CN113375798A - 一种微型光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光栅光谱仪，包括：壳体，所述壳体上设有贯穿的入光口；匀光片，所述匀光片固定连接于所述壳体的内侧，且所述匀光片覆盖所述入光口；第一挡光板，设置于所述匀光片远离所述壳体一侧，所述第一挡光板上设有贯穿的第一入射狭缝；衍射光栅，所述衍射光栅设于所述壳体内壁上，且与所述第一入射狭缝在同一光路上；检测件，所述检测件固定在所述壳体内，并与所述衍射光栅相向设置；计算单元，所述计算单元设置于所述壳体内部或外部，且与所述检测件电连接。本发明的微型光栅光谱仪仅由狭缝、光栅、探测器以及计算单元组成，通过省去准直元件和聚焦元件，大大缩短了光程，减小了光谱仪的尺寸。

Description

一种微型光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，特别是涉及一种微型光栅光谱仪。

背景技术

光谱分析是科学工作中应用最广泛的方法，被用来解决物理学、化学、生物学、医学以及其他学科中的基础问题和应用问题。光谱仪是光谱分析方法中必不可少的工具，是将复色光分解为光谱线的光学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成。光谱仪通过对光信息的抓取和分析，可测量物体表面的反射光，检测出物品中的物质成分，被广泛地应用于空气污染、水质监测、食品卫生、金属工业、医疗应用等产业。

目前的光谱采集技术主要以色散分光为主，包括棱镜分光和光栅分光两大类，市场上应用最多的是采用光栅作为色散元件的光栅光谱仪。传统的光栅光谱仪通常由一个或多个衍射光栅、一个光路和一个探测器阵列组成，其中光路一般包含入射狭缝，准直透镜，聚焦成像***等部分。待测光通过入射狭缝后被准直透镜准直照射在衍射光栅上，衍射光栅将光谱成分分散到不同的方向，最后聚焦成像***将分散的光聚焦到探测器阵列上得到光谱分布。传统光谱仪具有精度高，适用范围广，结构稳定等优点，但同时也存在着结构复杂、使用环境受限、不便携带及价格昂贵等不足，不能满足现场检测和实时监控的市场需求。因此微型光谱仪成为市场选择的一个重要方向。与传统光谱仪相比，微型光谱仪具有与其相同的光学结构及检测原理，在保证基础功能实现的同时，它又具有体积小，便于携带，结构简单等优势。

在光谱仪器的设计中，采用较多的结构是Czerny-Turner结构，这种结构由入射狭缝、准直元件、色散元件、聚焦元件和探测器构成，存在多元件，长光程的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型光栅光谱仪，所述微型光栅光谱仪结构简单、紧凑，制造成本低。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种微型光栅光谱仪，包括:

壳体，所述壳体上设有贯穿的入光口；

匀光片，所述匀光片固定连接于所述壳体的内侧，且所述匀光片覆盖所述入光口；

第一挡光板，设置于所述匀光片远离所述壳体一侧，所述第一挡光板上设有贯穿的第一入射狭缝；

衍射光栅，所述衍射光栅设于所述壳体内壁上，且与所述第一入射狭缝在同一光路上；

检测件，所述检测件固定在所述壳体内，并与所述衍射光栅相向设置；

计算单元，所述计算单元设置于所述壳体内部或外部，且与所述检测件电连接。

优选地，所述微型光栅光谱仪还包括固定件，所述固定件固定连接于所述匀光片远离所述入光口的一侧，所述固定件上设有贯穿的透光孔，所述第一挡光板设置于所述透光孔一侧，且所述透光孔在所述第一挡光板上的投影覆盖所述第一入射狭缝；所述固定件远离所述匀光片的一侧设有第二挡光板，所述第二挡光板上设有贯穿的第二入射狭缝，所述透光孔在所述第二挡光板上的投影覆盖所述第二入射狭缝。

优选地，所述固定件靠近所述匀光片的表面设有第一凹槽，所述第一挡光板嵌设于所述第一凹槽内；所述固定件远离所述匀光片的表面设有第二凹槽，所述第二挡光板嵌设于所述第二凹槽内；所述透光孔贯穿所述第一凹槽和所述第二凹槽。

优选地，所述入光口、所述第一入射狭缝、所述第二入射狭缝排布在同一平面内，且所述第二入射狭缝和所述衍射光栅的中心点的连线，与所述衍射光栅的中心点和所述检测件的连线形成的夹角为30-150°。

优选地，所述第一入射狭缝、所述第二入射狭缝的宽度为50-1000μm，所述第一入射狭缝和所述第二入射狭缝之间的距离为100-3000μm。

优选地，所述匀光片的尺寸大小为1-80mm。

优选地，所述衍射光栅为平面反射光栅或凹面反射光栅。

优选地，所述平面反射光栅的长度为2-50mm，宽度为2-50mm，高度为2-50mm，光谱范围为300-1100nm，刻线数为500-2000条；所述平面反射光栅与所述第二入射狭缝在同一光路上，且具有10-80°的倾斜角度。

