CN117288321A - 在线光谱仪用的光路切换系统以及在线光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在线光谱仪用的光路切换系统以及在线光谱仪，包括第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、第一单芯光纤、第二单芯光纤、驱动机构，第一单芯光纤和第一离轴抛物面镜的焦点之间形成第一连接线，第一离轴抛物面镜的焦点和各个第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第二连接线，第一连接线和第二连接线之间形成的夹角和第一离轴抛物面镜的离轴角相同；第二单芯光纤分别与第二离轴抛物面镜一一对应；每个第二单芯光纤和与其对应的第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第三连接线；第二连接线和第三连接线之间形成的夹角与第二离轴抛物面镜的离轴角相同。本申请采用离轴抛物面镜进行准直，无透镜吸收和色散损耗，光耦合效率高。
Description
技术领域
本发明涉及近红外光谱检测领域，尤其涉及一种在线光谱仪用的光路切换系统以及在线光谱仪。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
目前，光路切换系统多采用准直器耦合的方式。如图1所示，现有的光路切换系统包括第一光纤101、第一准直器102、第一反光镜103、能驱动第一反光镜103转动的电机、N个第二反光镜104、N个第二准直器105、N个第二光纤106，N为大于或等于2的正整数。在一个模式下，可以以第一光纤101作为输入，光自第一光纤101经过第一准直器102、第一反光镜103之后，传输至N个第二反光镜104中的一个，再经过对应的第二准直器105后输入第二光纤106。在另一个模式下，可以以第二光纤106作为输入，光自其中一个第二光纤106经过第二准直器105、对应的第二反光镜104之后，传输至第一反光镜103，再经过第一准直器102后输入第一光纤101。
现有技术中的准直器为透镜结构，而透镜色散导致无法消除色差影响，耦合效率偏低，所以结构上还需要在光纤和准直器之间设置反光镜。但是，采用入射光纤-准直器-反光镜-反光镜-准直器-出射光纤的方式，准直器之间引入反光镜，结构相对较为复杂，同时光程也被限制。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
基于前述的现有技术缺陷，本申请中在线光谱仪用的光路切换系统以及在线光谱仪，其用于解决现有技术中结构较为复杂的缺点。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种在线光谱仪用的光路切换系统，包括第一离轴抛物面镜、N个第二离轴抛物面镜、第一单芯光纤、N个第二单芯光纤、驱动机构，所述驱动机构用于驱使所述第一离轴抛物面镜绕一基准轴转动；所述第一单芯光纤的自由端对准所述第一离轴抛物面镜的焦点，所述第一单芯光纤和所述第一离轴抛物面镜的焦点之间形成第一连接线，所述第一连接线与所述基准轴重合，所述第一离轴抛物面镜的焦点和各个所述第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第二连接线，所述第一连接线和所述第二连接线之间形成的夹角和所述第一离轴抛物面镜的离轴角相同；N个所述第二离轴抛物面镜绕所述基准轴沿圆周方向间隔排列，N个第二单芯光纤分别与N个所述第二离轴抛物面镜一一对应，每个所述第二单芯光纤的自由端对准与其对应的所述第二离轴抛物面镜的焦点；每个所述第二单芯光纤和与其对应的所述第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第三连接线；所述第二连接线和任一个所述第三连接线之间形成的夹角与与其对应的所述第二离轴抛物面镜的离轴角相同，从而被配置为在所述第一离轴抛物面镜处于对应位置时，与该位置对应的所述第二离轴抛物面镜能向所述第一离轴抛物面镜发出或接收平行光，其中N为大于或等于2的正整数。
优选地，所述在线光谱仪用的光路切换系统具有第一工作状态，所述第一单芯光纤作为入射端，自所述第一单芯光纤的光自所述第一离轴抛物面镜准直后成为平行光，所述平行光在所述驱动机构的控制下运动至对应的所述第二离轴抛物面镜，再聚焦至对应的第二单芯光纤内。
