CN108007570A - 光谱仪及光谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光谱仪及光谱检测系统。该光谱仪包括：入射狭缝(11)、准直件(12)、光栅(13)、聚焦件(14)和探测器(15)，经所述入射狭缝(11)入射的光依次经过所述准直件(12)、所述光栅(13)和所述聚焦件(14)后到达所述探测器(15)，所述聚焦件(14)为用于聚焦的第一透镜组。由此，可以降低光谱仪的光圈数，提升光的收集能力，从而提升光谱仪的探测灵敏度、信噪比，进而提高了光谱仪的检测效率。此外，通过调节第一透镜组的焦距部分即可使得光谱仪成像或光谱清晰，从而大大缩短光谱仪的调试时间，并且减少了复杂的调整稳定机构，可实现光谱仪的小型化、轻量化，进而使得光谱仪更加便于用户使用，提升了用户体验。

Description

光谱仪及光谱检测系统

技术领域

本公开涉及光谱技术领域，具体地，涉及一种光谱仪及光谱检测系统。

背景技术

当前的光谱检测设备较多的采用切尼-特纳(Czerny-Turner，C-T)反射结构，即以两个凹面反射镜分别作为准直镜和聚焦镜，以平面透射光栅作为色散元件。由于在对光谱仪检测设备的检测精度进行优化时，整个光谱检测设备中的主要优化参数为反射镜的单面曲率、厚度、折射率，光栅的角度等，优化变量少，不能有效校正像差，不容易提高分辨率，因此，该种C-T反射结构的光谱检测设备的光圈数(F number，即F数)大，光能量小，灵敏度低，检测速度慢。并且，该光谱检测设备的调整稳定机构复杂，导致光谱检测设备体积、重量优化受到限制，不便于用户使用。

发明内容

为了解决相关技术中存在的问题，本公开提供一种光谱仪及光谱检测系统。

本公开提供一种光谱仪，包括入射狭缝、准直件、光栅、聚焦件和探测器，经所述入射狭缝入射的光依次经过所述准直件、所述光栅和所述聚焦件后到达所述探测器，所述聚焦件为用于聚焦的第一透镜组。

可选地，所述第一透镜组为聚焦镜头。

可选地，所述准直件为用于准直的第二透镜组。

可选地，所述第二透镜组为准直镜头。

可选地，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜上镀有增透膜。

可选地，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜为凸透镜、凹透镜、非球面透镜中的其中一者。

可选地，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜的焦距在[10mm,75mm]范围内。

可选地，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜的焦距为25mm。

可选地，所述光栅为透射光栅或体相全息衍射光栅。

本公开还提供一种光谱检测系统，包括探头和光谱仪，所述光谱仪为本公开提供的所述光谱仪。

通过上述技术方案，光谱仪的聚焦件为用于聚焦的第一透镜组，其中，该第一透镜组包含多片透镜，并且，在对光谱仪检测精度进行优化时，每片透镜都有单面曲率、厚度、折射率等可优化的变量，这样，包含有多片透镜的第一透镜组中可优化变量的数量会随该第一透镜组所包含透镜的片数的增多而成倍增长。由此，可以降低光谱仪的光圈数，提升光的收集能力，从而提高光谱仪的探测灵敏度、信噪比，进而提高了光谱仪的检测效率。此外，通过调节第一透镜组的焦距部分即可使得光谱仪成像或光谱清晰，从而大大缩短光谱仪的调试时间，并且减少了复杂的调整稳定机构，可实现光谱仪的小型化、轻量化，进而使得光谱仪更加便于用户使用，提升了用户体验。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种光谱检测系统的框图。

图2是根据另一示例性实施例示出的一种光谱检测系统的框图。

图3是根据另一示例性实施例示出的一种光谱检测系统的框图。

图4是根据另一示例性实施例示出的一种光谱检测系统的框图。

附图标记说明

1 光谱仪 2 探头

11 入射狭缝 12 准直件

13 光栅 14 聚焦件

15 探测器 21 激光器

22 二向色片 23 准直透镜

24 滤光片组 25 聚焦透镜

3 待测样品

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1是根据一示例性实施例示出的一种光谱检测系统的框图。如图1所示，该光谱检测系统可以包括光谱仪1和探头2。

