CN218496267U - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型的实施例公开一种光谱仪，涉及光电分析技术领域，用于解决现有的成本较低的非成像光谱仪性能较低，而高性能的成像光谱仪成本较高的问题。本实用新型提供的光谱仪包括沿第一光轴方向依次设置的狭缝、准直镜组、色散元件、第一成像镜组、第一探测器以及设置于所述狭缝和准直镜组之间的视场光阑；所述视场光阑相对于所述第一成像镜组的位置可调。本实用新型在降低高性能成像光谱仪的开发成本的同时，提高了提高光谱仪的性能、增强了系统稳定性，适用于大规模工业应用。

Description

一种光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光电分析技术领域，尤其涉及一种光谱仪。

背景技术

光谱仪器是一种可对输入的复色光进行色散的分析仪器。基于其色散技术，光谱仪主要有滤波型光谱仪、傅立叶型光谱仪、法布罗利干涉型光谱仪、棱镜型光谱仪，以及光栅型光谱仪。由于光栅型光谱仪性能优异、技术相对成熟，因此光栅色散类型的光谱仪是目前应用最为广泛的光谱仪器类型。光栅型光谱仪根据其视场的大小与分辨率的特性，光谱仪可以分为非成像光谱仪与成像光谱仪(也称为高光谱相机)。非成像光谱仪主要应用于化学分析、或空间单点采样的分析领域。成像光谱仪主要应用于同时需要几何成像与光谱分析的应用场景，如农业遥感、工业监测等领域。根据目前网络基础条件、机器视觉技术发展、以及应用需求，能够同时提供几何图像与光谱仪信息的成像光谱仪，必将成为遥感探测与机器视觉的重要仪器设备，为众多应用领域提供重要解决方案。

近些年，光栅型光谱仪在天文观测、航天探测、实验研究等科研应用领域技术发展已经成熟，该项技术已经处于从专业科研领域转向为大规模商业领域技术成熟阶段。因此，在技术性能与成本控制上，需要更多的具体设计方案创新，才能将性能与成本达到最佳平衡点，从而实现大规模商业应用。

目前，市场上的基于光栅型光谱仪多为非成像光谱仪，中心视场性能指标较好，中心视场外性能急剧下降，而无法应用于成像领域。此类产品可视为成本、低性能低的光谱仪器。而具有高性能的成像光谱仪，仍然以进口设备为主，成本较高，不利于大规模工业应用。本实用新型所提供的技术方案主要针对于基于透射光栅的光谱仪器设计，同时适用于非成像与成像光谱仪。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种光谱仪，能够解决现有的成本较低的非成像光谱仪性能较低，而高性能的成像光谱仪成本较高，不利于大规模工业应用的问题。

本实用新型实施例提供一种光谱仪，包括沿第一光轴方向依次设置的狭缝、准直镜组、色散元件、第一成像镜组和第一探测器，还包括：设置于所述狭缝和准直镜组之间的视场光阑；所述视场光阑相对于所述第一成像镜组的位置可调。

在一可选实施例中，所述视场光阑中心设有长方形通光口径。

在一可选实施例中，所述视场光阑面向所述准直镜组的一侧中心还设有深度沿第一光轴方向的第一沉台，所述第一沉台与所述长方形通光口径连通；

所述第一沉台的横截面外形尺寸与所述准直镜组的横截面外形尺寸相适应，所述准直镜组的前端套于所述第一沉台内，通过调节所述准直镜组的前端套于所述第一沉台内的深度实现所述视场光阑相对于所述准直镜组的位置调节。

在一可选实施例中，所述第一沉台为圆形第一沉台或杯形第一沉台。

在一可选实施例中，所述视场光阑还设有位于所述第一沉台侧面和视场光阑侧面之间的至少两个螺纹通孔，所述螺纹通孔方向沿所述第一沉台径向。

在一可选实施例中，所述视场光阑面向所述狭缝的一侧还设有深度沿第一光轴方向的第二沉台，所述长方形通光口径的中心与所述第二沉台的中心对齐，且所述长方形通光口径与所述第二沉台连通。

