CN215114861U - 一种共焦光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种共焦光谱仪。该共焦光谱仪包括用于发射宽谱光束的光源，利用色散共焦原理对宽谱光束进行色散的共焦光学色散系统，以及光电探测单元；宽谱光束透过被测样品后射向所述共焦光学色散系统，经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示而获得被测样品的吸收光谱。本实用新型的共焦光谱仪能够实现多物质光谱测量。
Description
技术领域
本实用新型属于光学分析仪器技术领域，具体涉及一种共焦光谱仪。
背景技术
光谱仪是一种将复色光分解成光谱的光学仪器，利用光谱仪能够获得物体的光谱信息，实现对物质的探测。光谱仪在航空航天、资源勘测、环境监测、医学成像等众多领域都有非常重要的应用。
光谱仪根据分光原理的不同，可以大致分为色散型、干涉型和滤光型。基于色散原理的光谱仪主要是通过色散元件(如棱镜、固定光栅、旋转光栅等)对光束进行色散分光；基于干涉原理的光谱仪利用迈克尔逊干涉原理，通过改变两束光的光程差得到相应的干涉光，然后通过傅里叶变换得到原光谱信息；而基于滤光原理的光谱仪是通过对不同波长的光使用不同的滤光片实现分光的目的。
现有市场上的光谱仪的基本原理有：1、采用固定光栅分光，再利用线阵光电探测器测量光谱；2、采用旋转光栅分光，再利用单元光电探测器测量光谱；3、采用滤光片分光，再利用单元或多元光电探测器测量光谱；4、采用干涉法分光，利用傅利叶变换测量光谱。上述几种光谱仪各有弊端，对于第1种光谱仪，比较适合制作紫外到近红外波段的光谱仪，但对于红外波段的光谱，因为探测器单元数较少，较难获得精细的光谱；若采用列阵红外光电探测器，则会导致成本提高，因为列阵红外光电探测器非常昂贵。对于第2种光谱仪，光栅或反光镜的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，抗震性较差，而且旋转光栅速度太慢，导致光谱测量速度太慢所耗时间较长，不适合做工业过程控制使用。对于第3种光谱仪，不容易获得高分辨率的光谱。对于第4种光谱仪，体积庞大、造价太高，对使用环境要求苛刻。
特别需要指出的是用于工业过程控制和环保温室气体的常规的红外光谱测量技术有两种：一种是非色散固定分光红外技术(CDIR)，另一种是傅利叶红外光谱仪(FTIR)技术。非色散固定分光红外技术(CDIR)采用窄带滤光片分光方法，通过对某些气体的特定波长的吸收度测量，实现对气体浓度的测量。但窄带滤光片分光方法的不足是该技术不能形成连续分光光谱，只能对某一单波长形成吸收，故而只能测量一种气体，不适合多物质测量。所以该技术简单经济，但使用上受限于只适合单因子在线测量。傅利叶红外光谱仪(FTIR)技术的基本原理是采用干涉法而实现分光，包括用于产生连续光谱的红外主干涉光路、用于测量动镜移动的激光干涉光路等。该技术能进行多物质精确测量，但其系统复杂、不易装调、长时间运行稳定性差和价格贵等。做为追求性价比的环保工业或工业过程控制的在线测量，使用傅利叶红外光谱仪(FTIR)实在不是最佳选择。现在业内使用傅利叶红外光谱仪(FTIR)技术做在线测量，某种程度上说也是一种无奈的选择。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供一种共焦光谱仪，其能够实现多物质光谱测量，用于工业过程控制等应用；特别是可以实现环境气体的有效测量，包括测量温室气体，如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等。
本实用新型提供了一种共焦光谱仪，包括用于发射宽谱光束的光源(包含发射耦合光学元件或系统)，利用色散共焦原理对宽谱光束进行色散的共焦光学色散系统，以及光电探测单元；
宽谱光束射向所述共焦光学色散系统，经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示。
若在光源与共焦光学色散系统之间不设置被测样品，即光源所发射的发射宽谱光束直接射向共焦光学色散系统，经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示而得到光源发射宽谱光束的原始吸收光谱。
