一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置的制作方法

本发明涉及光学仪器技术领域，特别是涉及一种消杂散光的光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置。

背景技术：

光纤光谱仪在颜色测量、水质监测、珠宝鉴定、led测量等诸多领域具有广泛的应用，而工作波段范围和分辨率是光纤光谱仪中最重要的性能参数，但是在光纤光谱仪中宽波段和高分辨率是一对固有矛盾，常规的光纤光谱仪无法获取宽波段和高分辨率的光谱信息，这一矛盾制约着光纤光谱仪性能的提升，也限制了光纤光谱仪的进一步推广和应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置，以获取宽波段的光谱信息，同时保证高的光谱分辨率。

第一方面，本发明实施例中提供一种光纤光谱仪，其包括：光纤接头、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、柱面镜、滤光片以及线阵探测器；首先由所述光纤接头进入所述入射狭缝的光，经所述准直镜反射成平行光，然后平行光入射到所述光栅上，所述光栅产生衍射光，之后再由所述聚焦镜对衍射光进行汇聚，而后经由所述柱面镜以消除像散以及所述滤光片滤除二级光谱，最后成像到所述线阵探测器上。

可选地，所述光纤光谱仪采用切尼-特纳czerny-turner光路结构，所述光纤光谱仪设有收容腔，所述准直镜为凹面反射镜，所述聚焦镜为凹面反射镜，所述入射狭缝位于所述收容腔的前侧内壁上，所述光栅位于所述入射狭缝上方。

可选地，所述准直镜位于所述收容腔的后下侧，所述聚焦镜位于所述准直镜的上方。

可选地，所述柱面镜位于所述光栅的前上方，所述滤光片位于所述柱面镜前面，所述线阵探测器位于所述滤光片前方。

可选地，还包括第一光阑、第二光阑及第三光阑，所述第一光阑设于所述光栅前方与所述光栅连接，所述第二光阑设于所述准直镜上方与所述准直镜连接，所述第三光阑设于所述收容腔的上侧内壁，且所述第三光阑设于所述线阵探测器与所述聚焦镜之间。

可选地，还包括导胶槽、光栅调整组件、成像镜调整组件和探测器调整组件，所述准直镜设于所述导胶槽上，所述光栅调整组件与所述光栅连接，所述成像镜调整组件与所述聚焦镜连接，所述探测器调整组件与所述线阵探测器连接。

第二方面，本发明提供一种多通道光纤光谱仪装置，包括：至少两个所述光纤光谱仪，两个所述光纤光谱仪的输出波段不同且存在一段光谱重叠区域，通过数据处理拼接光谱，使整个所述多通道光纤光谱仪装置实现宽波段的输出。

可选的，两个所述光纤光谱仪通过一分多光纤并联，使得每一个所述光纤光谱仪的入射光是相同的。

可选的，每一个所述光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每一个所述光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

可选的，所述多通道光纤光谱仪装置设有总控制电路，用于调控任意一个所述光纤光谱仪的工作状态，每一个所述光纤光谱仪都设有独立控制电路，用于独立运行。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、所述多通道光纤光谱仪装置，包括多个结构类似、输出波段不同的所述光纤光谱仪，每一所述光纤光谱仪包括光纤接头、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、柱面镜、滤光片、线阵探测器，由光纤接头进入入射狭缝的光，经准直镜反射成平行光，入射到光栅上，再由聚焦镜对光栅产生的衍射光进行汇聚，经由柱面镜消除像散、滤光片滤除二级光谱后成像到线阵探测器上。每一个所述光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每一个所述光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm，任意两个相邻所述光纤光谱仪的输出波段不同且存在一段光谱重叠区域，通过数据处理拼接光谱，使整个所述多通道光纤光谱仪装置实现宽波段的输出。

2、所述光纤光谱仪采用切尼-特纳czerny-turner光路结构，光路优化过程通过合理设置所述准直镜和所述聚焦镜的偏心角度，消除中心波长的彗差，从而平衡边缘波长的彗差，使整个输出波段像质均匀。

3、所述光纤光谱仪的光路中，使用了所述柱面镜来消除像散，所述滤光片来滤除二级光谱，所述滤光片根据每一个所述光纤光谱仪要输出的具体波段的情况，选择高通滤光片、低通滤光片或者带通滤光片。