其中，探头2可以包括激光器21、二向色片22、准直透镜23、滤光片组24、聚焦透镜25。并且，该探头2可以例如为拉曼探头、荧光探头等。

如图1所示，光谱仪1可以包括入射狭缝11、准直件12、光栅13、聚焦件14和探测器15，经入射狭缝11入射的光依次经过准直件12、光栅13和聚焦件14后到达探测器15。

在本公开中，入射狭缝11通常是一条细长狭缝，可以在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点；准直件12可以对入射狭缝11发出的光进行准直，使其变为平行光，如图1、2所示，该准直件12可以为一片准直透镜。

光栅13为色散元件，它可以使其接收到的光信号在空间上按波长分散成为多条光束，具体来说，经过准直件12准直后的平行光传播到该光栅13后，被该光栅13衍射，由于不同波长的光线具有不同的衍射角，从而将光信号按波长分散为多条光束。

在一种实施方式中，如图1、图3所示，上述光栅13可以是透射光栅。

在另一种实施方式中，如图2、图4所示，上述光栅13可以是体相全息衍射光栅。由于该体相全息衍射光栅是利用全息照相技术制作的光栅，其工作时不会产生鬼线和伴线，杂散光低，进而提高了光谱检测系统的检测精度。

上述聚焦件14可以为用于聚焦的第一透镜组，它可以用于聚焦上述光栅13色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列上述入射狭缝11的像，其中，每个像点对应于一特定波长。其中，该第一透镜组可以包括沿光的传播方向层叠的多片透镜(如图1-4中所示，该第一透镜组包括3片透镜)，并且，该第一透镜组中的各透镜可以例如是凸透镜、凹透镜、或非球面透镜。另外，需要说明的是，该第一透镜组中的各透镜的类型可以不同，如图1-4中所示，该第一透镜组包括3片透镜，它们从左到右依次为凸透镜、非球面透镜、凸透镜；该第一透镜组中的各透镜的类型也可以相同，例如，该第一透镜组中的各透镜均为非球面透镜。关于第一透镜组中各透镜的类型，在本公开中不作具体限定。

优选地，上述第一透镜组可以为聚焦镜头，其中，该聚焦镜头一般可以包括6～8片透镜，这样，便于光谱仪的大批量生产，从而降低成本。另外，上述聚焦镜头中的各透镜的直径可以例如是14mm，厚度可以例如是18mm。

此外，上述第一透镜组中各透镜的焦距可以在[10mm,75mm]范围内，优选地，该第一透镜组中的各透镜的焦距为25mm。另外，需要说明的是，该第一透镜组中各透镜的焦距并不局限于上述范围。

另外，为了减少第一透镜组中各透镜反射光的强度，以增加其透射光的强度，使成像更清晰，可以在第一透镜组中的各透镜上镀有增透膜。

返回图1，探测器5可以放置在焦平面上，用于检测各波长像点的光强度。其中，该探测器5可以例如是电荷稠合器件、光电倍增管等。

下面以探头1为拉曼探头为例来具体说明上述光谱检测系统的工作原理：

(1)如图1-4所示，激光器21(例如，光纤激光器)发出的激光照射到二向色片22上，该二向色片22使入射激光以45度角反射到准直透镜23后被聚焦到待测样品3上；(2)待测样品3产生的拉曼信号伴随着激光反射光经过准直透镜23，其中，波长大于激光波长的光可透射该准直透镜23，这样，可以滤除掉99.9％激光，然后，通过二向色片22；(3)通过二向色片22后的光信号中的拉曼信号可以无阻碍地通过滤光片组24，其中，波长大于激光波长的光可透射该滤光片组24，进而对二向色片22未滤除干净的激光信号进行滤除；(4)拉曼信号经过聚焦透镜25聚焦到光谱仪1的入射狭缝11，这样，拉曼探头把光信号聚焦到入射狭缝11；(5)通过入射狭缝11的光信号以发散的角度入射到光谱仪1内部的准直件12上，经过该准直件12准直的光信号被光栅13衍射(不同波长的光线具有不同的衍射角)；(6)所有波长的衍射光线被聚焦件14反射聚焦，到达探测器15表面，从而实现分光探测。