若在光源与共焦光学色散系统之间设置被测样品，被测样品置于支架或工装内，该支架或工装包括接收耦合光学元件或系统，那么光源发出的宽谱光束首先射向被测样品，宽谱光束透过被测样品后，经过接收耦合光学元件或系统，再次射向共焦光学色散系统，透射光经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示而得到被测样品的原始吸收光谱。
将被测样品的原始吸收光谱与光源发射宽谱光束的原始光谱相比，即获得被测样品的特征吸收光谱。
进一步的，所述光源为氙灯、钨灯、LED灯或硅碳棒等。
进一步的，所述共焦光学色散系统(2)为等效透镜；所述光源向所述等效透镜发射宽谱光束，经过所述等效透镜的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光。
进一步的，随着距离所述等效透镜长度的增加，轴向展开在光轴上的每一种单色光的波长依次增加或减小。
进一步的，所述光电探测单元包括光电探测器，设于所述光电探测器接收端前端的小孔，以及与所述光电探测器连接的运动平台；
所述控制器控制所述运动平台运动以带动所述光电探测器沿着光轴的方向移动，使光轴上的每一种单色光的聚焦点依次经过所述小孔后被所述光电探测器接收，并传入所述计算机进行分析和显示。
进一步的，所述宽谱光束为紫外波段的光束、可见波段的光束或红外波段的光束。
进一步的，对所述运动平台进行恒温处理。
进一步的，所述共焦光学色散系统沿着光轴具有极大色差。
本实用新型的共焦光谱仪还能够应用于环境气体测量方面。其中，该环境气体包括温室气体。
GHG(Greenhouse Gas，GHG。)或称温室效应气体是指大气中那些吸收和重新放出红外辐射的自然和人为的气态成分，包括对太阳短波辐射透明(吸收极少)、对长波辐射有强烈吸收作用的二氧化碳、甲烷、一氧化碳、氟氯烃及臭氧等30余种气体。《京都议定书》中规定的六种温室气体包括如下：二氧化碳(CO2)；甲烷(CH4)；氧化亚氮(N2O)；氢氟碳化物(HFCs)；全氟化碳(PFCs)；六氟化硫(SF6)。由于人类活动或者自然形成的温室气体。
在本实用新型中，所述温室气体优选为二氧化碳或/和甲烷。
与现有技术相比，采用上述方案本实用新型的有益效果为：
在使用本实用新型的共焦光谱仪时，控制器控制光源打开，光源向共焦光学色散系统发射宽谱光束，宽谱光束射向所述共焦光学色散系统，经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示而得到光源所发射的发射宽谱光束的原始光谱。再将被测样品置于光源与共焦光学色散系统之间，被测样品置于支架或工装内，该支架或工装包括耦合光学元件或系统，宽谱光束射向并透过所述被测样品，其透射光经过光学元件或系统耦合射入共焦光学色散系统，经过所述共焦光学色散系统的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器控制所述光电探测单元沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元接收，并传入计算机进行分析和显示而得到被测样品的原始吸收光谱，将其与光源发射宽谱光束的原始光谱相比，即获得被测样品的特征吸收光谱，以此可以确定出被测物质的类别和浓度。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种共焦光谱仪在没有放置被测样品时的原理框图；
图2是本实用新型实施例提供的一种共焦光谱仪在放置有被测样品时的原理框图；
图3是本实用新型实施例提供的一种共焦光谱仪的共焦光学色散系统的示意图，以及光电探测单元的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的共焦光谱仪的测试结果光谱图。
图中：1、光源；2、共焦光学色散系统；3、光电探测单元；4、控制器；5、计算机；6、被测样品；31、光电探测器；32、小孔；32、运动平台。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点等，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“透射”、“耦合”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供了一种共焦光谱仪，包括用于发射宽谱光束的光源1(包含发射耦合光学元件或系统)，利用色散共焦原理对宽谱光束进行色散的共焦光学色散系统2，以及光电探测单元3；