优选地，所述检测件为探测器模组或图像传感器组。

优选地，所述图像传感器采用CMOS面阵图像传感器，视场角为40-150°，焦距2-5mm，有效像素阵列1-1920H×1-1080V。

优选地，所述壳体的长度为10-80mm，宽度为10-80mm，高度为10-80mm。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的一种微型光栅光谱仪，仅由狭缝、光栅、探测器以及计算单元组成，通过省去准直元件和聚焦元件，大大缩短了光程，减小了光谱仪的尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体结构示意图。

图2为图1中沿A-A面的剖视图。

图3为图1中沿A-A面的另一角度剖视图。

图4为图2中B处放大结构示意图。附图标记：1、壳体；11、入光口；2、匀光片；3、固定件；31、第一凹槽；32、第二凹槽；33、透光孔；4、第一挡光板；41、第一入射狭缝；5、衍射光栅；6、检测件；7、计算单元；8、第二挡光板；81、第二入射狭缝。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

请参阅图1-4，本发明实施例中提供了一种微型光栅光谱仪，包括壳体1、匀光片2、第一挡光板4、衍射光栅5、检测件6、计算单元7。壳体1上设有贯穿的入光口11，匀光片2连接于壳体1的内侧且覆盖入光口11，匀光片2可以粘接在壳体1内侧，也可以通过紧固件固定在壳体1内侧。第一挡光板4设置于匀光片2远离壳体1的一侧，且第一挡光板4上设有贯穿的第一入射狭缝41。衍射光栅5设于壳体1内壁，且和第一入射狭缝41在同一光路上，检测件6固定在壳体1内，并与衍射光栅5相向设置，计算单元7可设于壳体1内部或外部，且与检测件6电连接。

单狭缝时该微型光栅光谱仪的工作原理如下：入射光从入光口11射入，经过匀光片2光线变得更加均匀，再经过第一入射狭缝41发生衍射，衍射光栅5对入射光进行色散作用，将从狭缝入射的复色光色散为单色光后以不同角度反射到检测件6上，检测件6接收光源信号并将其转化为电信号传送给计算单元7，计算单元7对其进行分析，得到复色光光谱信息。分析结果存储在计算单元7或通过设于其上的数据传输接口输出。若计算单元7设于壳体1内部，则还需在壳体1靠近计算单元7的侧壁上开设一个连接孔。

优选地，微型光栅光谱仪还包括固定件3，固定件3粘接或通过紧固件固定在挡光板远离入光口11的一侧。固定件3靠近匀光片2的表面设有第一凹槽31，第一挡光板4嵌设于第一凹槽31内；固定件3远离匀光片2的表面设有第二凹槽32，第二凹槽32内嵌设有第二挡光板8。固定件3上还设有透光孔33，透光孔33贯穿第一凹槽31和第二凹槽32。第二挡光板8上设有贯穿的第二入射狭缝81，第二入射狭缝81与第一入射狭缝41的宽度范围均在50-1000μm，第二入射狭缝81与第一入射狭缝41之间的距离为100-3000μm。此外，入光口11、第一入射狭缝41、第二入射狭缝81排布在同一平面内，且第二入射狭缝81和衍射光栅5的中心点的连线，与衍射光栅5的中心点和检测件6的连线形成的夹角优选为30-150°，更优选为90°。第一入射狭缝41、第二入射狭缝81在固定件3上的投影均位于透光孔33内。因此，第一挡光板4和第二挡光板8分别连接在固定件3的两侧，即第一入射狭缝41和第二入射狭缝81分别形成于固定件3的两侧，使得入射光经过双缝衍射，能为光谱仪***提供更优的入射光相干光源。

具有双狭缝时该微型光栅光谱仪的工作原理如下：入射光从入光口11射入，经过匀光片2光线变得更加均匀，再依次经过第一入射狭缝41、透光孔33、第二入射狭缝81发生衍射，衍射光栅5对入射光进行色散作用，将从狭缝入射的复色光色散为单色光后以不同角度反射到检测件6上，检测件6接收光源信号并将其转化为电信号传送给计算单元7，计算单元7对其进行分析，得到复色光光谱信息。分析结果存储在计算单元7或通过设于其上的数据传输接口输出。若计算单元7设于壳体1内部，则还需在壳体1靠近计算单元7的侧壁上开设一个连接孔。

壳体1包括四个侧壁、两个端壁，长度为10-80mm，宽度为10-80mm，高度为10-80mm。在其他实施例中，壳体1的侧壁也可以为六个、八个等，或者为一个封闭的环状曲面。外壳的材质可以为金属材质或高分子聚合物材质。外壳呈封闭设置，能够为光谱仪检测***提供避光环境，消除外部环境光源对待测光源的影响，同时也为衍射光栅5和检测件6等其他结构提供相应的安装架构。匀光片2的材料可以为熔融石英、蓝宝石或高分子聚合物材质，尺寸大小为1-80mm。匀光片2能够对入射光束进行多次匀光操作，当光束入射，匀光片2将照射其上的那部分光投射为能量分布均匀的光斑，并将所有的光斑进行叠加，形成一个均匀光斑，从而为***提供均匀的入射光源，避免了衍射光栅5中心光强度高，边缘光强弱化的现象，提高了光栅的衍射效率。