4、所述光栅调整组件可以调整所述光栅的转角与俯仰，所述成像镜调整组件可以调整所述聚焦镜的俯仰与平移，所述探测器调整组件可以调整所述线阵探测器的平移，通过所述光栅调整组件、所述成像镜调整组件以及所述探测器调整组件，可以使得所述光纤光谱仪形成多种不同的相似结构，输出不同的波段，以此使得多个结构类似、输出波段不同的所述光纤光谱仪组成所述多通道光纤光谱仪装置。

附图说明

图1为本发明一个实施例的光纤光谱仪的光路结构示意图；

图2为本发明一个实施例的光纤光谱仪的详细内部结构示意图；

图3为本发明的多通道光纤光谱仪装置的整体结构示意图。

附图标记：通道一1；通道二2；通道三3；通道四4；通道五5；光纤接头6；总控制电路箱7；把手8；入射狭缝10；准直镜11；光栅12；聚焦镜13；柱面镜14；滤光片15；线阵探测器16；第一光阑17；第二光阑18；第三光阑19；导胶槽20；光栅调整组件21；成像镜调整组件22；探测器调整组件23。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参看图1，为本发明的光纤光谱仪的光路结构，所述光纤光谱仪采用切尼-特纳czerny-turner光路结构。所述光纤光谱仪包括：光纤接头6、入射狭缝10、准直镜11、光栅12、聚焦镜13、柱面镜14、滤光片15以及线阵探测器16。首先由所述光纤接头6进入所述入射狭缝10的光，经所述准直镜11反射成平行光，然后平行光入射到所述光栅12上，所述光栅12产生衍射光，之后再由所述聚焦镜13对衍射光进行汇聚，而后经由所述柱面镜14以消除像散以及所述滤光片15滤除二级光谱，最后成像到所述线阵探测器16上。所述光纤光谱仪的光路优化过程通过合理设置所述准直镜11和所述聚焦镜13的偏心角度，以消除中心波长的彗差，从而平衡边缘波长的彗差，使整个输出波段像质均匀。所述准直镜11的偏心角度是指所述准直镜11反射面的法线与所述准直镜11入射光的夹角。所述聚焦镜13的偏心角度是指所述聚焦镜13反射面的法线与所述聚焦镜13入射光的夹角。所述柱面镜14用来消除像散，所述滤光片15用来滤除二级光谱，所述滤光片15可以根据所述光纤光谱仪要输出的具体波段的情况，选择高通滤光片15、低通滤光片15或者带通滤光片15。

请参看图2，为本发明一个实施例的所述光纤光谱仪的详细内部结构，所述光纤光谱仪设有收容腔，所述准直镜11为凹面反射镜，所述聚焦镜13为凹面反射镜，所述入射狭缝10位于所述收容腔的前侧内壁上，所述光栅12位于所述入射狭缝10上方。所述准直镜11位于所述收容腔的后下侧，所述准直镜11的一部分位于所述光栅12后下方。所述聚焦镜13位于所述准直镜11的上方，且所述聚焦镜13与所述准直镜11位于所述收容腔的同一侧。所述柱面镜14位于所述光栅12的前上方，所述滤光片15位于所述柱面镜14前面，所述滤光片15与所述柱面镜14在所述收容腔上下方向的高度相等。所述线阵探测器16位于所述滤光片15前方。

请参看图2，所述光纤光谱仪还包括第一光阑17、第二光阑18以及第三光阑19。所述第一光阑17设于所述光栅12前方与所述光栅12连接，所述第二光阑18设于所述准直镜11上方与所述准直镜11连接，所述第三光阑19设于所述收容腔的上侧内壁，且所述第三光阑19设于所述线阵探测器16与所述聚焦镜13之间。所述第一光阑17、所述第二光阑18、所述第三光阑19都是用于消除杂散光。通过杂散光模拟，确定所述光纤光谱仪内部的杂散光分布情况，对杂散光聚集较严重的区域设置光阑，以消除杂散光，阻止杂散光通过反射直接进入所述线阵探测器16。所述第一光阑17、所述第二光阑18、所述第三光阑19的沟槽结构可以增加杂散光的反射次数，从而使的杂散光可以被所述第一光阑17、所述第二光阑18、所述第三光阑19以及仪器内壁上涂有的消光漆吸收，有效地降低所述光纤光谱仪杂散光水平。