在一可选实施例中，所述狭缝为率高于预设阈值的玻璃狭缝，所述玻璃狭缝与第一光轴方向成一预设夹角；

所述光谱仪还包括沿第二光轴依次设置的反射镜、第二成像镜组和第二探测器；

所述反射镜设置于所述玻璃狭缝入射面一侧且能接收所述玻璃狭缝的反射光，所述反射镜用于将所述玻璃狭缝的反射光二次反射至第二成像镜组；

所述第二成像镜组用于将所述反射镜的反射光成像至所述第二探测器的接收面上。

在一可选实施例中，所述色散元件为透射光栅。

在一可选实施例中，所述光谱仪还包括：箱体；

所述箱体包括：

L型支撑板，包括用作所述箱体的左侧板和底板，所述左侧板和底板一体成型为L形；

安装于所述L型支撑板前、后两侧的前侧板、后侧板；

安装于所述L型支撑板上侧的上侧板；

安装于所述左侧板对侧的右侧板；

其中，所述狭缝安装于所述L型支撑板的左侧板上，所述视场光阑、准直镜组、色散元件、第一成像镜组和第一探测器依次安装于所述L型支撑板的底板上。

在一可选实施例中，所述L型支撑板为金属材料，所述前侧板、后侧板、上侧板、右侧板为金属材料或复合材料。

在一可选实施例中，所述箱体通过一体压铸或3D打印或模型浇筑成型。

本实用新型实施例提供的一种光谱仪，在狭缝和准直镜组之间设置位置可调的视场光阑，通过调整视场光阑与狭缝的方位关系以及与准直镜前端面的距离，该结构可以精确与光路匹配，实现精确的视场光阑功能，降低了通光口径的加工精度，通过简单调节，即可以实现精确的视场光阑功能，可以显著增强探测像面信号的一致性，并降低了系统杂散光，能够解决现有的非成像光谱仪性能较低的问题，在不明显增加成本的前提下，本实用新型所提供的方案显著提高了光谱仪的核心光学性能。此外，本实用新型通过进一步设置一体化的L型支撑板来安装光谱仪的各组成元器件，提高了系统的稳定性。进一步地，本实用新型通过设置用于对接多种第一探测器的通用镜头接口，进一步增强了系统的可扩展性。本实用新型提供的光谱仪能够更加灵活的适应于多种应用场景，对于推进光谱分析与高光谱成像分析的大规模工业应用具有实际可操作价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种光谱仪的光路结构示意图；

图2为本实用新型的实施例提供的视场光阑的剖视图；

图3为图1中视场光阑的左视图；

图4为本实用新型的实施例提供的通过高反射玻璃狭1实现的光谱分析与成像检测的双通道示意图；

图5为本实用新型实施例提供的光谱仪的整体结构示意图；

图6为图5中箱体7的结构示意图；

图7为图6中L型支撑板71的主视图；

图8为图6中L型支撑板71的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例一种光谱仪进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的一种光谱仪的光路结构示意图，如图1中所示，本实用新型实施例提供的光谱仪包括：沿第一光轴方向8依次设置的狭缝1、视场光阑2、准直镜组3、色散元件4、第一成像镜组5和第一探测器6，其中，所述视场光阑2相对于所述第一成像镜组的位置可调。

例如，可以将视场光阑设置于一与滑轨配合连接的滑块上，所述滑轨方向沿光路方向设置，则通过调节滑块在滑轨上的位置实现视场光阑2相对于所述准直镜组3的位置调节。或者，也可以采用其他机械结构调节视场光阑2相对于准直镜组3的位置。

在一可选实施例中，如图2和图3中所示，视场光阑2中心设有长方形通光口径21。

优选地，如图2和图3中所示，视场光阑2面向准直镜组3的一侧中心还设有深度沿第一光轴方向的第一沉台22，所述第一沉台22与长方形通光口径21连通；第一沉台23的横截面(垂直于第一光轴的平面)外形尺寸与准直镜组3的横截面外形尺寸相适应，准直镜组3的前端套于第一沉台23内，通过调节准直镜组3的前端套于所述第一沉台23内的深度实现视场光阑2相对于准直镜组3的位置调节。

优选地，所述第一沉台23为圆形第一沉台(如图2和图3中所示)或杯形第一沉台。当第一沉台23为圆形第一沉台时，第一沉台23的直径与准直镜组3的圆形前端的圆形外径具有上公差，以便准直镜组3的圆形前端套入第一沉台23内并可前后移动调整。当第一沉台23为杯形第一沉台时，杯口方向可以套在准直镜组3的前端。