优选地，所述在线光谱仪用的光路切换系统具有第二工作状态，任一个所述第二单芯光纤作为入射端，自所述第二单芯光纤的光自与其对应的所述第二离轴抛物面镜准直后成为平行光，所述第一离轴抛物面镜在所述驱动机构的控制下接受所述平行光，再聚焦至所述第一单芯光纤内。
优选地，所述第一单芯光纤作为入射端时，所述第一单芯光纤的芯径小于所述第二单芯光纤的芯径；和/或，
所述第二单芯光纤作为入射端时，所述第二单芯光纤的芯径小于所述第一单芯光纤的芯径。
优选地，所述第一离轴抛物面镜和各个所述第二离轴抛物面镜为相同的。
优选地，各个所述第二离轴抛物面镜沿圆周方向均匀分布。
优选地，所述第一离轴抛物面镜和各个所述第二离轴抛物面镜为90°离轴抛物面镜。
优选地，所述第一单芯光纤的自由端直接对准所述第一离轴抛物面镜，所述第二单芯光纤的自由端直接对准所述第二离轴抛物面镜。
优选地，所述第一单芯光纤可拆卸设置，各个第一单芯光纤的光纤通道的尺寸不同。
本申请还公开了一种在线光谱仪，包括如上述的光路切换系统。
借由以上的技术方案，本发明的有益效果在于：
1、采用离轴抛物面镜进行准直，无透镜吸收和色散损耗，光耦合效率高；
2、只使用两个离轴抛物面镜，直接驱动其中一个离轴抛物面镜旋转来实现切换，无反光镜，比一般结构简化，容易装调；
3、由于两个准直光路上没有设置无其他器件，其耦合光程缩短，同样的环境影响下系统稳定性要好；
4、使用离轴抛物面镜，消除了色差，能有效降低杂散光，提升光谱测量准确性。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施例，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施例在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施例包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。
应该强调，术语“包括/包括”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1为本现有技术中的光路切换系统的结构原理示意图。
图2为本申请实施例中的光路切换系统的结构原理示意图。
图3为本申请实施例中的光路切换系统的立体结构示意图。
以上附图的附图标记为：101、第一光纤；102、第一准直器；103、第一反光镜；104、第二反光镜；105、第二准直器；106、第二光纤；
1、第一单芯光纤；2、第二单芯光纤；3、第一离轴抛物面镜；4、第二离轴抛物面镜；5、驱动机构；10、基准轴；11、第一连接线；12、第二连接线；13、第三连接线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的包括义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的包括义是两个或两个以上。
参照图2和图3所示，本申请实施例公开了一种在线光谱仪用的光路切换系统，包括第一离轴抛物面镜3、N个第二离轴抛物面镜4、第一单芯光纤1、N个第二单芯光纤2、驱动机构5，所述驱动机构5用于驱使所述第一离轴抛物面镜3绕一基准轴10转动，所述基准轴10穿过所述第一离轴抛物面镜3的焦点；所述第一单芯光纤1的自由端对准所述第一离轴抛物面镜3的焦点，所述第一单芯光纤1和所述第一离轴抛物面镜3的焦点之间形成第一连接线11，所述第一连接线11与所述基准轴10重合，所述第一离轴抛物面镜3的焦点和各个所述第二离轴抛物面镜4的焦点之间形成第二连接线12，所述第一连接线11和所述第二连接线12之间形成的夹角和所述第一离轴抛物面镜3的离轴角相同；N个所述第二离轴抛物面镜4绕所述基准轴10沿圆周方向间隔排列，N个第二单芯光纤2分别与N个所述第二离轴抛物面镜4一一对应，每个所述第二单芯光纤2的自由端对准与其对应的所述第二离轴抛物面镜4的焦点；每个所述第二单芯光纤2和与其对应的所述第二离轴抛物面镜4的焦点之间形成第三连接线13；所述第二连接线12和任一个所述第三连接线13之间形成的夹角与与其对应的所述第二离轴抛物面镜4的离轴角相同，从而被配置为在所述第一离轴抛物面镜3处于对应位置时，与该位置对应的所述第二离轴抛物面镜4能向所述第一离轴抛物面镜3发出或接收平行光，其中N为大于或等于2的正整数。
借由上述结构，由于采用离轴抛物面镜的两个准直光路无额外的反射器件，其光路简化，同样的环境影响下相比于一般的准直器结构系统稳定性要好，精度更高，而满足和一般准直器结构的同样精度下，这种结构两准直光路之间的光程相比可以更长。如同样在0.22NA，500um芯径，f6.35焦距下的结构，使用离轴的结构精度可以提升30％以上，或满足同等精度条件下它的光程可以比一般准直器长30％。