请参看图2，所述光纤光谱仪还包括光栅调整组件21、成像镜调整组件22和探测器调整组件23，所述光栅调整组件21与所述光栅12连接，所述成像镜调整组件22与所述聚焦镜13连接，所述探测器调整组件23与所述线阵探测器16连接。所述光栅调整组件21可以调整所述光栅12的转角与俯仰，所述成像镜调整组件22可以调整所述聚焦镜13的俯仰与平移，所述探测器调整组件23可以调整所述线阵探测器16的平移，这样可以保证所述探测器调整组件23只需设置平移量调整，从而降低所述光纤光谱仪的装调难度。通过所述光栅调整组件21、所述成像镜调整组件22以及所述探测器调整组件23，可以使得所述光纤光谱仪形成多种不同的相似结构，输出不同的波段。

在其中的一个实施例中，所述光纤光谱仪还包括导胶槽20，所述准直镜11设于所述导胶槽20上，所述导胶槽20可以增加光所述准直镜11胶粘的牢固度，从而保证仪器性能的稳定。所述准直镜11的装配精度通过机械加工保证，所述准直镜11的镜座不设调整量。

在其中的一个实施例中，所述光栅12和所述聚焦镜13也通过胶粘方式固定。

在其中的一个实施例中，所述光纤光谱仪的光学元件均采用胶粘方式固定。

请参看图2及图3，多通道光纤光谱仪装置的整体结构，所述多通道光纤光谱仪装置包括通道一1、通道二2、通道三3、通道四4、通道五5、光纤接头6(电源接头与usb接头位于装置背面，图中未示出)、总控制电路箱7和把手8。所述五个光谱通道对应五个所述光纤光谱仪，五个所述光纤光谱仪通过一分五光纤并联，使得光信号通过一分五光纤均分到五个光谱通道中。通道一1的输出波段范围为190nm-275nm、通道二2的输出波段范围为270nm-350nm、通道三3的输出波段范围为346nm-419nm、通道四4的输出波段范围为414nm-515nm、通道五5的输出波段范围为510nm-603nm。每一个所述光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每一个所述光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

请参看图2及图3，所述光栅调整组件21可以调整所述光栅12的转角与俯仰，所述成像镜调整组件22可以调整所述聚焦镜13的俯仰与平移，所述探测器调整组件23可以调整所述线阵探测器16的平移，可以使得所述光纤光谱仪形成多种不同的相似结构，输出不同的波段，以此使得五个所述光纤光谱仪可以分别针对不同波段范围色散。所述多通道光纤光谱仪装置设有总控制电路，可以调控每一个所述光纤光谱仪的工作状态。每一个所述光纤光谱仪的光谱通过数据线传输到计算机中，用专门的数据处理软件将各个光谱拼接，从而获得入射光的宽波段高分辨率的光谱。

五个所述光纤光谱仪均采用相似结构，根据不同的输出波段要求进行特定的光学设计和杂散光模拟及消除。每一个所述光纤光谱仪均设置独立控制电路，可以独立运行。

在其中一个实施例中，所述多通道光纤光谱仪装置包括两个所述光纤光谱仪，两个所述光纤光谱仪的输出波段不同且存在一段光谱重叠区域，通过数据处理拼接光谱，使整个所述多通道光纤光谱仪装置实现宽波段的输出。两个所述光纤光谱仪通过一分多光纤并联，使得每一个所述光纤光谱仪的入射光是相同的。每一个所述光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每一个所述光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

所述多通道光纤光谱仪装置中的所述光纤光谱仪的数量可以根据输出波段范围和分辨率的需求灵活设置。

在其中一个实施例中，每一个所述光纤光谱仪设计时追求更高的光谱分辨率，输出波段范围的不足，通过每一个所述光纤光谱仪内部可以增加光谱通道来弥补。

本发明的所述多通道光纤光谱仪装置，通过设计不同窄波段范围的高分辨率的所述光纤光谱仪，并将其有机结合起来的方式，获取宽波段高分辨率的光谱信息。所述光纤光谱仪的光路设计消除中心波长彗差，并引入柱面镜14消除像散，保证了光学系统性能。对所述光纤光谱仪的光路进行杂散光模拟，并有针对性的设置光阑，消除杂散光，保证仪器信噪比。本发明的多通道光纤光谱仪装置具有结构紧凑、低杂散光、高光谱分辨率、宽工作波段和高信噪比的特点。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。