另外，需要说明的是，上述准直透镜23可以是用于准直的透镜组，上述聚焦透镜25可以是用于聚焦的透镜组。并且，准直透镜23和聚焦透镜25中各透镜的类型、焦距等参数信息可以与第一透镜组中各透镜的类型、焦距等参数信息相同，也可以不同，在本公开中不作具体限定。

通过上述技术方案，光谱仪的聚焦件为用于聚焦的第一透镜组，其中，该第一透镜组包含多片透镜，并且，在对光谱仪检测精度进行优化时，每片透镜都有单面曲率、厚度、折射率等可优化的变量，这样，包含有多片透镜的第一透镜组中可优化变量的数量会随该第一透镜组所包含透镜的片数的增多而成倍增长。由此，可以降低光谱仪的光圈数，提升光的收集能力，从而提高光谱仪的探测灵敏度、信噪比，进而提高了光谱仪的检测效率。此外，通过调节第一透镜组的焦距部分即可使得光谱仪成像或光谱清晰，从而大大缩短光谱仪的调试时间，并且减少了复杂的调整稳定机构，可实现光谱仪的小型化、轻量化，进而使得光谱仪更加便于用户使用，提升了用户体验。

此外，为了进一步提升光谱仪检测精度的优化参数的数量，如图3、4所示，上述准直件12还可以为用于准直的第二透镜组，它可以包括沿光的传播方向层叠的多片透镜(如图3、4中所示，该第二透镜组包括3片透镜)，并且，该第二透镜组中的各透镜可以例如是凸透镜、凹透镜、或非球面透镜。另外，该第二透镜组中的各透镜的类型可以不同，如图3、4中所示，该第二透镜组包括3片透镜，它们从左到右依次为凸透镜、非球面透镜、凸透镜；该第二透镜组中的各透镜的类型也可以相同，例如，该第二透镜组中的各透镜均为非球面透镜。关于第二透镜组中各透镜的类型，在本公开中也不作具体限定。

优选地，上述第二透镜组可以为准直镜头，其中，该准直镜头一般可以包括6～8片透镜，这样，更加便于光谱仪的大批量生产，进一步降低成本。另外，上述准直镜头中的各透镜的直径可以例如是14mm，厚度可以例如是18mm。

此外，上述第二透镜组中各透镜的焦距也可以在[10mm,75mm]范围内，优选地，该第二透镜组中的各透镜的焦距为25mm。另外，需要说明的是，该第二透镜组中各透镜的焦距并不局限于上述范围。

另外，为了减少第二透镜组中各透镜反射光的强度，以增加其透射光的强度，使成像更清晰，可以在第二透镜组中的各透镜上镀有增透膜。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种光谱仪，包括入射狭缝(11)、准直件(12)、光栅(13)、聚焦件(14)和探测器(15)，经所述入射狭缝(11)入射的光依次经过所述准直件(12)、所述光栅(13)和所述聚焦件(14)后到达所述探测器(15)，其特征在于，所述聚焦件(14)为用于聚焦的第一透镜组。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一透镜组为聚焦镜头。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其特征在于，所述准直件(12)为用于准直的第二透镜组。

4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述第二透镜组为准直镜头。

5.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜上镀有增透膜。

6.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜为凸透镜、凹透镜、非球面透镜中的其中一者。

7.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜的焦距在[10mm,75mm]范围内。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，所述第一透镜组和/或所述第二透镜组中的各透镜的焦距为25mm。

9.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅(13)为透射光栅或体相全息衍射光栅。

10.一种光谱检测系统，包括探头和光谱仪，其特征在于，所述光谱仪为根据权利要求1-9中任一项所述的光谱仪。