共用探测器的切尼特纳光谱仪及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种共用探测器的切尼特纳光谱仪及方法。

背景技术

光谱仪器是光学检测领域的一个重要工具，光谱仪可以实现对物质结构和成分的探测和分析，具有分析精度高、测量范围大，检测速度快等优点。现有光谱仪结构中最为常用的是切尼特纳光谱仪(Czerny-Turner，C-T光谱仪)；Czerny-Turner光谱仪可在一个空间维度上对入射光成像并能够分辨出其光谱强度，被广泛用于遥感、食品检测和药品检测等领域。传统C-T光谱仪由一个平面光栅和两个球面镜组成。通过准直镜对从入射狭缝进入的信号光进行准直并通过光栅进行衍射后，由聚焦镜将其聚焦到探测器上。现有的C-T光谱仪存在像差，光谱段窄且分辨率低的缺陷。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种共用探测器的切尼特纳光谱仪及方法，本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种共用探测器的切尼特纳光谱仪，其包括，

第一光谱仪，其生成第一波段光谱范围的M型光路，所述第一光谱仪包括，

第一入射单元，其入射第一入射光，

第一准直单元，其相对所述第一入射单元布置以将所述第一入射光平行照射到第一分光单元，

第一分光单元，其相对于所述第一准直单元布置以分光色散所述第一入射光，

第一聚焦单元，其相对于所述第一分光单元布置以将所述色散后的第一入射光聚焦到探测器；

第二光谱仪，其生成第二波段光谱范围的M型光路，所述第二光谱仪包括，

第二入射单元，其入射第二入射光，

第二准直单元，其相对所述第二入射单元布置以将所述第二入射光平行照射到第二分光单元，

第二分光单元，其相对于所述第二准直单元布置以分光色散所述第二入射光，

第二聚焦单元，其相对于所述第二分光单元布置以将所述色散后的第二入射光聚焦到探测器；

探测器，其相对于第一聚焦单元和第二聚焦单元，所述探测器共用于所述第一光谱仪和第二光谱仪。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，第一入射单元包括，

第一入射光纤，其导入第一入射光，

第一光纤适配器，其连接所述第一入射光纤，

第一聚焦透镜，其设在所述第一光纤适配器上以聚焦所述第一入射光，

第一狭缝，其设在所述第一聚焦透镜和第一准直单元之间使得所述第一入射光以预定光斑形状和预定光通量入射到所述第一准直单元；

第二入射单元包括，

第二入射光纤，其导入第二入射光，

第二光纤适配器，其连接所述第二入射光纤，

第二聚焦透镜，其设在所述第二光纤适配器上以聚焦所述第二入射光，

第二狭缝，其设在所述第二聚焦透镜和第二准直单元之间使得所述第二入射光以预定光斑形状和预定光通量入射到所述第二准直单元。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，第一准直单元和/或第二准直单元包括准直反射镜和支承所述准直反射镜的准直镜调整固定底座，所述准直反射镜口径为25mm到75mm，曲率半径为100到350。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，所述准直反射镜为球面反射镜。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，第一分光单元和/或第二分光单元包括平面反射光栅和支承所述平面反射光栅的光栅固定底座，平面反射光栅的光栅大小为12.7×12.7mm或者25×25mm或者50×50mm，刻密度为300、600、900、1200或者1800。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，第一聚焦单元和/或第二聚焦单元包括聚焦反射镜和支承所述聚焦反射镜的聚焦镜调整固定底座，聚焦反射镜口径为25mm到75mm，曲率半径为100到350。所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，所述聚焦反射镜为球面反射镜。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，所述探测器包括CCD或CMOS传感器，或者PMT、APD光电探测器。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中，第一波段光谱范围低于所述第二波段光谱范围。

一种利用所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的调整方法包括以下步骤，

第一步骤，基于待探测的光谱波段，将两路光谱仪分为生成第一波段光谱范围的M型光路的第一光谱仪和生成第二波段光谱范围的M型光路的第二光谱仪，

第二步骤，仿真第一光谱仪和第二光谱仪以确定光学参数，搭建第一光谱仪和第二光谱仪的M型光路，

第三步骤，优化第一光谱仪和第二光谱仪使其像面在同一水平面，且位于同一位置，

第四步骤，第一入射光从第一光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，以及第二入射光从第二光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，分析光栅的0级、-1、-2级衍射光是否影响光路的接收，如果是，回到第二步骤重新调整，