上述技术方案中，通过调整视场光阑2与狭缝1的方位关系(使二者严格平行)以及与准直镜组3前端面的距离，该结构可以精确与光路匹配，通过简单调节，即可实现精确的视场光阑功能，可以显著增强探测像面信号的一致性，并降低了系统杂散光。

优选地，视场光阑2还设有位于所述第一沉台23侧面和视场光阑2侧面之间的至少2个螺纹通孔24，所述螺纹通孔24的长度方向沿所述第一沉台径向。显然，通过在螺纹通孔24中安装螺栓，可以通过螺栓夹持住套在第一沉台23内的准直镜组3的前端镜筒，从而固定视场光阑2相对于准直镜组3的位置，提高视场光阑2和准直镜组3的连接稳定性。

进一步地，如图2和图3中所示，视场光阑2面向所述狭缝1的一侧还设有深度沿第一光轴方向的第二沉台23，长方形通光口径21的中心与第二沉台23的中心对齐，且长方形通光口径21与第二沉台23连通。优选地，第二沉台23到的口径小于第一沉台22的口径。本实施例中，通过设置第二沉台23，可以增大视场光阑2在长方形通光口径21一侧的厚度，尤其在长方形通光口径21沿第一光轴方向的所需长度较小时，能够提高视场光阑2的结构稳定性，此外，长方形通光口径21一侧的第二沉台23设计，降低了对通光口径的加工精度要求，降低了生产成本。

在一可选实施例中，狭缝1为反射率高于预设阈值(例如95％)的玻璃狭缝。如图4中所示，所述玻璃狭缝1与第一光轴方向8成一预设夹角，所述光谱仪还包括沿第二光轴9依次设置的反射镜10、第二成像镜组20和第二探测器30；其中，反射镜10设置于玻璃狭缝1的入射面一侧且能接收玻璃狭缝1的反射光，反射镜10用于将所述玻璃狭缝1的反射光二次反射至第二成像镜组20的入射面上；第二成像镜组20用于将反射镜10的反射光成像至第二探测器30的接收面上。其中，所述预设夹角为一个较小的角度，可以避免反射光原路返回，小角度可以用于引导反射光进入成像光路分支，用于成像光路设计。本系统采用高反射玻璃狭缝替代传统的金属狭缝，在保证狭缝核心性能的同时，玻璃狭缝作为光谱仪器等玻璃窗，实现了系统的密闭性，有利于避免环境中灰尘等异物对狭缝对损伤。此外，高反射玻璃狭缝除狭缝通光口径外，其余部分对入射光高反，当高反射玻璃狭缝1倾斜放置一个较小的角度时，除通过狭缝1进入光谱仪的光外，其余被高反射玻璃狭缝1反射的光可以通过反射镜10反射到第二成像镜组20，经第二成像镜组20成像到第二探测器30的接收面上，实现光谱分析与成像检测的双通道设计。本实施例中，高反射玻璃狭缝不同于半反半透元件，能够实现双光路保证光谱通道能量无任何损失，并且光谱通道与成像通道波段范围一致。

优选地，本实用新型提供的光谱仪中的色散元件4为透射光栅，即本实用新型提供的是基于透射光栅的光谱仪。

图5所示为本实用新型实施例提供的光谱仪的整体结构示意图，图5中所示光谱仪在图1的基础上，还包括箱体7。优选地，如图6中所示，箱体7包括：

L型支撑板71，如图7和图8中所示，L型支撑板71包括用作所述箱体的左侧板711和底板712，左侧板711和底板712一体成型为L形；

安装于L型支撑板71前、后两侧(图5所示平面垂直向外、向内侧)的前侧板、后侧板(图中未示出)；

安装于L型支撑板71上侧的上侧板72；

安装于左侧板711对侧的右侧板73；

其中，狭缝1安装于所述L型支撑板71的左侧板711上，视场光阑2、准直镜组3、色散元件4、第一成像镜组5和第一探测器6依次安装于所述L型支撑板1的底板712上。

图5所示实施例中，入射狭缝1为整个系统的基准，如果入射狭缝1的位置发生变差，将会严重影响系统性能。一方面，L型支撑板71的结构可以明显提高光谱仪各元器件之间的位置稳定性，另一方面，L型支撑结构降低了机械加工成本。更为重要的是，L型支撑结构在提供稳定的系统基准点的同时，提供了开放的后部结构，非常便于系统内部的精确装调。图5所示光谱仪在降低机械加工成本的条件下，提供了便利的系统内部精确装调结构，并提高了系统光学性能稳定性。

