CN110108357A - 便携式宽波段微型连续光谱测量仪 - Google Patents
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Abstract
便携式宽波段微型连续光谱测量仪，属于光谱仪器技术领域。本发明为了解决无法适应于对环境问题进行监测，需要能够满足方便携带安装以及光谱测量范围广的要求的问题；本发明导光光纤输出的光线的输出路线上依次布置有入射狭缝、准直透镜、散色元件、聚焦元件和光度探测器，所示准直透镜具有相对布置的第一侧面和第二侧面，第一侧面为平面结构，第二侧面向外侧凸起呈弧面，且第二侧面上开有若干同心环形凸起纹理，所述同心环形凸起纹理纵截面呈现锯齿状，满足宽波段要求，缩小了光谱仪的体积，具有搭载性强、测量精确度高的优点。
Description
技术领域
一种光谱测量仪，属于光谱仪器技术领域，具体涉及便携式宽波段微型连续光谱测量仪。
背景技术
光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，一般的光谱仪能够通过分析被测样品所作用的近紫外光—可见光谱或者近红外光—可见光谱，以达到对被测样品物质成分定性或定量的分析，是光学实验室常用的光谱分析仪器之一。随着光栅单色器的发展，采用光栅单色器的光谱仪具有波长精度高，单色性好，杂散光低等优点，广泛应用于医药卫生，临床检验，生物化学、石油化工、环境保护、质量评估等部门。
光谱仪又称为分光光度计，其基本工作原理是将复合光束分解为按波长连续排列的单色光后，进行光谱测量分析。在对物质进行成分分析时，物质的不同成分对单色光的吸收各不相同，即不同成分的物质存在不同的吸收光谱，利用光谱仪的工作原理，通过测量光通过溶液后的光谱特性，和标样光强进行对比，来分析物质的成分；在对各类光源(如养殖灯、工矿灯、舞台灯等)检测领域，主要是根据不同的昆虫、植被、施工现场及舞台对光源的强度、光色的不同要求，利用光谱仪对现场照明情况进行分析，以达到照明系统适用于不同昆虫、植被、施工及舞台现场的要求，如有些昆虫对进紫外光比较敏感，可以测量紫外光线是否满足其要求，红外线在正常范围内,能促进茎的伸长生长和种子的萌发，可以测量现场的红外线范围是否满足其生长要求。
光谱仪能够将复杂的光信号分解为不同波长的光谱序列，进而对物质的成分、浓度和结构等方面的信息进行分析，而且还可以对不同光源的显色特性及人工农场中的光色分布情况进行评估，以合理配置适合于不同的动植物生长的养殖环境，因此光谱仪被广泛应用于冶金、地质、生产养殖等领域。近年来，随着社会对环境监测、食品及药品安全等民生领域的重视程度的迅速发展，光谱仪的使用范围也迅速扩大，但是由于目前传统光谱仪体积较大、光谱测量范围较窄等因素的影响，导致无法适应于对环境问题进行监测，需要能够满足方便携带安装以及光谱测量范围广的要求。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本申请提出了便携式宽波段微型连续光谱测量仪，满足宽波段要求，缩小了光谱仪的体积，具有搭载性强、测量精确度高的优点。
便携式宽波段微型连续光谱测量仪，包括导光光纤，导光光纤输出的光线的输出路线上依次布置有入射狭缝、准直透镜、散色元件、聚焦元件和光度探测器，所示准直透镜具有相对布置的第一侧面和第二侧面，第一侧面为平面结构，第二侧面向外侧凸起呈弧面，且第二侧面上开有若干同心环形凸起纹理，所述同心环形凸起纹理纵截面呈现锯齿状。
进一步的，每个环形凸起纹理的角度与其相邻凸起纹理的角度不同。
进一步的，所述聚光元件为球面聚光镜。
进一步的，所述聚光元件为聚焦球面反光镜。
进一步的，所述色散元件色散光栅。
进一步的，所述色散光栅为1200/mm的闪耀光栅。
进一步的，所述光度探测器为3648像素线阵CCD。