第五步骤，公差分析第一光谱仪和第二光谱仪，最终得到第一光谱仪和第二光谱仪的次优化面确定共用探测器的切尼特纳光谱仪最终结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明克服了一般光谱仪在增大分辨率的同时减小可探测光谱范围的问题，在接收探测器比较昂贵的情况下，可以通过增加准直、分光、聚焦单元形成两路光谱仪光路，通过仿真和选型调整合适结构使两路光谱仪共用一个探测器，扩大可探测光谱范围，提高光谱分辨率完成探测的空间复用；另外由于复合光在光源处进行了分离，可用同步或异步的脉冲对光源进行控制，完成光谱仪在时间上的复用或分用，为光谱信息快速对比或光谱信息合成方法提供另一种技术路线。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中第二光谱仪优化后光路结构图；

图3是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪中第一光谱仪优化后光路结构图；

图4是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的整合后的光路结构图；

图5是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的识三维结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图5所示，一种共用探测器的切尼特纳光谱仪包括，

第一光谱仪，其生成第一波段光谱范围的M型光路，所述第一光谱仪包括，

第一入射单元，其入射第一入射光，

第一准直单元4，其相对所述第一入射单元布置以将所述第一入射光平行照射到第一分光单元5，

第一分光单元5，其相对于所述第一准直单元4布置以分光色散所述第一入射光，

第一聚焦单元6，其相对于所述第一分光单元5布置以色散后的所述第一入射光聚焦到探测器7；

第二光谱仪，其生成第二波段光谱范围的M型光路，所述第二光谱仪包括，

第二入射单元，其入射第二入射光，

第二准直单元11，其相对所述第二入射单元布置以将所述第二入射光平行照射到第二分光单元12，

第二分光单元12，其相对于所述第二准直单元11布置以分光色散所述第二入射光，

第二聚焦单元13，其相对于所述第二分光单元12布置以色散后的所述第二入射光聚焦到探测器7；

探测器7，其相对于第一聚焦单元6和第二聚焦单元13，所述探测器7共用于所述第一光谱仪和第二光谱仪。

本发明待测光通过入射单元分别射入两路光谱仪，每一路的光通过准直单元平行入射到分光单元，分光单元将复合光在空间上分散成不同波长的单色光束，再由聚焦单元将分散后的单色光束聚焦到探测单元；所述第一光谱仪和第二光谱仪入射和分光模块分别位于共用光电探测器7的两侧，从而实现同一探测器7分别对所述第一光谱仪和第二光谱仪两路光的光谱分析。本发明通过两路M型C-T光谱仪共用同一探测器7的独特设计，实现了近紫外到可见光波段的消像差设计，分析的光谱段更宽，得到的光谱分辨率更高。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，第一入射单元包括，

第一入射光纤，其导入第一入射光，

第一光纤适配器1，其连接所述第一入射光纤，

第一聚焦透镜2，其设在所述第一光纤适配器1上以聚焦所述第一入射光，

第一狭缝3，其设在所述第一聚焦透镜2和第一准直单元4之间使得所述第一入射光以预定光斑形状和预定光通量入射到所述第一准直单元4；

第二入射单元包括，

第二入射光纤，其导入第二入射光，

第二光纤适配器8，其连接所述第二入射光纤，

第二聚焦透镜9，其设在所述第二光纤适配器8上以聚焦所述第二入射光，

第二狭缝10，其设在所述第二聚焦透镜9和第二准直单元11之间使得所述第二入射光以预定光斑形状和预定光通量入射到所述第二准直单元11。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，第一准直单元4和/或第二准直单元11包括准直反射镜和支承所述准直反射镜的准直镜调整固定底座，所述准直反射镜口径为25mm到75mm，曲率半径为100到350。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，所述准直反射镜为球面反射镜。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，第一分光单元5和/或第二分光单元12包括平面反射光栅和支承所述平面反射光栅的光栅固定底座，平面反射光栅的光栅大小为12.7×12.7mm或者25×25mm或者50×50mm，刻密度为300、600、900、1200或者1800。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，第一聚焦单元6和/或第二聚焦单元13包括聚焦反射镜和支承所述聚焦反射镜的聚焦镜调整固定底座，聚焦反射镜口径为25mm到75mm，曲率半径为100到350。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，所述聚焦反射镜为球面反射镜。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，所述探测器7包括CCD或CMOS传感器，或者PMT、APD光电探测器7。

所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的优选实施例中，第一波段光谱范围低于所述第二波段光谱范围。

在一个实施例中，具体实施案例所设计的系统装置如图5所示，光纤适配器和聚焦透镜作用时将光纤接入的复合光经过耦合聚焦到入射狭缝上。入射狭缝作用是限制进入光谱仪的光，使其以一定的光斑形状和适当的光通量入射。准直反射镜作用是将入射光平行照射到光栅上，本具体实施案例中准直反射镜选择口径为50mm，曲率半径为300。平面反射光栅，平面反射光栅将复合光按波长分散开来本具体实施案例中光栅选择大小为50×50mm，刻密度为900。聚焦反射镜将色散后的光聚焦到探测器7上，本具体实施案例中聚焦反射镜选择口径为75mm，曲率半径为300。本具体实施案例中光电探测器7选择滨松H7260线性多阳极光电倍增管。

