共用探测器的立体双层结构C-T光谱仪及方法

共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪及方法
技术领域
1.本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪及方法。


背景技术：

2.光谱仪是一种光学精密仪器，被广泛用于航空航天、食品检测和药品生物检测等领域，是光学检测领域的一个重要工具。切尼特纳光谱仪(czerny-turner，c-t光谱仪)由于结构简单，性能稳定，光谱分辨率高，杂散光小，谱面弯曲小等优点得到了广泛的应用。传统c-t光谱仪包含一个平面光栅和两个球面反射镜。从入射狭缝进入的信号光通过准直镜进行准直后通过光栅进行衍射，聚焦镜将衍射光聚焦到探测器上，实现在一个空间维度上对入射光成像并分辨出其光谱强度。c-t光谱仪有交叉型和非交叉型两种结构，交叉型结构灵活性更高，结构比较紧凑，空间利用率更高；非交叉型结构又称为m型结构，为展开式光路杂散光较小，相比于交叉型结构像散更小，光谱分辨率更高。
3.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。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪及方法，克服了现有技术在增大探测光谱范围的同时分辨率减小的问题，在使用同一探测器的基础上增加光路，实现对更宽光谱波段的分析，达到更高的光谱分辨率。另外由于两路光源为分离的，可使用同步或异步的脉冲对光源进行控制，实现光谱仪在时间上的复用或分用，可得到更高的光谱信息对比及合成效率。
5.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
6.一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪，其包括，
7.下层c-t光谱仪，其生成第一波段光谱范围的第一光路，所述下层c-t光谱仪包括，
8.第一耦合透镜，其接收第一复合光；
9.第一入射狭缝，其相对所述第一耦合透镜布置以入射预定光斑形状和光通量的所述第一复合光；
10.第一准直球面反射镜，其相对于所述第一入射狭缝布置以平行出射来自所述第一入射狭缝的第一复合光；
11.第一平面反射光栅，其相对于所述第一准直球面反射镜布置以将所述第一复合光分散为第一单色光；
12.第一聚焦球面反射镜，其相对于所述第一平面反射光栅布置以将所述第一单色光聚焦到探测器；
13.上层c-t光谱仪，其位于所述下层c-t光谱仪上方且生成第二波段光谱范围的第二光路，所述上层c-t光谱仪包括，
14.第二耦合透镜，其接收第二复合光；
15.第二入射狭缝，其相对所述第二耦合透镜布置以入射预定光斑形状和光通量的所述第二复合光；
16.第二准直球面反射镜，其相对于所述第二入射狭缝布置以平行出射来自所述第二入射狭缝的第二复合光；
17.第二平面反射光栅，其相对于所述第二准直球面反射镜布置以将所述第二复合光分散为第二单色光；
18.第二聚焦球面反射镜，其相对于所述第二平面反射光栅布置以聚焦所述第二单色光；
19.楔形镜，其布置于所述第二聚焦球面反射镜和探测器之间以将所述第二聚焦球面反射镜偏折于所述探测器。
20.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪均为m型结构c-t光谱仪。
21.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，第一准直球面反射镜和/或第二准直球面反射镜具有用于支承的准直镜调整固定底座。
22.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，所述第一波段光谱范围为480-620nm，所述第二波段光谱范围为280-440nm。
23.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，第一聚焦球面反射镜和/或第二聚焦球面反射镜包括用于支承的调节底座。
24.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，第一耦合透镜和/或第二耦合透镜包括光纤适配器和聚焦耦合透镜。
25.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，所述预定光斑形状为圆形。
26.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t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。
27.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪中，第一波段光谱范围高于所述第二波段光谱范围。
28.利用所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的调整方法包括以下步骤，
29.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下层c-t光谱仪和生成第二波段光谱范围的上层c-t光谱仪，
30.第二步骤，仿真下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪以确定光学参数，搭建下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪，
31.第三步骤，调节第二聚焦球面反射镜的倾角，在第二聚焦球面反射镜和探测器的光路中间加入楔形棱镜，使光路偏折角度满足上下双层结构机械条件，
32.第四步骤，第一复合光从下层c-t光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，以及第二复合光从上层c-t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，
