CN212082598U - 一种小型化低成本自准直式光谱分光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光谱分析仪器技术领域，具体涉及一种小型化低成本自准直式光谱分光模块。克服了传统光谱仪存在的成像分辨率较低、体积较大、成本较高且装调复杂等问题，包括光纤、准直‑聚焦系统、光栅及探测器；准直‑聚焦系统与光栅共光轴；光信号经光纤导入，以光锥的形式均匀分布到准直‑聚焦系统的前表面，经准直后透过准直‑聚焦系统均匀分布到光栅的接收面上；经光栅分光并反射后的光束，经过准直‑聚焦系统的后表面聚焦并透过准直‑聚焦系统后到达探测器的像面。采用透射式光学元件，有效避开了像散引起的谱线弯曲；以微细光纤取代入射狭缝，固定所有光学元件的位置，仅通过调整探测器的像面位置便可以完成系统装调，大大简化了装调难度。

Description

一种小型化低成本自准直式光谱分光模块

技术领域

本实用新型属于光谱分析仪器技术领域，具体涉及一种小型化低成本自准直式光谱分光模块。

背景技术

在分析测试类仪器领域，光谱分析应用十分广泛，例如在检测物质组成与含量方面，光谱分析法以其独有的便捷性与快速性，逐步取代传统的化学检测法；另外，在工业领域，很多光电传感类产品中，光谱分析以其特有的高精度性及稳定性，逐步取代传统式的测量方法。作为分析测试类仪器中的关键部件，以及工业领域中，为满足使用携带上的便捷性，在满足分辨率精度要求及使用条件的情况下，对缩小体积、降低成本的要求与日俱增。并且，随之模块化程度提高，结合外围的功能模块，可适用于不同的应用场合。

传统光谱仪的准直系统与聚焦系统多采用反射式结构，即准直镜与聚焦镜均采用铝膜凹面反射镜，反射式结构由于光波的传输介质均为空气，因此不存在因“不同波长的光波在不同介质中的折射率不同”而产生的色差，可加大系统的光谱设计范围。但是，为避免光路遮挡，多采用离轴反射的结构形式，引入由于谱线弯曲难以矫正的像散，降低了成像分辨率。且由于传统光谱仪结构中，常见有C-T型、M型的结构形式，准直系统与聚焦系统通常各自独立，因此体积都比较大，成本也较高。

另外，传统光谱仪的结构形式由入射狭缝、准直系统、分光光栅/棱镜、聚焦系统、探测器(CCD/CMOS)组成，各个光学元件之间的轴线相对存在不同的夹角，因此光机结构设计中需要考虑诸多光学元件的微调机构，装调步骤多、难度大，对装调人员的技术水平要求也较高。

发明内容

为了克服传统光谱仪存在的成像分辨率较低、体积较大、成本较高且装调复杂等问题，本发明提供一种小型化低成本自准直式光谱分光模块，采用透射式光学元件，有效避开了像散引起的谱线弯曲；并且通过自准直结构形式将准直系统与聚焦系统合二为一，大幅压缩了模块整体结构的体积；另外，以微细光纤取代入射狭缝，固定所有光学元件的位置，仅通过调整探测器的像面位置便可以完成系统装调，相比于传统光谱仪复杂的装调步骤，大大简化了装调难度，从而提升产能效率。

本实用新型的技术方案是提供一种小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特殊之处在于：包括光纤、准直-聚焦系统、光栅及探测器；准直-聚焦系统与光栅共光轴；

光信号经光纤导入，以光锥的形式均匀分布到准直-聚焦系统的前表面，经准直后透过准直-聚焦系统均匀分布到光栅的接收面上；经光栅分光并反射后的光束，经过准直-聚焦系统的后表面聚焦并透过准直-聚焦系统后到达探测器的像面。

