CN113566964A - 一种光谱分析装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光谱分析装置及系统，包括设置在外壳内的狭缝、消像差元件、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器以及设置在外壳外的光纤接头；狭缝与光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到准直镜；消像差元件设置于狭缝与准直镜之间，用于补偿像差；准直镜，用于将通过狭缝投射的被测光准直反射到光栅；光栅，用于将准直镜反射的被测光衍射到聚焦镜；聚焦镜，用于将光栅衍射后的被测光聚焦到光电探测器；光电探测器，用于接收聚焦镜衍射的被测光以获得相应的光谱。本发明通过有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。

Description

一种光谱分析装置及系统
技术领域
本发明涉及光学分析仪器技术领域，具体涉及一种光谱分析装置及系统。
背景技术
现有的常规光纤光谱仪将被测光导入狭缝，透过狭缝后经准直镜的准直后到达光栅，经光栅的散射后到达聚焦镜，再经聚焦镜的聚焦到达光电探测器，最后经光电探测器的光电转换获得相应的光谱。
而现有的常规光纤光谱的像差通常比较大，这对于某些对光谱分辨率要求比较高的应用场景是非常不方便的，如拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光谱分析装置及系统，可以有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种光谱分析装置，作为其中一种实施方式，所述光谱分析装置包括设置在外壳内的狭缝、消像差元件、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器以及设置在外壳外的光纤接头；所述狭缝与所述光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到所述准直镜；所述消像差元件设置于所述狭缝与所述准直镜之间，用于补偿像差；所述准直镜，用于将通过所述狭缝投射的被测光准直反射到所述光栅；所述光栅，用于将所述准直镜反射的被测光衍射到所述聚焦镜；所述聚焦镜，用于将所述光栅衍射后的被测光聚焦到所述光电探测器；所述光电探测器，用于接收所述聚焦镜衍射的被测光以获得相应的光谱。
作为其中一种实施方式，所述光谱分析装置采用交叉型切尼-特纳光路或M型光路。
作为其中一种实施方式，所示光谱分析装置还包括反射镜，所述反射镜用于实现所述光电探测器与所述聚焦镜的光轴的方向呈垂直状态。
作为其中一种实施方式，所述光谱分析装置还包括PCB电路板，所述PCB电路板上集中有所述光谱分析装置的控制电路和供电电路。
作为其中一种实施方式，所述PCB电路板设置在所述外壳的侧壁的内侧。
作为其中一种实施方式，所述消像差元件为矫正像差的透镜或菲尼尔镜。
作为其中一种实施方式，所述光电探测器为CCD光电探测器或CMOS线阵光电探测器。
作为其中一种实施方式，所述光纤接头为SMA905。
为实现上述目的，本发明第二方面提供一种光谱分析系统，作为其中一种实施方式，该光谱分析系统包如光源、第一光路组件、样品池、第二光路组件以及上述任一实施方式所述的光谱分析装置；其中，所述第一光路组件用于将所述光源产生的所述被测光聚焦耦合进入所述样品池，所述第二光路组件用于将所述样品池中射出被测光通过所述光纤接头耦合进入所述狭缝，所述样品池用于放置液体样品。
作为其中一种实施方式，所述光源采用紫外或可见光源。
综上所述，本发明提供一种光谱分析装置及系统，包括设置在外壳内的狭缝、消像差元件、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器以及设置在外壳外的光纤接头；所述狭缝与所述光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到所述准直镜；所述消像差元件设置于所述狭缝与所述准直镜之间，用于补偿像差；所述准直镜，用于将通过所述狭缝投射的被测光准直反射到所述光栅；所述光栅，用于将所述准直镜反射的被测光衍射到所述聚焦镜；所述聚焦镜，用于将所述光栅衍射后的被测光聚焦到所述光电探测器；所述光电探测器，用于接收所述聚焦镜衍射的被测光以获得相应的光谱。本发明通过有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的光谱分析装置的光路原理图。
图2为现有的光谱分析装置的非对称谱图。
图3为本发明实施例提供的光谱分析装置的高精度对称谱图。
图4为本发明实施例2提供的光谱分析装置的光路原理图。
图5为本发明实施例中的反射接收光路原理图。
图6为本发明实施例3提供的光谱分析系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，为了描述时清楚、简便，下文在描述不同实施例时，不同图中相同的部件使用相同的标记。
实施例1
本发明实施例1提供一种光谱分析装置，请参考图1，图1为本发明实施例1提供的光谱分析装置的光路原理图。如图1所示，该光谱分析装置包括设置在外壳内的狭缝10、消像差元件11、准直镜12、光栅13、聚焦镜14、光电探测器15以及设置在外壳外的光纤接头(图中未示出)；狭缝10与光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到准直镜12；消像差元件11设置于狭缝10与准直镜12之间，用于补偿像差；准直镜12，用于将通过狭缝10投射的被测光准直反射到光栅13；光栅13，用于将准直镜12反射的被测光衍射到聚焦镜14；聚焦镜14，用于将光栅13衍射后的被测光聚焦到光电探测器15；光电探测器15，用于接收聚焦镜14衍射的被测光以获得相应的光谱。
