CN213091491U - 一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，包括光源、狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、光电检测元件、智能手机，所述狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、光电检测元件为该光谱仪的光路部分，放入不锈钢支架用数据线与手机相连；工作时将光源对准狭缝，入射光依次经过准直系统、色散系统、成像系统，最后到达位于成像系统焦平面上的光电检测元件，该元件受到光照刺激后发生响应，接收的光信号转化为电信号后用USB转Type‑C接口传输数据至智能手机，获得光谱图；若在光源后添加待测物质，则该手机光谱仪可应用于物质的透射或反射光谱检测；本实用新型可实时检测获取光谱图像，装置小巧、操作简单、结果直观、成本低、检测速度快。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光谱仪，尤其涉及一种采用透射光栅结合智能手机的便携式光谱仪。
背景技术
光谱仪是指利用折射或衍射现象产生色散并通过各种探测仪器读取其数据的一类光谱测量仪器。随着现代科学技术的迅速发展，传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，已经不能紧跟日益增多的科研需求，和科学融入生活的时代步伐，而近些年急速发展的智能手机正好能成为光谱仪小型化的载体。智能手机光谱仪具有智能、便携、体积小、集成化高、响应能力快等优点，在现场勘测、环境监测、食品检测、发光二极管(LED)检量、焚光测量、氧含量测量等特殊领域具有广阔的应用前景。在2016年10月13日吴砺申请的申请号为CN201621119619.5的专利提出了“一种手机光谱仪”，该系统包括：包括手机和置于手机镜头前端的光学镜头，所述的光学镜头包括镜筒和在镜筒内沿光束入射方向依序设置的起偏镜、分光棱镜、检偏镜、第一缩束镜片和第二缩束镜片，所述的第二缩束镜片直径小于第一缩束镜片，所述的第二缩束镜片与手机镜头正对，所述的手机还包括设于手机镜头后端用于成像的图像传感器和预存在手机内用于输出光谱图像的软件，最终实现光谱检测；但是由于该系统结构过于复杂实现起来有一定难度，且独立镜片加工成本高，不利于推广至大众的日常生活中，所以有必要进行进一步的改良和完善；通过实施本发明，设计一种采用透射光栅结合手机的便携式光谱仪，在分辨率上能满足基本要求的前提下，极大的节约了独立建模镜片所需的成本，大大提高了光谱仪的实用性和可推广性。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪设计，缩小光谱仪体积，降低制造成本，实现便携化。
本实用新型所采用技术方案为：一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪设计，其特征在于：光谱仪光路设计由六部分构成：光源、狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、光电检测元件。使用时，所述光源发出的光，即光源，经狭缝入射至光谱仪内部，同时通过狭缝减少进入光谱仪光路系统的光能量和实现阻挡杂散光的功能；所述的准直系统将经过狭缝的光线变为平行光；平行光进入色散系统，利用光的色散效应，使通过透射光栅时复合光中的单色光成分发生不同程度的偏转(波长越长的单色光偏转效果越明显)，达到分离效果；分离的单色光平行入射到成像系统的成像元件上，使其焦平面上形成一系列狭缝的像。由于不同波长的平行光入射角度不同，因此焦平面上的像点的成像位置也各不相同(依照波长从小到大等间距排列在焦平面上)。像由光电检测元件承接，经处理后反应至智能手机或电脑。
所述的光源波长能覆盖到可见光的全部波长，并能稳定连续分布的光源。
所述的狭缝缝宽不小于50μm。
所述的准直系统为H-KF6材料的准直镜。
所述的色散系统为300每毫米线对数的透射式光栅。
所述的成像元件为两块双胶合透镜，且组成的成像系统焦距为13.18mm。
所述的光电检测元件位于成像系统的焦平面，是CCD或CMOS芯片，输出信号的接口是 USB。
本实用新型的有益效果为：
1.采用两块双胶合透镜作为成像元件，不仅尽可能的减少整个系统的像差，而且运用镜片模组大大节约了镜片单独建模的成本；
2.本实用新型设计时通过对光路结构和光学元件的考虑，采用300每毫米线对数的光栅分光，结构简单的同时节约体积，极大的增加了光谱仪的便携性，可实现实时光谱检测；
3.使光谱仪跳出实验室仪器的范畴，走进我们的日常生活中，推动智能健康生活的发展，比如在光源与狭缝之间加入待测物质，通过对溶液透射光的光谱曲线与原光谱曲线进行对比得其光谱特性，此时光源用作研究工具，若光源直射光谱仪，则光源用作研究对象，实用性强，具有很好的社会效益。
附图说明
下面结合附图及具体方式对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的结构框架原理图；
图2是本实用新型的光路部分的支架设计图；
图3是本实用新型的光路部分的支架设计俯视图；
图4是本实用新型的光路部分的Zemax仿真结构图；
图5是本实用新型的Zemax仿真点列图；
图6是本实用新型的Zemax最优分辨率仿真点列图；
图7是本实用新型的Zemax最差分辨率仿真点列图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施步骤进行说明：