进一步地，上述准直-聚焦系统为消色差胶合透镜，由凸透镜和凹透镜组合而成，利用两个透镜的材料不同，产生互补关系。

进一步地，上述光纤为单根光纤或按照一定阵列方式排布的多根光纤。

进一步地，上述光纤的数值孔径NA＝0.22。

进一步地，上述光栅为闪耀光栅或全息光栅。

进一步地，上述光栅相对于光轴的倾斜角为15度。

进一步地，上述光栅的刻线数为600线对/毫米，基准波长λ为900nm。

本实用新型的有益效果是：

(1)相比传统的结构形式，本发明光谱分光模块，采用透射式准直系统和聚焦系统，共轴光路对光信号无遮挡，可以有效避开了像散引起的谱线弯曲；准直系统和聚焦系统选用消色差胶合透镜，可有效矫正工作波长范围的色差，可提升系统的光谱分辨率。

(2)采用自准直结构形式将准直系统与聚焦系统合二为一，准直光路与聚焦光路共用一个空间进行光信号传输，可大幅压缩模块整体结构的体积；

(3)信号输入端以微细光纤取代入射狭缝，固定消色差透镜组与光栅，仅通过调整探测器的像面位置便可以完成系统装调，相比于传统光谱仪复杂的装调步骤，大大简化了装调难度，从而提升产能效率。

附图说明

图1为本实用新型自准直式光谱分光模块的结构示意图；

图2为沿图1中A-A线的剖视图。

图中附图标记为：1光纤，2-准直-聚焦系统，3-光栅，4-探测器的像面。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步地描述。

如图1所示，本实用新型小型化低成本自准直式光谱分光模块，结构部件主要包括：光纤1、准直-聚焦系统2、光栅3及探测器，准直-聚焦系统2与光栅3共光轴。

光纤1用于将光信号导入模块，光纤的数值孔径NA＝0.22。经光纤导入的光束以光锥的形式均匀分布到准直-聚焦系统2的前表面(将光束先到达的表面定义为前表面，后到达的表面定义为后表面)，经准直后透过准直-聚焦系统2均匀分布到光栅3的接收面上。光纤1可以是单根光纤，也可以是多根光纤按照一定的阵列方式排布。准直-聚焦系统2将一般光谱仪的准直系统与聚焦系统由一套光学系统代替，本实施例选用凹透镜与凸透镜构成的消色差胶合透镜，可较大程度缩小模块体积，光束首先到达凹透镜前表面，经准直-聚焦系统2的三个面折射后，转化为准直光束到达光栅3的反射面。光栅3为闪耀光栅或全息光栅，用于将平行光进行分光。该实施例中光栅相对于光轴的倾斜角为15度，光栅刻线数为600线对/毫米，基准波长λ为900nm，相关参数在其他实施例中可以根据具体需求进行调整。经光栅3分光并反射后的光束，逆向经过准直-聚焦系统2的后表面，即光束首先到达凸透镜的后表面，经准直-聚焦系统2的三个面折射后，准确聚焦在探测器的像面4。通过调整探测器的像面4的前后、上下及倾斜角度，达到最佳分辨率后，固定号探测器的位置。

Claims (7)

1.一种小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：包括光纤(1)、准直-聚焦系统(2)、光栅(3)及探测器；准直-聚焦系统(2)与光栅(3)共光轴；

光信号经光纤(1)导入，以光锥的形式均匀分布到准直-聚焦系统(2)的前表面，经准直后透过准直-聚焦系统(2)均匀分布到光栅(3)的接收面上；经光栅(3)分光并反射后的光束，经过准直-聚焦系统(2)的后表面聚焦并透过准直-聚焦系统(2)后到达探测器的像面(4)。

2.根据权利要求1所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述准直-聚焦系统(2)为消色差胶合透镜，由凸透镜和凹透镜组合而成。

3.根据权利要求1或2所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述光纤(1)为单根光纤或按照一定阵列方式排布的多根光纤。

4.根据权利要求3所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述光纤的数值孔径NA＝0.22。

5.根据权利要求3所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述光栅(3)为闪耀光栅或全息光栅。

6.根据权利要求5所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述光栅(3)相对于光轴的倾斜角为15度。

7.根据权利要求6所述的小型化低成本自准直式光谱分光模块，其特征在于：所述光栅(3)的刻线数为600线对/毫米，基准波长λ为900nm。

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