需要说明的是，光谱分析装置的外壳(图中未示出)也即光谱分析装置的主体框架，其中狭缝10、消像差元件11、准直镜12、光栅13、聚焦镜14以及光电探测器15当然的位于外壳内，而光纤接头(图中未示出)是将被测光导入外壳内，进而通过狭缝10后投射到准直镜12。
本实施例提供的光谱分析装置通过设置消像差元件，有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
具体地，请对比参考图2和图3，图2为现有的光谱分析装置的非对称谱图，图3为本发明实施例提供的光谱分析装置的高精度对称谱图。如图2所示，从图中可以看出在所设计的光谱范围内，光谱并非都呈对成尖锐特性，尤其是长波段部分，其光谱明显展宽。而本实施例提供的光谱分析装置的分析结果如图3所示，从图3中可以看出，在所设计的光谱范围内，光谱呈对称尖锐特性，也即该设计具有高精度、高光谱分辨率的特征，因此可广泛用于对光谱分辨率要求比较高的应用，如拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
值得一提的是，一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C,C＝C,N-O,C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动，多聚物长链的振动以及晶格振动等。一般而言，拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹，能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱，通过快速搜索，找到与被分析物质相匹配的光谱数据，即可鉴别被分析物质。如果采用本实施例的光谱分析系统，有利于采集到具有高分辨率拉曼峰的拉曼光谱，这利于物质的精细分析与研究。
实施例2
本发明实施例2提供一种光谱分析装置，请参考图4，图4为本发明实施例2提供的光谱分析装置的光路原理图，如图4所示，该光谱分析装置包括设置在外壳内的狭缝10、消像差元件11、准直镜12、光栅13、聚焦镜14、光电探测器15以及设置在外壳外的光纤接头(图中未示出)；狭缝10与光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到准直镜12；消像差元件11设置于狭缝10与准直镜12之间，用于补偿像差；准直镜12，用于将通过狭缝10投射的被测光准直反射到光栅13；光栅13，用于将准直镜12反射的被测光衍射到聚焦镜14；聚焦镜14，用于将光栅13衍射后的被测光聚焦到光电探测器15；光电探测器15，用于接收聚焦镜14衍射的被测光以获得相应的光谱。
当然，本发明上述实施例提供的光谱分析装置的光路结构并不局限于切尼-特纳型光路或M型光路。
在本实施例中，聚焦镜14与光电探测器15不在一个平面里，例如，光谱分析装置中还包括反射镜，反射镜用于实现光电探测器15与聚焦镜14的光轴的方向呈垂直状态，减小光谱分析装置的面积，以便满足某些客户的特殊需求。具体地，请参考图5，图5为本发明实施例中的反射接收光路原理图。如图5所示，光电探测器15，反射镜16，聚焦镜14所聚焦的衍射光141，反射镜16反射的聚焦衍射光142，聚焦镜14所聚焦的衍射光141，经反射镜16反射形成改变方向的聚焦衍射光142，然后被光电探测器15探测而获得相应的光谱。当然，基于减小光谱分析装置的思想，本领域技术人员还可以设置多个反射镜以及其它手段，以实现聚焦镜14与光电探测器15不同的相对位置。
在上述实施例中，消像差元件11可以但不限于矫正像差透镜、矫正像差光楔、柱面镜、非球面镜或菲尼尔镜等。
在本实施例中，光电探测器15可以为CCD线阵光电探测器或CMOS线阵光电探测器或光电倍增管线阵光电探测器。
在本实施例中，光纤接头可以但不限于SMA905或FC。
在本实施例中，光谱分析装置还包括PCB电路板(图中未示出)，PCB电路板上集中有光谱分析装置的控制电路和供电电路。具体地，通过将各个控制电路和供电电路集中于PCB电路板上，可以节省空间，更好的实现光谱分析装置的小体积。进一步地，为了光谱分析装置的使用安全，PCB电路板可以设置在外壳的侧壁内侧。当然具体设置方式并不局限于此。
因此，本实施例提供的光谱分析装置通过设置消像差元件，有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，通过设置反射镜，实现光电探测器与聚焦镜的光轴的方向呈垂直状态或改变为其它方向，进一步的减小光谱分析装置的面积，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于对光谱分辨率要求比较高的应用，如拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
实施例3
请结合参考图1、图4和图6，图6为本发明实施例3提供的光谱分析系统的结构框图。如图6所示，该光谱分析系统包如光源610、第一光路组件611、样品池612、第二光路组件613以及光谱分析装置614；其中，第一光路组件611用于将光源610产生的被测光聚焦耦合进入样品池612，第二光路组件613用于将样品池612中射出被测光通过光纤接头耦合进入狭缝10，样品池612用于放置液体样品。