一种利用所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪的调整方法包括以下步骤，

第一步骤，基于待探测的光谱波段，将两路光谱仪分为生成第一波段光谱范围的M型光路的第一光谱仪和生成第二波段光谱范围的M型光路的第二光谱仪，

第二步骤，仿真第一光谱仪和第二光谱仪以确定光学参数，搭建第一光谱仪和第二光谱仪的M型光路，

第三步骤，优化第一光谱仪和第二光谱仪使其像面在同一水平面，且位于同一位置，

第四步骤，第一入射光从第一光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，以及第二入射光从第二光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，分析光栅的0级、-1、-2级衍射光是否影响光路的接收，如果是，回到第二步骤重新调整，

第五步骤，公差分析第一光谱仪和第二光谱仪，最终得到第一光谱仪和第二光谱仪的次优化面确定共用探测器的切尼特纳光谱仪最终结构。

在一个优选实施方式中，调整方法包括，

步骤1，确定系统设计要求，根据系统要求确定光电探测器7的规格和型号，按照所需探测的光谱波段，将两路光谱仪分为两路，这里拟定低波段光谱范围的一路为光谱仪A，较高波段光谱范围的一路为光谱仪B。

步骤2，首先针对光谱仪A进行初步仿真，按照理论要求初步选定这种元件的规格，包括光栅的大小、光栅常数、准直反射镜和聚焦反射镜的口径以及准直反射镜和聚焦反射镜的曲率半径，然后利用光学专业软件(如ZemaxOpticStudio、Code V等光学仿真软件)、搭建光谱仪光路，进行初步仿真和选型比较。

步骤3，在上一步骤的基础上，根据分辨率要求，确定狭缝规格，然后不断更改光栅、准直反射镜、聚焦反射镜对应的参数，适当调整光路，进行仿真和初步优化，确定光栅、准直反射镜和聚焦反射镜的规格。

步骤4，在确定好光栅、准直反射镜、聚焦反射镜以后，进一步对像差进行优化，完成像面的最优化，得到光谱仪A的最终结构。

步骤5，和上述步骤2、步骤3、步骤4相同，针对光谱仪B进行初步光学仿真并确定光谱仪B的最终结构。

步骤6，将两路光谱仪进行整合，使其像面在同一水平面，且基本位于同一位置，此过程会破坏两路光谱仪的最优面，只要达到一个次优面即可，这个过程需要不断调整两路光谱仪结构进行仿真。

步骤7，得到较好优化结构后，利用光学专业软件(如ZemaxOpticStudio、Code V等光学仿真软件)整合光谱仪A和光谱仪B，搭建双M型光路，将探测面所在面改变为平面反射镜进行仿真分析。

步骤8，利用光学仿真软件搭建光路时，让光从光谱仪A进行入射，进行杂散光模拟分析，分析光栅的0级、-1、-2级衍射光是否很大程度上影响光路的接收，如果是，回到步骤6重新调整结构。

步骤9，完成上一步分析以后，在光学仿真软件中重新搭建双M型光路，让光从光谱仪B进行入射，进行杂散光模拟分析，，分析光栅的0级、-1、-2级衍射光是否很大程度上影响光路的接收，如果是，回到步骤6重新调整结构。

步骤10，通过步骤6、步骤7、步骤8、步骤9以后，进行两路光谱仪的公差分析，最终得到两路光谱仪的次优化面，并确定双M型光谱仪最终结构。

在一个优选实施方式中，根据设计步骤所述的步骤1、步骤2和步骤3，确定系统接收谱段要求以及光谱分辨率要求，进而确定光栅、准直反射镜、聚焦反射镜的规格，本具体实施案例中设定光谱仪A光谱范围为280-460nm，光谱仪B光谱范围为420-600nm，所要达到的分辨率要求为0.177(mm/nm)。

在一个优选实施方式中，根据设计步骤所述的步骤4和步骤5，利用光学仿真软件(本具体实施案例中用ZemaxOpticStudio2017)，得到M型C-T结构的光谱仪A光路如图2所示，M型C-T结构的光谱仪B光路如图3所示。

在一个优选实施方式中，根据设计步骤6到设计步骤10，将两路M型光谱仪得到整合，具体实施案例最终设计的一种共用探测器的双M型C-T光谱仪如图4所示。

工业实用性

本发明所述的一种共用探测器的切尼特纳光谱仪及方法可以在生物气溶胶粒子识别领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。