宽谱光束射向共焦光学色散系统2，经过共焦光学色散系统2的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器4控制光电探测单元3沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被光电探测单元3接收，并传入计算机5进行分析和显示而得到光源所发射的宽谱光束的原始光谱。
在使用本实施例的共焦光谱仪时，控制器4控制光源1打开，光源1向共焦光学色散系统2发射宽谱光束，宽谱光束经过共焦光学色散系统2后被色散成具有不同波长的单色光，且每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长长短分别依次展开；然后，控制器4控制光电探测单元3沿着光轴移动使每种单色光的聚焦点依次被光电探测单元3接收，再传入计算机5，计算机5运行共焦光谱仪软件进行分析，并将分析结果进行展示，这样用户通过展示结果就能够清楚而得到光源所发射的宽谱光束的原始光谱。
其次，如图2所示，将被测样品(如被测气体等)放置于光源1和共焦光学色散系统2之间，使得宽谱光束射向并透过所述被测样品，被测样品置于支架或工装内，该支架或工装包括接收耦合光学元件或系统，其透射光经过接收耦合光学元件或系统射入共焦光学色散系统2，并重复上述过程，便可以获得被测样品的原始吸收光谱，将其与光源发射宽谱光束的原始光谱相比，即获得被测样品的特征吸收光谱，由此而知道被测气体的种类和浓度。
因为在本实施例中，通过光电探测单元3的移动来实现多种单色光的分布接收，覆盖的光谱范围较大，所以能够实现多物质光谱测量。
为了确保色散效果，所以共焦光学色散系统2被设计成沿着光轴具有极大色差的等效透镜。
如图4所示，为实际测量的一个例子，其中D为短波长聚焦点处的单色光的光谱；E为相对长波长聚焦点处的单色光的光谱。即当短波长的单色光的聚焦点被光电探测单元3接收后，并传入计算机5，采用共焦光谱仪软件分析后在计算机屏幕上展示出D的光谱图。当相对长波长的单色光的聚焦点被光电探测单元3接收后，并传入计算机5，采用共焦光谱仪软件分析后在计算机屏幕上展示出E的光谱图。
本实施例的共焦光谱仪通常用于分析气体种类，因为不同的气体具有不同的特征吸收波长，例如温室气体中的CO2的特征吸收波长在2.7μm，4.26μm和14.5μm；温室气体中的CH4的特征吸收波长在2.3μm，3.3μm和7.65μm，若被测气体中含有CO2，那么计算机上的展示结果是，在2.7μm，4.26μm和14.5μm处形成波谷。若被测气体中含有CH4，那么计算机上的展示结果是，在2.3μm，3.3μm和7.65μm处形成波谷。
在本实施例中，根据共焦光学色散系统的不同设计，能够得到对紫外、可见以及红外灯不同波段的共焦光谱仪的设计，与之相配套的能够发生宽谱光束的光源1为氙灯、钨灯、LED灯或硅碳棒等。
在本实施例中，共焦光学色散系统2可以视为等效透镜；光源1或被测样品吸收后的光经过发射耦合光学元件或系统向等效透镜发射宽谱光束，经过等效透镜的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，如图3所示。例如，在具体实施例中，共焦光学色散系统2是等效的透镜，可以包含凸透镜或凹透镜，这与具体的工程设计有关。
光源1或被测样品吸收后的光经过接收耦合光学元件或系统聚焦于S点处，向等效透镜发射宽谱光束，宽谱光束经过等效透镜后被色散成具有不同波长的连续的单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点。
如图3所示，其中波长分别为λ1、λ2、λ3的单色光沿着光轴的轴向连续展开，且分别聚焦于A、B和C三点，其中λ1＜λ2＜λ3，即随着距离等效透镜距离的增加，轴向展开在光轴上的每一种单色光的波长依次增加。光源1或被测样品吸收后的光经过接收耦合光学元件或系统聚焦于S点处。
