一种有效提高光谱仪探测精度的装置的制作方法

1.本实用新型涉及光谱仪技术领域，具体而言，涉及一种有效提高光谱仪探测精度的装置。


背景技术：

2.理想情况下，光谱仪的点光源能够向外辐射无限大的能量，具有理想的准直性。但在现实中，任何光源都是有一定发光面积的，且要想获得更大的能量，就需要使用面形尺寸更大的扩展光源。而扩展光源孔径大小与其位置的偏移会对干涉信号造成影响，同时会限制仪器的分辨率指标。现有消除这种影响的一般的手段有：
3.1.通过标准物质光谱比对的方式来对波长进行校准；
4.2.通过提升加工精度来对光源及准直镜的位置进行定位；
5.这两种手段存在以下缺点：
6.1.校准的方式无法完全校准，仍然会存在一些偏差，使得每一台仪器的波长误差都不一致。
7.2.通过提升加工精度的方式来校准，一是增加了加工难度和成本，二是误差还是没有被消除，台与台之间的误差仍然是不确定的。


技术实现要素：

8.本实用新型旨在克服现有技术中存在的上述缺陷之一，提供了一种有效提高光谱仪探测精度的装置，能够有效的解决光源装配不准确的问题，从而提高光谱仪的探测精度。
9.一种有效提高光谱仪探测精度的装置，光谱仪包括底座、红外光源模块、激光入射模块，所述激光入射模块包括激光器支架及激光器，所述激光器支架固定安装在底座上，激光器安装在激光器支架上，所述红外光源模块包括准直镜、准直镜座、光源支架、光源座及光源，所述准直镜座固定安装在底座上，准直镜转动的安装在准直镜座上，所述光源支架安装在底座上并沿底座横向移动，所述光源座固定安装在光源支架上，所述光源安装在光源座上，并沿光源座纵向移动。
10.优化的，底座上固定安装有隔热支架，所述光源支架上开设有横向长孔，光源支架与隔热支架在长孔处通过螺栓固定连接。
11.进一步，光源座中部开设有纵向光源安装孔，光源座上部开设有与光源安装孔连通的竖直顶丝安装孔，所述光源穿过纵向光源安装孔，所述顶丝安装孔处安装有顶丝。
12.优化的，准直镜座为l形结构，包括一体成型的水平座及竖直座，所述水平座固定安装在底座上，所述准直镜中部通过转轴转动的安装在竖直座上，且准直镜在转轴的外围开设有一圈螺丝沉头孔，准直镜与竖直座之间在螺丝沉头孔处通过沉头螺栓连接，且沉头螺栓的直径小于螺丝沉头孔的孔径。
13.进一步，激光器支架为两个，激光器支架顶部开设有弧形激光器让位，激光器让位处安装有弹性垫片，所述激光器上方设有弹性压片，弹性压片的两端通过螺栓与激光器支
架固定连接。
14.进一步，一种有效提高光谱仪探测精度的装置，其还包括固定安装在底座上的干涉仪模块及汇聚模块。
15.优化的，光源支架上固定安装有光源罩，光源罩上侧部开设有透光孔，顶部开设有顶丝安装孔，光源罩内固定安装有光阑。
16.本实用新型的有益效果：
17.本实用新型取得的有益效果：
18.本实用新型通过收集“无用”的杂散光，经过光路布置及调节机构的配合，能够从根本上解决红外光源的准直问题，使仪器在批量的生产制造中，能够保持良好的一致性，并且提高光谱仪的探测精度。
附图说明
19.图1为本实用新型结构图之一；
20.图2为本实用新型结构图之二；
21.图3为激光入射模块结构示意图；
22.图4为扩展光源的影响示意图；
23.图5为扩展光源偏移示意图；
24.图6为扩展光源的离焦示意图；
25.图中1.激光器支架，2.激光器，3.底座，4.竖直座，5.干涉仪模块，6.水平座，7.光源，8.光源座，9.隔热支架，10.光源罩，11.准直镜，12.沉头螺栓，13.转轴，14.汇聚模块，15.顶丝安装孔，16.光源支架，17.横向长孔，18.弹性压片，19.弹性垫片，20.激光器让位。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。