如图1所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，包括光源(1)、狭缝(2)、准直系统(3)、色散系统(4)、成像系统(5)、光电检测元件(6)。其中光源(1)即光源，提供所需的光照。它既可以作为研究对象，也可以作为研究工具；光源(1)发出光，直射或经检测样液通过狭缝(2)，一方面阻挡杂散光，另一方面减少入射光的能量；经过狭缝(2) 的光到达准直系统(3)，准直系统中准直镜将经狭缝(2)的光变成平行光，再送入色散系统(4)；色散系统(4)将准直后的平行复色光分解为单色光，经过色散元件光栅后单色光偏折角度各有不同，传递至下一个系统；成像系统(5)为光学透镜组合，色散系统(4)分光后，单色光仍然平行出射，成像系统(5)将单色光在焦平面上汇聚成像，以便光电检测元件(6)；光电检测元件(6)一般为适合大小的CMOS、CCD等光电耦合元器件即可，接收经过成像系统(5)汇聚所成的像的信号，经过处理后可以反应到智能手机(7)。
如图2所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，前端插入50μm的狭缝(2)，中间插入色散系统(4)，固定准直系统(3)和成像系统(5)的支架集成在盖子上。工作时，将盖子嵌入立方体不锈钢支架凹槽中，光电检测元件(6)紧贴立方体不锈钢支架后侧出光口，构成光路部分主体；光电检测元件(6)受到光照刺激后发生响应，将接收的光信号转化为电信号后利用USB转Type-C接口通过数据线传输数据至智能手机(7)。
如图3所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪内部结构，包括准直系统(3)、色散系统(4)、成像系统(5)；狭缝(2)与准直系统(3)相距8mm，色散系统(4)与成像系统(5)紧密连接。
如图4所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪Zemax仿真结构图，准直系统(3) 与色散系统(4)相距10mm，色散系统(4)紧挨成像系统(5)，成像元件1紧挨成像元件 2；准直系统(3)中：准直镜采用材料为H-KF6，前表面半径9.102mm，后表面半径为8.389mm，边缘厚度为2mm，面直径为10mm；成像系统(5)采用两个双胶合透镜：成像元件1镜面直径为9mm，采用材料1为H-K9L，前表面半径31.5mm，边缘厚度为1.914mm，后表面半径为67.4mm；材料2为H-ZF4，前表面半径67.4mm，边缘厚度为1.586mm，后表面为平面；成像元件2镜面直径为8mm，采用材料1为H-LAK10，前表面半径11mm，边缘厚度为 2.352mm，后表面半径为8.6mm；材料2为H-ZF7L，前表面半径8.6mm，边缘厚度为1.648mm，后表面半径为35.8mm；成像系统(5)后表面与像面相距10.2mm。
如图5所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪Zemax仿真点列图，利用Zemax中点列图功能，查看最后焦平面上形成的像。
如图6所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪Zemax最优分辨率仿真点列图，在波长间隔为20nm时，能清楚的分辨相邻波长，并且波长越长，分辨能力越强，甚至可达到极限分辨率8nm。
如图7所示，一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪Zemax最差分辨率仿真点列图，随着波长减小，分辨能力减弱，在400nm-420nm区间只能分辨15nm。
本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，可以对基于透射光栅的便携式手机光谱仪进行新的原理设计，装置形状、材料、结构可以进行优化设计，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。
Claims (8)
1.一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：由光源、狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、光电检测元件、智能手机七部分构成；使用时，所述光源发出的光，经狭缝入射；所述的准直系统将经过狭缝的光线变为平行光；平行光进入色散系统，复合光中的单色光成分发生不同程度的偏转，达到分离效果；分离的单色光平行入射到成像系统，使其焦平面上形成一系列狭缝的像；像由光电检测元件承接，经处理后反应至智能手机。
2.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述狭缝、准直系统、色散系统、成像系统、光电检测元件构成光路部分，放入不锈钢支架用数据线与手机相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的光源的工作波长范围与所述光电检测元件的工作波长范围一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的狭缝缝宽不小于50μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的准直系统是材料为H-KF6的准直镜。
6.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的色散系统为300每毫米线对数的透射式光栅。
7.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的成像系统焦距为13.18mm，由两块双胶合透镜作为成像元件构成。
8.根据权利要求1所述的一种基于透射光栅的便携式手机光谱仪，其特征在于：所述的光电检测元件位于成像系统的焦平面，是CCD或CMOS芯片，输出信号的接口是USB。
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