在本实施例中，共焦光学色散系统2也可以设计成使波长递减的顺序展开，即λ1＞λ2＞λ3。
如图3所示，在本实施例中，光电探测单元3包括光电探测器31，设于光电探测器31接收端前端的小孔32，以及与光电探测器31连接的运动平台33；
控制器4控制运动平台33运动以带动光电探测器31沿着光轴的方向移动，使光轴上的每一种单色光的聚焦点依次经过小孔32后被光电探测器31接收，并传入计算机5进行分析和显示光谱。
在使用时，控制器4控制运动平台33运动，运动平台33带动光电探测器31沿着光轴的方向移动，此时光轴上的每种单色光的聚焦点依次穿过小孔32而被光电探测器31接收，最后传入计算机5，被经过计算机5内的共焦光谱仪软件进行分析后，将光谱结果通过计算机5的显示屏展示出。
为了保证运动平台33的稳定性，所以对其进行恒温处理，例如用半导体TEC器件或装置加热或制冷。
综上所述，采用本实施例的共焦光谱仪能够实现对多种单色光的接收、分析和展示，实现多物质光谱测量；而且能够实现环境气体的有效测量。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表达不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的母体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种共焦光谱仪，其特征在于，包括用于发射宽谱光束的光源(1)，利用色散共焦原理对宽谱光束进行色散的共焦光学色散系统(2)，以及光电探测单元(3)；
宽谱光束射向所述共焦光学色散系统(2)，经过所述共焦光学色散系统(2)的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光，每一种单色光沿着光轴的轴向按照波长的长短分别依次展开，且每一种单色光分别聚焦于光轴上的一点；控制器(4)控制所述光电探测单元(3)沿着光轴移动以使每种单色光的聚焦点依次被所述光电探测单元(3)接收，并传入计算机(5)进行分析和显示。
2.根据权利要求1所述的共焦光谱仪，其特征在于，所述光源(1)为氙灯、钨灯、LED灯或硅碳棒。
3.根据权利要求1所述的共焦光谱仪，其特征在于，所述共焦光学色散系统(2)为等效透镜；所述光源(1)向所述等效透镜发射宽谱光束，经过所述等效透镜的宽谱光束被色散成多种具有不同波长的连续单色光。
4.根据权利要求3所述的共焦光谱仪，其特征在于，随着距离所述等效透镜长度的增加，轴向展开在光轴上的每一种单色光的波长依次增加或减小。
5.根据权利要求1所述的共焦光谱仪，其特征在于，所述光电探测单元(3)包括光电探测器(31)，设于所述光电探测器(31)接收端前端的小孔(32)，以及与所述光电探测器(31)连接的运动平台(33)；
所述控制器(4)控制所述运动平台(33)运动以带动所述光电探测器(31)沿着光轴的方向移动，使光轴上的每一种单色光的聚焦点依次经过所述小孔(32)后被所述光电探测器(31)接收，并传入所述计算机(5)进行分析和显示光谱。
6.根据权利要求1-5任一项所述的共焦光谱仪，其特征在于，所述宽谱光束为紫外波段的光束、可见波段的光束或红外波段的光束。
7.根据权利要求5所述的共焦光谱仪，其特征在于，对所述运动平台(33)进行恒温处理。
8.根据权利要求1-5任一项所述的共焦光谱仪，其特征在于，所述共焦光学色散系统(2)沿着光轴具有极大色差。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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| CN202121260782.4U Active CN215114861U (zh) | 2021-06-07 | 2021-06-07 | 一种共焦光谱仪 |
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2021
- 2021-06-07 CN CN202121260782.4U patent/CN215114861U/zh active Active
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