27.一种有效提高光谱仪探测精度的装置，光谱仪包括底座3、红外光源模块、激光入射模块，激光入射模块包括激光器支架1及激光器2，激光器支架固定安装在底座上，二者之间可以通过螺栓固定连接，也可以采用其他连接方式固定，激光器安装在激光器支架上。
28.红外光源模块包括准直镜11、准直镜座、光源支架16、光源座8及光源7，所述准直镜座固定安装在底座上，二者之间可以通过螺栓固定连接，也可以采用其他连接方式固定，准直镜转动的安装在准直镜座上，光源支架安装在底座上并沿底座横向移动，光源座固定安装在光源支架上，光源座与光源支架之间可以通过螺栓固定连接，也可以一体成型或采用其他固定方式，光源安装在光源座上，并沿光源座纵向移动。
29.优化的，底座上固定安装有隔热支架9，所述光源支架上开设有横向长孔17，光源支架与隔热支架在长孔处通过螺栓固定连接，可以使光源支架带动光源沿着隔热支架横向移动，从而使光源的中心横向与准直镜的焦点对正。
30.进一步，光源座中部开设有纵向光源安装孔，光源座上部开设有与光源安装孔连通的竖直顶丝安装孔，所述光源穿过纵向光源安装孔，所述顶丝安装孔处安装有顶丝，光源可以沿着光源座的光源安装孔移动，使光源的中心与准直镜的焦点在纵向上对正从而实现
光源位置的校准。
31.优化的，准直镜座为l形结构，包括一体成型的水平座6及竖直座4，所述水平座固定安装在底座上，所述准直镜中部通过转轴13转动的安装在竖直座上，且准直镜在转轴的外围开设有一圈螺丝沉头孔，准直镜与竖直座之间在螺丝沉头孔处通过沉头螺栓12连接，且沉头螺栓的直径小于螺丝沉头孔的孔径，准直镜的安装比较稳固，并且能够使准直镜沿着转轴旋转一定的角度，实现准直镜对激光器发出的杂散光的汇集。
32.进一步，激光器支架为两个，激光器支架顶部开设有弧形激光器让位20，激光器让位处安装有弹性垫片19，所述激光器上方设有弹性压片18，弹性压片的两端通过螺栓与激光器支架固定连接，通过弹性压片的设置，以及弹性垫片片数的设置，可以调节激光器射出的激光光束的出射角度，使其保持水平。
33.进一步，一种有效提高光谱仪探测精度的装置，其还包括固定安装在底座上的干涉仪模块5及汇聚模块14。
34.优化的，光源支架上固定安装有光源罩10，光源罩上侧部开设有透光孔，顶部开设有顶丝安装孔15，光源罩内固定安装有光阑(未示出)，光源罩上设置有光阑，红外光源发出的光束经过光阑的限制之后，入射到准直镜上。光源罩还起到了保护光源的作用，以免光源受到外界气流、温度等的影响，而使发光不稳定。
35.技术问题的原理：
36.一.孔径的影响
37.光谱仪中的干涉仪光路图可以简化为图4所示，则扩展光源与转轴产生的最大夹角2θ可以表达为：
[0038][0039]
式中：r为扩展光源的半径，f为准直镜的焦距。
[0040]
于是扩展光源的立体角为：
[0041]
ω＝2π(1
‑
cosθ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
当干涉仪工作，动反射镜产生位移d后，旁轴光束会产生额外的光程差
⊿
：
[0043][0044]
其中：x＝2d为平行于转轴的光束产生的光程差。
[0045]
在扩展光源入射立体角ω范围内，对于入射的单色波段ν，得到其干涉信号的强度为：
[0046][0047]
显然，由于扩展光源立体角的存在，单色光的波数值ν向较低的波数出现漂移，漂移大小为同时，干涉信号受到因子的影响。则在扩展光源的影响之下，干涉