本申请与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明的准直透镜作为光纤准直元件，相比于球面准直反光镜而言进一步简化了光路结构，便于压缩光路，缩小了光谱仪的体积，减轻了光谱仪的重量，降低光谱仪的功耗；
2、本发明的光谱仪可以快速收集光谱测量，具有预期的工业和商业应用的相当高的精确度；如图5所示，a图是预期达到的测量目标，本发明可以精确测量的波长范围为(200nm-1000nm)，b图是一般光谱仪测量的精度范围，其可以准确测量的波长范围为(380nm-780nm)；图5a图与图5b图相比，测量的波段较宽，而且测量的光谱是连续的，故称为宽波段连续光谱测量仪。
3、本申请的光谱仪体积小，适用范围广泛，操作员可以灵活的在不同现场下对不同的被测对象进行光谱测量分析，而且还可以将其搭载在其他设备载体远程对不同现场的色光数据进行采集，然后综合分析某个场合的光色分布情况。基于本发明的结构和透镜的选择，能够实现光谱仪体积小便于搭载的功能；基于本发明线阵CCD和闪耀光栅的选择，由于本专利所选择的比传统光栅及一般线阵CCD探测器的色散和采集能力强约一个量级，能够实现快速采集的功能。
附图说明
图1是本发明实施例一光路结构示意图；
图2是本发明实施例二国光路结构示意图；
图3是本发明实施例光栅结构示意图，图3a为散射光栅的整体结构示意图，图3b为散射光栅垂直于刻线截面示意图；
图4是本发明实施例的准直透镜的结构示意图，图4a为准直透镜的整体结构示意图，图4b为图4a的剖切面结构示意图，图4c为菲涅尔透镜TracePro仿真图；
图5是本发明光谱测量预期仿真结果图与普通光谱仪测量结果图的对比图，其中，图5a为本发明光谱预测方针结果图，图5b为普通光谱仪测量结果图；
图中，1、导光光纤，2、入射狭缝，3、准直透镜，4、色散元件，5、球面聚光镜，51、聚焦球面反光镜6、光度探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的实施例进行进一步描述。
实施例一：便携式宽波段微型连续光谱测量仪，如图1所示，包括导光光纤1，导光光纤1输出的光线的输出路线上依次布置有入射狭缝2、准直透镜3、散色元件、聚焦元件和光度探测器6；
所示准直透镜3具有相对布置的第一侧面和第二侧面，第一侧面为平面结构，第二侧面向外侧凸起呈弧面，且第二侧面上开有若干同心环形凸起纹理，所述同心环形凸起纹理纵截面呈现锯齿状。
进一步的，每个环形凸起纹理的角度与其相邻凸起纹理的角度不同，菲涅尔反射、透射公式如下所示：
基于上述菲涅尔公式：rp和rs分别是振幅反射率的p分量和s分量，tp和ts分别是振幅透射率的p分量和s分量，Ei、Er和Et分别指的是入射波、反射波和透射波的电矢量，n1和n2分别指空气与透镜的折射率，θi为光波入射角。根据上述公式可得出光线入射角θi与光波透射率之间的关系，光波透射率会随着θi的增大而降低，对于空气折射率n1＝1和透镜材料直射率n2＝1.45时，入射角大于50°时透射率明显下降，故在菲涅尔透镜原理仿真时倾斜角Draft Angle和Facet Angle及的调节范围是从0°到50°；入射狭缝的角孔径为θ，故而入射光线的入射角最大不可超过θ，通过根据入射狭缝的角孔径，及菲涅尔透镜倾斜角的调整范围，对倾斜角不断调整，已到对有效光线的准直，本案例在仿真调试时发现倾斜角在θ/2左右时，准直效果能够满足当菲涅尔透镜与光纤的入射狭缝距离为d(L/3＜d＜2L/3，其中L为光谱仪的宽度)时的准直要求，确定好d之后，根据d与θ的大小，基于φ≈2*d*tan(θ/2)的近似关系确定，菲涅尔透镜的直径φ的大小。本发明的压缩光路也就体现在基于上述基于本发明的L和θ的要求对菲涅尔透镜的设计。如上可以根据体积压缩之后要求的L(本发明理论L为80mm，后续将对进一步降低L进行研究)和θ的大小并结合菲涅尔原理，来求出菲涅尔透镜的直径、倾斜角以及在光谱仪中的位置参数。
