一种光谱仪及光谱检测设备的制作方法

本发明的实施例涉及物质检测技术，尤其涉及一种光谱仪及光谱检测设备。

背景技术：

当前的光谱检测设备通常有探头和光谱仪组成，其中，光谱仪基本都是基于反射结构或普通透镜组(镜头)的透射结构形成，基于反射结构的光谱仪实现原理如下：光谱仪对探头传输的光进行空间滤波后进行如下处理，准直反射镜将光准直然后入射到光栅进行分光，聚焦反射镜把光栅分开的光谱聚焦到传感器表面；基于普通透镜组(镜头)结构的光谱仪实现原理如下：光谱仪对探头传输的光进行空间滤波后进行如下处理，准直透射镜组(镜头)将光准直然后入射到光栅进行分光，聚焦透射镜组(镜头)把光栅分开的光谱聚焦到传感器表面。

对于反射式结构光谱仪，整个光谱仪器中主要优化参数为反射镜的曲率和角度，光栅的角度等5个参数，变量太少，为了校正像差，只能牺牲光能量，增大F数，一般反射式光谱仪F数为F/4，反射式光谱仪带来的问题为:调整机构复杂，光路交叉或有共用空间，不便于模块化设计，导致体积和重量不能缩小；此外反射镜焦距不好调节，造成生产效率低；优化变量少，不能有效校正像差，不容易提高分辨率；F数大，光能量小，光谱仪灵敏度低，检测速度慢。

对于透射式普通透镜组/镜头来说，透镜组/镜头的焦距小于整个镜头桶长度，由于光谱仪的体积限制，镜头选用的焦距较小造成分辨率低、传感器相面不能充分利用。

总之，现有技术不利于光谱仪的小型化，光谱仪的灵敏性、光谱分辨率以及光谱测量范围受体积限制严重。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种光谱仪及光谱检测设备，更加有利于光谱仪的小型化，此外与现有技术相比，更小体积既能够获得与现有技术相同或更高的灵敏性，同时提高了光谱分辨率和光谱测量范围。

第一方面，提供一种光谱仪，包括：

空间滤波器件、分光器件、设置于所述分光器件的光波输入光路上的准直组件、以及设置于所述分光器件的光波输出光路上的聚焦组件、传感器；其中，所述准直组件设置于所述空间滤波器件和所述分光器件之间，所述聚焦组件设置于所述分光器件和所述传感器之间；所述空间滤波器件，用于对探头输出的光波空间滤波，并以预定散射角度射出；所述准直组件，用于对所述空间滤波器输出的光波进行准直，并输出；所述分光组件，用于对所述准直组件输出的光波按照波长进行衍射，并输出；所述聚焦组件，用于将所述分光组件输出的光波聚焦分光，并输出；所述传感器用于接收所述聚焦组件输出的光波，并生成对应的光谱；其中，所述准直组件还用于在第一焦距范围内调整所述分光器件的光波入射光路上的光波的焦距，所述准直组件的入射面与出射面之间的距离小于所述准直组件的最小系统焦距；和/或，所述聚焦组件还用于在第二焦距范围内调整所述分光器件的光波出射光路上的光波的焦距，所述聚焦组件的入射面与出射面之间的距离小于所述聚焦组件的最小系统焦距。

第二方面，提供一种光谱检测设备包括：探头和上述任一光谱仪；所述探头用于向被检测样品发射光波，并接收所述被检测样品的反射光波，并将所述反射光波发射至所述光谱仪。

在上述方案中，光谱仪包括空间滤波器件、分光器件、设置于所述分光器件的光波输入光路上的准直组件、以及设置于所述分光器件的光波输出光路上的聚焦组件、传感器；其中，准直组件设置于空间滤波器件和所述分光器件之间，聚焦组件设置于分光器件和传感器之间；空间滤波器件能够对探头输出的光波空间滤波，并以预定散射角度射出；准直组件能够对空间滤波器输出的光波进行准直，并输出；分光组件能够对准直组件输出的光波按照波长进行衍射，并输出；聚焦组件能够将准直组件输出的光波聚焦，并输出；传感器能够接收聚焦组件输出的光波，并生成对应的光谱；此外，准直组件还用于在第一焦距范围内调整分光器件的光波入射光路上的光波的焦距，准直组件的入射面与出射面之间的距离小于准直组件的最小系统焦距；和/或，聚焦组件还用于在第二焦距范围内调整分光器件的光波出射光路上的光波的焦距，聚焦组件的入射面与出射面之间的距离小于聚焦组件的最小系统焦距；这样由于准直组件的入射面与出射面之间的距离小于准直组件的最小系统焦距和/或聚焦组件的入射面与出射面之间的距离小于聚焦组件的最小系统焦距，所以更加有利于光谱仪的小型化，此外与现有技术相比，更小体积既能够获得与现有技术相同或更高的灵敏性，同时提高了光谱分辨率和光谱测量范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光谱检测设备的结构图；

图2为本发明的另一实施例提供的一种光谱检测设备的结构图；

图3为本发明的实施例提供的一种光谱仪的结构图；

图4为本发明的另一实施例提供的一种光谱仪的结构。

具体实施方式

需要说明的是，本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

需要说明的是，本发明实施例中，“的(英文：of)”，“相应的(英文：corresponding，relevant)”和“对应的(英文：corresponding)”有时可以混用，应当指出的是，在不强调其区别时，其所要表达的含义是一致的。本申请的实施例提供的“A和/或B”应理解为单独包含“A”、单独包含“B”以及同时包含“A和B”三种情况。