优选地，所述L型支撑板71为金属材料，而前侧板、后侧板、上侧板、右侧板不限于金属材料，优选为塑料等复合材料，可以降低光谱仪的成本与重量。

优选地，箱体7可以通过一体压铸或3D打印或模型浇筑成型。

在一可选实施例中，L型支撑板71上设有用于对接多种第一探测器的通用镜头接口，第一探测器6通过所述通用镜头接口与所述L型支撑板71连接。本实施例中，通过光学系统优化与设计，消除了像面的倾角(带有倾角的第一探测器6的方位)，使第一探测器6可以与第一光轴保持垂直。此外，通用镜头接口的设计在保证充足的第一成像镜组5的后焦距(第一成像镜组5和第一探测器6之间的间距)的同时使系统可以实现仪器与不同第一探测器进行快速匹配适应，例如通用镜头接口可以为C-口镜头接口、CS-口镜头接口等，增加了光谱仪器的灵活性，使用户可以根据性能需求与预算成本选用不同的第一探测器。

本实用新型根据成像光谱技术在大规模工业应用中需求，在不增加成本的情况下，提出了光谱仪的具体设计方案，在降低高性能成像光谱仪的开发成本的同时，提高了光谱仪的光学性能并增强了系统稳定性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光谱仪，包括沿第一光轴方向依次设置的狭缝、准直镜组、色散元件、第一成像镜组和第一探测器，其特征在于，还包括：设置于所述狭缝和准直镜组之间的视场光阑；所述视场光阑相对于所述第一成像镜组的位置可调；所述视场光阑中心设有长方形通光口径。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述视场光阑面向所述准直镜组的一侧中心还设有深度沿第一光轴方向的第一沉台，所述第一沉台与所述长方形通光口径连通；

所述第一沉台的横截面外形尺寸与所述准直镜组的横截面外形尺寸相适应，所述准直镜组的前端套于所述第一沉台内，通过调节所述准直镜组的前端套于所述第一沉台内的深度实现所述视场光阑相对于所述准直镜组的位置调节。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述第一沉台为圆形第一沉台或杯形第一沉台。

4.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述视场光阑还设有位于所述第一沉台侧面和视场光阑侧面之间的至少两个螺纹通孔，所述螺纹通孔方向沿所述第一沉台径向。

5.根据权利要求2-4任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述视场光阑面向所述狭缝的一侧还设有深度沿第一光轴方向的第二沉台，所述长方形通光口径的中心与所述第二沉台的中心对齐，且所述长方形通光口径与所述第二沉台连通。

6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述狭缝为入射面的反射率高于预设阈值的玻璃狭缝，所述玻璃狭缝与第一光轴方向成一预设夹角；

所述光谱仪还包括沿第二光轴依次设置的反射镜、第二成像镜组和第二探测器；

所述反射镜设置于所述玻璃狭缝入射面一侧且能接收所述玻璃狭缝的反射光，所述反射镜用于将所述玻璃狭缝的反射光二次反射至第二成像镜组；

所述第二成像镜组用于将所述反射镜的反射光成像至所述第二探测器的接收面上。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散元件为透射光栅。

8.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：箱体；

所述箱体包括：

L型支撑板，包括用作所述箱体的左侧板和底板，所述左侧板和底板一体成型为L形；

安装于所述L型支撑板前、后两侧的前侧板、后侧板；

安装于所述L型支撑板上侧的上侧板；

安装于所述左侧板对侧的右侧板；

其中，所述狭缝安装于所述L型支撑板的左侧板上，所述视场光阑、准直镜组、色散元件、第一成像镜组和第一探测器依次安装于所述L型支撑板的底板上。

9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述L型支撑板为金属材料，所述前侧板、后侧板、上侧板、右侧板为金属材料或复合材料。

10.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述箱体通过一体压铸或3D打印或模型浇筑成型。

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