在本实施方式中，第一离轴抛面物镜和第二离轴抛面物镜均采用离轴抛面物镜(又称为OAP)，能够无色散地聚焦准直光束或准直点光源。它们的离轴设计将聚焦点从光束路径上分离开来，而全反射设计则消除了透射光学元件引入的相位延迟和吸收损失，因此它们非常适用于适合飞秒激光、红外、太赫兹应用。
第一单芯光纤1和第二单芯光纤2均采用单芯光纤。单芯光纤中只有一根光纤芯，其内部有且只有一条光学传输通道。本申请中采用单芯光纤的原因在于配合离轴抛物面镜，单芯光纤可以满足光学单一传递模式，具有较小的色散和衰减，能够有效减少光的散射，不易受到来自外界的电磁干扰。
在本实施方式中，第一离轴抛物面镜3和N个第二离轴抛物面镜4均为相同的。这里的相同主要指抛物面类型、焦点角度等光学参数相同。
驱动机构5可以为电机，其可以驱使第一离轴抛物面镜3绕一基准轴10转动。通过电机旋转控制第一离轴抛物面镜3的角度位置，将第一离轴抛物面镜3切换到任一个第二离轴抛物面镜4，实现光路切换。第一单芯光纤1的光纤端面(自由端的端面)对准第一离轴抛物面镜3的焦点。所述第一单芯光纤1和所述第一离轴抛物面镜3的焦点之间形成的第一连接线11。所述第一连接线11和基准轴10重合。N个第二离轴抛物面镜4沿基准轴10圆周均匀排布。所述第一离轴抛物面镜3的焦点和各个所述第二离轴抛物面镜4的焦点之间形成多个第二连接线12。任一个第二连接线12和第一连接线11之间所形成的夹角和所述第一离轴抛物面镜3的离轴角相同。由此，光线可以自第一连接线11方向在第一离轴抛物面镜3改变作用下沿第二连接线12方向运动；或者，光线也可以自第二连接线12方向在第一离轴抛物面镜3改变作用下沿第一连接线11方向运动。
各个第二单芯光纤2的光纤端面(自由端的端面)对准与其对应的第二离轴抛物面镜4的焦点上。各个所述第二单芯光纤2和与其对应的所述第二离轴抛物面镜4的焦点之间形成第三连接线13。任一个第二离轴抛物面镜4对应的第二连接线12和第三连接线13之间形成的夹角和该第二离轴抛物面镜4的离轴角相同。由此，光线可以自第二连接线12方向在第二离轴抛物面镜4改变作用下沿第三连接线13方向运动；或者，光线也可以自第三连接线13方向在对应的第二离轴抛物面镜4改变作用下沿第二连接线12方向运动。
在所述驱动电机的转动作用下，可以使第一离轴抛物面镜3面向N个第二离轴抛物面镜4中的任一个。此时，自所述第一单芯光纤1输入的光可以自所述第一离轴抛物面镜3的焦点进入该第二离轴抛物面镜4的焦点，再在第二离轴抛物面镜4的改变光路作用下进入与该第二离轴抛物面镜4对准的第二单芯光纤2。或者，自所述第二单芯光纤2输入的光可以自与该第二单芯光纤2对准的所述第二离轴抛物面镜4的焦点进入该第一离轴抛物面镜3的焦点，再在第一离轴抛物面镜3的改变光路作用下进入第一单芯光纤1。
综上，所述在线光谱仪用的光路切换系统具有第一工作状态和第二工作状态。在第一工作状态下，所述第一单芯光纤1作为入射端，自所述第一单芯光纤1的光自所述第一离轴抛物面镜3准直后成为平行光，所述平行光在所述驱动机构5的控制下运动至对应的所述第二离轴抛物面镜4，再聚焦至对应的第二单芯光纤2内。因此，在第一工作状态下，可以实现一对多切换。在第二工作状态下，任一个所述第二单芯光纤2作为入射端，自所述第二单芯光纤2的光自与其对应的所述第二离轴抛物面镜4准直后成为平行光，所述第一离轴抛物面镜3在所述驱动机构5的控制下接受所述平行光，再聚焦至所述第一单芯光纤1内，可以实现多对一切换。
在本实施方式中，第一离轴抛物面镜3的离轴角和N个第二离轴抛物面镜4的离轴角均为90°。此时，N个第二离轴抛物面镜4均位于一个垂直于基准轴10的截面上。该在线光谱仪用的光路切换系统入射方向和出射方向平行但相反。
当然的，在其他可选的实施方式中，第一离轴抛物面镜3的离轴角和N个第二离轴抛物面镜4的离轴角也可以为30°、60°等其他角度。
因为不可能是理想准直光路，必然存在像差，若第一单芯光纤1作为入射光纤，其芯径应比第二单芯光纤2-N的芯径要略小，保证在此像差下光能全部耦合进去。反之，若第一单芯光纤1作为出射光纤，其芯径应比各个第二单芯光纤2的芯径要略大。
为了便于操作，所述第一单芯光纤1可拆卸设置，各个第一单芯光纤1的光纤通道的尺寸不同，以满足上述要求。
参照图3所示，为了便于控制，各个所述第二离轴抛物面镜4沿圆周方向均匀分布。电机可以通过编码器等控制方式实现简易控制，从而实现精准对准。
本发明具有如下优点：
1、采用离轴抛物面镜进行准直，无透镜吸收和色散损耗，光耦合效率高；