本发明的实施例提供一种光谱检测设备，参照图1所示，包括：探头11和光谱仪12。探头11用于向被检测样品13发射光波，并接收被检测样品13的反射光波，并将反射光波发射至光谱仪12。本发明的实施例提供的光谱检测设备可以为拉曼光谱检测设备、红外光谱检测设备、荧光光谱检测设备、LIBs(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，激光诱导击穿光谱学)光谱检测设备等中的一种。

参照图2所示，对探头的结构和各个结构的工作原理说明如下：

探头11包括：光波发射器111、二向色片112、准直器件113、滤波组件113以及聚焦器件115；

光波发射器11用于向二向色片112发射平行光波。其中，光波发射器11可以为激光器、红外线发生器、荧光发生器等；其中为产生向二向色片112发射的平行光波，若激光器采用光纤激光器等点光源时，其发出的激光光波通过准直透镜变换为平行光波。

二向色片112用于将光波发射器11发射的平行光波反射至准直器件113。准直器件113用于将二向色片112反射的平行光波聚焦并透射至被检测样品13。准直器件113还用于接收被检测样品13的反射光波，并将反射光波准直后透射至二向色片112。其中，示例性的若进行拉曼光谱检测，则被检测样品13的反射光波为探头采集到的最初的拉曼信号，准直器件113允许通过的光波长大于光波发射器111发射的平行光波的最小光波长，这样可以对光波发射器111的生成的光波滤除，避免对拉曼信号产生干扰。二向色片112还用于透射准直器件113透射的光波至滤波组件114。滤波组件114用于对二向色片112透射的光波进行滤波，并透射至聚焦器件115；聚焦器件115用于对滤波组件透射的光波进行聚焦，并透射至光谱仪。其中，滤波组件114包括至少一个滤波片。滤波片的带通范围的最小值大于光波发射器发射的平行光波的最大波长。这样滤波片仅允许拉曼信号通过，进一步的对光波发射器111的生成的光波滤除。之后，探头11将被检测样品13的反射光波发送至光谱仪12。

参照图3所示，本发明的实施例提供一种光谱仪，包括：

空间滤波器件31、分光器件32、设置于分光器件32的光波输入光路上的准直组件33、以及设置于分光器件32的光波输出光路上的聚焦组件34、传感器35；其中，准直组件33设置于空间滤波器件31和分光器件32之间，聚焦组件34设置于分光器件32和传感器35之间。

下面对光谱仪包含的各个结构的功能说明如下：

空间滤波器件31，用于对探头输出的光波空间滤波，并以预定散射角度射出。该空间滤波器件31可以采用狭缝。

准直组件33，用于对空间滤波器31输出的光波进行准直，并输出。

分光组件32，用于对准直组件33输出的光波按照波长进行衍射，并输出。该分光器件32包括光栅。例如：平面光栅、全息体光栅，其中如图3所示，采用平面光栅时，分光器件32的光波输入光路和输出光路在平面光栅的同一侧；如图4所示，采用全息体光栅时，分光器件32的光波输入光路和输出光路分别位于全息体光栅的两侧。

聚焦组件34，用于将分光组件32输出的光波聚焦分光，并输出。

传感器35用于接收聚焦组件输出的光波，并生成对应的光谱，示例性的传感器35可以采用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS。

其中，准直组件33还用于在第一焦距范围内调整分光器件32的光波入射光路上的光波的焦距，准直组件33的入射面与出射面之间的距离小于准直组件的最小系统焦距；和/或，聚焦组件34还用于在第二焦距范围内调整分光器件的光波出射光路上的光波的焦距，聚焦组件34的入射面与出射面之间的距离小于聚焦组件的最小系统焦距。示例性的，该准直组件33可以采用准直摄远透镜组或准直摄远镜头；聚焦组件34可以采用聚焦摄远透镜组或聚焦摄远镜头。

如采用上述结构的光谱仪，在光谱仪体积不变的前提下，一种示例性的方案中，光谱仪系统焦距可以由现有技术的25mm提高到35-50mm，光谱仪的分辨率提高到现有技术的1.5-2倍，CCD有效利用面积达到原来的1.5-2倍。

在上述方案中，光谱仪包括空间滤波器件、分光器件、设置于所述分光器件的光波输入光路上的准直组件、以及设置于所述分光器件的光波输出光路上的聚焦组件、传感器；其中，准直组件设置于空间滤波器件和所述分光器件之间，聚焦组件设置于分光器件和传感器之间；空间滤波器件能够对探头输出的光波空间滤波，并以预定散射角度射出；准直组件能够对空间滤波器输出的光波进行准直，并输出；分光组件能够对准直组件输出的光波按照波长进行衍射，并输出；聚焦组件能够将准直组件输出的光波聚焦，并输出；传感器能够接收聚焦组件输出的光波，并生成对应的光谱；此外，准直组件还用于在第一焦距范围内调整分光器件的光波入射光路上的光波的焦距，准直组件的入射面与出射面之间的距离小于准直组件的最小系统焦距；和/或，聚焦组件还用于在第二焦距范围内调整分光器件的光波出射光路上的光波的焦距，聚焦组件的入射面与出射面之间的距离小于聚焦组件的最小系统焦距；这样由于准直组件的入射面与出射面之间的距离小于准直组件的最小系统焦距和/或聚焦组件的入射面与出射面之间的距离小于聚焦组件的最小系统焦距，所以更加有利于光谱仪的小型化，此外与现有技术相比，更小体积既能够获得与现有技术相同或更高的灵敏性，同时提高了光谱分辨率和光谱测量范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。