进一步的，所述聚光元件为球面聚光镜5，将球面聚光镜5放置在光度探测器6与散射元件4之间，将散射后的光线进行聚焦，然后成像在光度探测器6上，其特征在于次结构简化了光路，可以有效的压缩整个光路结构，缩小光谱仪的体积。
如图3所示，本实施例根据色散光栅，是一种多狭缝元件，光栅光谱的产生是单狭缝衍射和多狭缝干涉两者联合作用的结果，单狭缝衍射决定谱线的强度分布，多狭缝干涉决定谱线出现的位置。
本实施例基于体积的要求采用色散光栅为1200/mm，长度为100mm的闪耀光栅，可从作为光学元件从市场上买到，或者找代工厂定制，采用光度探测器6为3648像素线阵CCD，采用了增强型线阵CCD和散射光栅作为光度采集及色散的核心器件，比传统光栅及一般线阵CCD探测器的色散和采集能力强约一个量级，可以在保证散射率不变的条件下压缩光路，大大缩小了光谱仪的体积，使光谱仪便于携带和灵活在不同载体上搭载使用满足了光谱仪宽波段要求；
本实施例的工作过程为：信号光由一个标准的光纤接口1将光线由入射狭缝2导入此光学平台，先通过准则透镜3将导入的光线进行准直，然后由色散元件4将准直后的光线进行散射，再经由第二块球面镜5聚焦后，最后所得到的光谱的像就被透射到光度探测器6上，得到光谱所需的光谱数据。
实施例二：如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于进一步的，所述聚光元件为聚焦球面反光镜51，通过将色散后的光线，反射聚焦到光度探测器6上，即可以有效的压缩整个光路结构，缩小光谱仪的体积，又充分利用了光谱仪的剩余空间，扩大了成像范围有利于CCD对光色信号的采集。
为了达到光路压缩和体积减小的效果，在已知现有光栅方程的基础上，根据光谱仪的放大率和水平放大倍数的要求，通过优化光路结构来提高光学元件的光收集能力和计算入射臂和出射臂的长度。
光线在入口狭缝处的成像放大率满足如下关系式：
基于水平放大倍数的要求，并根据其与光谱带宽的关系可得下式：
其中m为放大率，s为光源面积，s′为光源像面积，f为孔径比，NA为数值孔径，w′为入射狭缝像宽度，w为入射狭缝的宽度，α为入射角，β为出射角，LA为入射臂的长度，LB为出射臂的长度，基于上述公式可以根据光谱仪体积压缩后的放大率及水平放大倍数的要求，来求得各个参数的合理大小。
本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。
Claims (7)
1.便携式宽波段微型连续光谱测量仪，包括导光光纤，其特征在于：导光光纤输出的光线的输出路线上依次布置有入射狭缝、准直透镜、散色元件、聚焦元件和光度探测器，所示准直透镜具有相对布置的第一侧面和第二侧面，第一侧面为平面结构，第二侧面向外侧凸起呈弧面，且第二侧面上开有若干同心环形凸起纹理，所述同心环形凸起纹理纵截面呈现锯齿状。
2.根据权利要求1所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：每个环形凸起纹理的角度与其相邻凸起纹理的角度不同。
3.根据权利要求1所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：所述聚光元件为球面聚光镜。
4.根据权利要求1所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：所述聚光元件为聚焦球面反光镜。
5.根据权利要求1所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：所述色散元件色散光栅。
6.根据权利要求5所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：所述色散光栅为1200/mm的闪耀光栅。
7.根据权利要求1所述便携式宽波段微型连续光谱测量仪，其特征在于：所述光度探测器为3648像素线阵CCD。
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