信号的调制效率为：
[0048][0049]
随着动反射镜的运动，出现时，其调制效率下降到零。而当光程差继续增大时，干涉信号会发生相位反转，因此扩展光源的孔径极大值为：
[0050][0051]
式中，ν
max
代表光谱的最大范围，即为仪器的最大分辨率。
[0052]
另外一方面，若考虑固定的扩展光孔径，则干涉信号存在分辨率的极限，也即波数ν扩展范围为：
[0053][0054]
二.偏移的影响
[0055]
如图5所示，假设光源为一圆形的面光源，辐射出波数为ν的单色光，且其直径为2r，沿垂直转轴方向扩展光源与理想位置存在大小为s的偏移误差，准直镜的焦距设为f，且设r为光源上任意一点同转轴与光源交点的距离，α＝r/f,β＝s/f,θ＝r/f。
[0056]
对于给定的波数ν会存在一定的扩展，当α≤θ
‑
β时，相当于将扩展光源的直径截断为2(r
‑
s)，得到与孔径的影响分析中相同的结论，即分辨率的极
[0057]
限为δν＝νω/2π。
ꢀꢀꢀ
(8)
[0058]
当r∈(θ
‑
β,θ β)时，得到干涉信号的分辨率极限为：
[0059][0060]
三.离焦的影响
[0061]
当面光源中心与焦点存在距离δ时的情况，如图6为当δ＞0时的情况，即光源与准直镜的距离为f δ。若δ较小时，考虑入射到干涉仪的光束仍然平行时的情况，则可以将此时的影响简化为一、二情形，会对光谱的准确性与分辨率都造成影响。
[0062]
通过以上的推导和论证，能够得出：光源位置与光束的准直性，对于光谱仪而言是非常重要的。在仪器的装配与调试过程中，如何对光源的位置进行定位，是仪器生产的一个关键问题。现有的消除这种影响的方法，由于光源的加工误差与发光位置误差，以及准直镜的焦距与角度误差，在仪器的生产制造过程中，其它机械零件的加工精度再高，定位再准确，还是无法使光源的中心位置与准直镜的焦点位置能够在不进行微调的情况下完全重合。
[0063]
由于这些误差的存在，导致光谱会出现漂移，且每台之间都存在误差。光谱仪生产厂商在光谱仪出厂时，会进行一个光谱波长的标定，利用一个标准物质，如聚苯乙烯薄膜，一氧化碳气体等的标准光谱图，与实际测量出的光谱图进行比对，通过特征峰位置的校准，
来实现光谱波长的校准。
[0064]
但是由于光谱波长的偏移是一个复杂的函数，波长不仅发生了偏移，而且波长发生了展宽。而且要对整个光谱范围内进行校准是不容易的，只能选择个别的几个点进行全波段的校准，所以这种校准的方式仍然是会存在误差的。而这种误差对于每一台仪器来说，都是不一样的。
[0065]
而本技术中，红外光源、激光器、干涉仪及准直镜的位置布置与现有光谱仪一样，其结构简单，且成本比较低，通过准直镜的旋转，来收集激光器一些“无用”的杂散光，使激光器散发的散射光经准直镜汇集形成光斑，光即为准直镜焦点的准确位置；然后再移动红外光源的位置，使红外光源的中心与光斑即准直镜焦点的准确位置重合，然后再将红外光源的位置进行固定即可从根本上解决红外光源的准直问题，使仪器在批量的生产制造中，能够保持良好的一致性，从而提高光谱仪的探测精度。
[0066]
综上所述，本实用新型提供的一种有效提高光谱仪探测精度的装置，通过收集“无用”的杂散光，经过光路布置及调节机构的配合，能够从根本上解决红外光源的准直问题，使仪器在批量的生产制造中，能够保持良好的一致性，并且提高光谱仪的探测精度。
[0067]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。