2、只使用两个离轴抛物面镜，直接驱动其中一个离轴抛物面镜旋转来实现切换，无反光镜，比一般结构简化，容易装调；
3、由于两个准直光路上没有设置无其他器件，其耦合光程缩短，同样的环境影响下系统稳定性要好；
4、使用离轴抛物面镜，消除了色差，能有效降低杂散光，提升光谱测量准确性。
本申请实施例公开了一种在线光谱仪，包括如上述的光路切换系统。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (10)
1.一种在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，包括第一离轴抛物面镜、N个第二离轴抛物面镜、第一单芯光纤、N个第二单芯光纤、驱动机构，所述驱动机构用于驱使所述第一离轴抛物面镜绕一基准轴转动；所述第一单芯光纤的自由端对准所述第一离轴抛物面镜的焦点，所述第一单芯光纤和所述第一离轴抛物面镜的焦点之间形成第一连接线，所述第一连接线与所述基准轴重合，所述第一离轴抛物面镜的焦点和各个所述第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第二连接线，所述第一连接线和所述第二连接线之间形成的夹角和所述第一离轴抛物面镜的离轴角相同；N个所述第二离轴抛物面镜绕所述基准轴沿圆周方向间隔排列，N个第二单芯光纤分别与N个所述第二离轴抛物面镜一一对应，每个所述第二单芯光纤的自由端对准与其对应的所述第二离轴抛物面镜的焦点；每个所述第二单芯光纤和与其对应的所述第二离轴抛物面镜的焦点之间形成第三连接线；所述第二连接线和任一个所述第三连接线之间形成的夹角与与其对应的所述第二离轴抛物面镜的离轴角相同，从而被配置为在所述第一离轴抛物面镜处于对应位置时，与该位置对应的所述第二离轴抛物面镜能向所述第一离轴抛物面镜发出或接收平行光，其中N为大于或等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述在线光谱仪用的光路切换系统具有第一工作状态，所述第一单芯光纤作为入射端，自所述第一单芯光纤的光自所述第一离轴抛物面镜准直后成为平行光，所述平行光在所述驱动机构的控制下运动至对应的所述第二离轴抛物面镜，再聚焦至对应的第二单芯光纤内。
3.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述在线光谱仪用的光路切换系统具有第二工作状态，任一个所述第二单芯光纤作为入射端，自所述第二单芯光纤的光自与其对应的所述第二离轴抛物面镜准直后成为平行光，所述第一离轴抛物面镜在所述驱动机构的控制下接受所述平行光，再聚焦至所述第一单芯光纤内。
4.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述第一单芯光纤作为入射端时，所述第一单芯光纤的芯径小于所述第二单芯光纤的芯径；和/或，
所述第二单芯光纤作为入射端时，所述第二单芯光纤的芯径小于所述第一单芯光纤的芯径。
5.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述第一离轴抛物面镜和各个所述第二离轴抛物面镜为相同的。
6.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，各个所述第二离轴抛物面镜沿圆周方向均匀分布。
7.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述第一离轴抛物面镜和各个所述第二离轴抛物面镜为90°离轴抛物面镜。
8.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述第一单芯光纤的自由端直接对准所述第一离轴抛物面镜，所述第二单芯光纤的自由端直接对准所述第二离轴抛物面镜。
9.根据权利要求1所述的在线光谱仪用的光路切换系统，其特征在于，所述第一单芯光纤可拆卸设置，各个第一单芯光纤的光纤通道的尺寸不同。
10.一种在线光谱仪，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的光路切换系统。
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2023
- 2023-09-22 CN CN202311225976.4A patent/CN117288321B/zh active Active
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