其中，该光谱分析装置如前述实施例所描述，包括设置在外壳内的狭缝10、消像差元件11、准直镜12、光栅13、聚焦镜14、光电探测器15以及设置在外壳外的光纤接头；狭缝10与光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到准直镜12；消像差元件11设置于狭缝10与准直镜12之间，用于补偿像差；准直镜12，用于将通过狭缝10投射的被测光准直反射到光栅13；光栅13，用于将准直镜12反射的被测光衍射到聚焦镜14；聚焦镜14，用于将光栅13衍射后的被测光聚焦到光电探测器15；光电探测器15，用于接收聚焦镜14衍射的被测光以获得相应的光谱。
在本实施例中，第一光路组件611包括一反射镜、第一光纤、第一光纤入射接头和第一光纤出射接头，第一光纤入射接头和第一光纤出射接头分别连接于第一光纤的两端，并且第一光纤出射接头位于样品池的入射端。第二光路组件613包括第二光纤、第二光纤入射接头和第二光纤出射接头，第二光纤入射接头和第二光纤出射接头分别连接于第二光纤的两端。反射镜位于光源610的出射光路上，用于将光源产生的光谱分析光聚焦耦合进入第一光纤入射接头并经第一光纤传导至第一光纤出射接头；第一光纤出射接头用于将经第一光纤传导来的光谱分析光输出并耦合进入样品池612。第二光纤入射接头位于样品池612的出射端，用于将样品池612射出的被样品池内的液体样品吸收后，透过的光谱分析光耦合导入第二光纤并经第二光纤传导至第二光纤出射接头，第二光纤出射接头连接光谱分析装置的光纤接头，以将光谱分析光，即被测光导入光谱分析装置，以得到光谱。
在本实施例中，光源610采用氙灯、氘灯或钨灯等紫外或可见光源。
当然，本发明并不局限于使用氙灯、氘灯或钨灯，例如在进行食品测量或有关微量成分的测量时，现有某些技术采用的LED组合光源，不能形成连续光谱，特别是在紫外光和近红外光处(食品测量常用这两部分的连续光谱进行分析)，并且LED中心波长也不够稳定，不适合用于普遍的食品测量，特别是有关微量成份的测量。氘灯发出分析光是从紫外光到可见光的波长约为180nm-640nm的连续光谱，此连续光谱可以用于液相色谱仪以满足紫外光谱测量食品的要求。本领域技术人员可以根据各光源的特点对本发明的技术方案进行相应的微调，或采用适当的光源。
需要说明的是，本实施例中，第一光路组件、第二光路组件中的各组成部分为本领域技术人员的常识，可通过上述功能描述得到相应的结构，因此不再具体进行描述以及图示。
因此，本实施例提供的光谱分析系统通过设置消像差元件，有效地弥补光学像差以提高光谱分析装置的光谱分辨率，通过设置反射镜，实现光电探测器与聚焦镜的光轴的方向呈垂直状态或改变为其它方向，进一步的减小光谱分析装置的面积，具有高分辨率、小体积的优势，可广泛用于对光谱分辨率要求比较高的应用，如拉曼光谱应用以及无接触色共焦测量厚度等应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种光谱分析装置，其特征在于，包括设置在外壳内的狭缝、消像差元件、准直镜、光栅、聚焦镜、光电探测器以及设置在外壳外的光纤接头；
所述狭缝与所述光纤接头配合连接，用于将被测光导入并投射到所述准直镜；
所述消像差元件设置于所述狭缝与所述准直镜之间，用于补偿像差；
所述准直镜，用于将通过所述狭缝投射的被测光准直反射到所述光栅；
所述光栅，用于将所述准直镜反射的被测光衍射到所述聚焦镜；
所述聚焦镜，用于将所述光栅衍射后的被测光聚焦到所述光电探测器；
所述光电探测器，用于接收所述聚焦镜衍射的被测光以获得相应的光谱。
2.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所述光谱分析装置采用交叉型切尼-特纳光路或M型光路。
3.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所示光谱分析装置还包括反射镜，所述反射镜用于实现所述光电探测器与所述聚焦镜的光轴的方向呈垂直状态。
4.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所述光谱分析装置还包括PCB电路板，所述PCB电路板上集中有所述光谱分析装置的控制电路和供电电路。
5.根据权利要求4所述的光谱分析装置，其特征在于，所述PCB电路板设置在所述外壳的侧壁的内侧。
6.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所述消像差元件为矫正像差的透镜或菲尼尔镜。
7.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所述光电探测器为CCD光电探测器或CMOS线阵光电探测器。
8.根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，所述光纤接头为SMA905。
9.一种光谱分析系统，其特征在于，包如光源、第一光路组件、样品池、第二光路组件以及权利要求1至8任一项所述的光谱分析装置；其中，所述第一光路组件用于将所述光源产生的所述被测光聚焦耦合进入所述样品池，所述第二光路组件用于将所述样品池中射出被测光通过所述光纤接头耦合进入所述狭缝，所述样品池用于放置液体样品。
10.根据权利要求9所述的光谱分析系统，其特征在于，所述光源采用紫外或可见光源。
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