压圈（1）传输至第一透镜（2），光谱沿着路径第一透镜（2）、隔圈（4）、第二透镜（5）汇聚至光纤（8）的靶心，再由光纤（8）以光信号的形式传输至中继器，或经光电转换器转换为电信号，最终在接收端显示；

其中伸出镜筒（3）的部分光纤（8）在压管（7）的豁口槽（9）的保护下可实现弯曲。

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