衍射光栅5能够将从第一入射狭缝41入射的复色光色散为衍射角度不同的各个波长的单色光，可优选为平面反射光栅，长度为2-50mm，宽度为2-50mm，高度为2-50mm，光谱范围为300-1100nm，刻线数为500-2000条。平面反射光栅具有一定的倾斜角度，优选其倾斜角度为10-80°。平面反射光栅大都由机刻光栅(母光栅)复制而成，成本低，易于生产，解决了光栅批量制作问题，大大降低了生产成本并缩短生产周期，且易于装调。在另外的实施例中，也可采用凹面反射光栅，或其他原理与平面光栅相同的替代器件如CD光盘、DVD或blueray-DVD光盘等代替平面反射光栅。

检测件6为探测器模组或图像传感器组，如面(线)阵CCD或其他线阵光电传感器等，可优选为互补金属氧化物半导体(CMOS)面阵图像传感器，视场角为40-150°，焦距2-5mm，有效像素阵列1-1920H×1-1080V，使得本发明中的光谱仪分辨率达5-15nm。较线阵传感器而言，面阵图像传感器可以获得二维光信号空间以及强度信息，使得探测得到的待测光源色散后的光信号心空以及强度信息更加准确。此外，面阵图像传感器还具有传输速度快，噪声小，动态响应范围大等优点。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种微型光栅光谱仪，其特征在于，包括:

壳体(1)，所述壳体(1)上设有贯穿的入光口(11)；

匀光片(2)，所述匀光片(2)固定连接于所述壳体(1)的内侧，且所述匀光片(2)覆盖所述入光口(11)；

第一挡光板(4)，设置于所述匀光片(2)远离所述壳体(1)一侧，所述第一挡光板(4)上设有贯穿的第一入射狭缝(41)；

衍射光栅(5)，所述衍射光栅(5)设于所述壳体(1)内壁上，且与所述第一入射狭缝(41)在同一光路上；

检测件(6)，所述检测件(6)固定在所述壳体(1)内，并与所述衍射光栅(5)相向设置；

计算单元(7)，所述计算单元(7)设置于所述壳体(1)内部或外部，且与所述检测件(6)电连接。

2.如权利要求1所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述微型光栅光谱仪还包括固定件(3)，所述固定件(3)固定连接于所述匀光片(2)远离所述入光口(11)的一侧，所述固定件(3)上设有贯穿的透光孔(33)，所述第一挡光板(4)设置于所述透光孔(33)一侧，且所述透光孔(33)在所述第一挡光板(4)上的投影覆盖所述第一入射狭缝(41)；所述固定件(3)远离所述匀光片(2)的一侧设有第二挡光板(8)，所述第二挡光板(8)上设有贯穿的第二入射狭缝(81)，所述透光孔(33)在所述第二挡光板(8)上的投影覆盖所述第二入射狭缝(81)。

3.如权利要求2所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述固定件(3)靠近所述匀光片(2)的表面设有第一凹槽(31)，所述第一挡光板(4)嵌设于所述第一凹槽(31)内；所述固定件(3)远离所述匀光片(2)的表面设有第二凹槽(32)，所述第二挡光板(8)嵌设于所述第二凹槽(32)内；所述透光孔(33)贯穿所述第一凹槽(31)和所述第二凹槽(32)。

4.如权利要求2所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述入光口(11)、所述第一入射狭缝(41)、所述第二入射狭缝(81)排布在同一平面内，且所述第二入射狭缝(81)和所述衍射光栅(5)的中心点的连线，与所述衍射光栅(5)的中心点和所述检测件(6)的连线形成的夹角为30-150°。

5.如权利要求2所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述第一入射狭缝(41)、所述第二入射狭缝(81)的宽度为50-1000μm，所述第一入射狭缝(41)和所述第二入射狭缝(81)之间的距离为100-3000μm。

6.如权利要求2所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述匀光片(2)的尺寸大小为1-80mm。

7.如权利要求1所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述衍射光栅(5)为平面反射光栅或凹面反射光栅。

8.如权利要求7所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述平面反射光栅的长度为2-50mm，宽度为2-50mm，高度为2-50mm，光谱范围为300-1100nm，刻线数为500-2000条；所述平面反射光栅与所述第二入射狭缝(81)在同一光路上，且具有10-80°的倾斜角度。

9.如权利要求1所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述检测件(6)为探测器模组或图像传感器组。

10.如权利要求9所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述图像传感器采用CMOS面阵图像传感器，视场角为40-150°，焦距2-5mm，有效像素阵列为1-1920H×1-1080V。

11.如权利要求1所述的一种微型光栅光谱仪，其特征在于，所述壳体(1)的长度为10-80mm，宽度为10-80mm，高度为10-80mm。

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