33.第五步骤，公差分析下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪，确定共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.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，改善了现有共用探测器光谱仪结构两光路间互相干扰的问题，通过增加楔形棱镜，使光谱仪上层结构的光路发生偏折，实现使用同一探测器对两路光信号进行光谱分析的立体双层光谱仪结构。另外双层结构两光路空间干扰较小，该结构及设计方法不仅适用于传统m型c-t结构也适用于交叉型c-t结构，极大程度上提升了设计的灵活性，且可在一定程度上减小光谱仪体积。
36.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
37.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。
38.在附图中：
39.图1是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的下层c-t光谱仪a结构示意图；
40.图2是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的上层c-t光谱仪b的结构示意图；
41.图3是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的光路结构示意图；
42.图4是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的下层c-t光谱仪a优化后光路结构图；
43.图5是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的上层c-t光谱仪b优化后光路结构图；
44.图6是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪优化后光路结构图；
45.图7是根据本发明一个实施例的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的三维结构示意图。
46.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
47.下面将参照附图图1至图7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。
48.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。
49.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。
50.为了更好地理解，如图1至图7所示，一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪包括，
51.下层c-t光谱仪，其生成第一波段光谱范围的第一光路，所述下层c-t光谱仪包括，
52.第一耦合透镜1，其接收第一复合光，
53.第一入射狭缝2，其相对所述第一耦合透镜1布置以入射预定光斑形状和光通量的所述第一复合光，
54.第一准直球面反射镜3，其相对于所述第一入射狭缝2布置以平行出射来自所述第一入射狭缝2的第一复合光，
55.第一平面反射光栅4，其相对于所述第一准直球面反射镜3布置以将所述第一复合光分散为第一单色光，
56.第一聚焦球面反射镜5，其相对于所述第一平面反射光栅4布置以将所述第一单色光聚焦到探测器6；
57.上层c-t光谱仪，其位于所述下层c-t光谱仪上方且生成第二波段光谱范围的第二光路，所述上层c-t光谱仪包括，
58.第二耦合透镜8，其接收第二复合光，
59.第二入射狭缝9，其相对所述第二耦合透镜8布置以入射预定光斑形状和光通量的所述第二复合光，
60.第二准直球面反射镜10，其相对于所述第二入射狭缝9布置以平行出射来自所述第二入射狭缝9的第二复合光，
61.第二平面反射光栅11，其相对于所述第二准直球面反射镜10布置以将所述第二复合光分散为第二单色光，
62.第二聚焦球面反射镜12，其相对于所述第二平面反射光栅11布置以聚焦所述第二单色光，
63.楔形镜7，其布置于所述第二聚焦球面反射镜12和探测器6之间以将所述第二聚焦球面反射镜12偏折于所述探测器6。
64.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪均为m型结构c-t光谱仪。
65.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，第一准直球面反射镜3和/或第二准直球面反射镜10具有用于支承的准直镜调整固定底座。
66.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，所述第一波段光谱范围为480-620nm，所述第二波段光谱范围为280-440nm。
67.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，第一聚焦球面反射镜5和/或第二聚焦球面反射镜12包括用于支承的调节底座。
68.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，第一耦合透镜1和/或第二耦合透镜8包括光纤适配器和聚焦耦合透镜。
69.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，所述预定光斑形状为圆形。
70.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，所述探测器6包括ccd或cmos传感器，或者pmt、apd光电探测器6。
71.所述的一种共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的优选实施例中，第一波段光谱范围高于所述第二波段光谱范围。
72.在一个实施例中，共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪，光谱仪的入射和分光模块分为a、b两路，两路为上下双层结构，且共用一个光电探测器6，该光电探测器6可以分别对a、b两路分光单元出来的光谱进行探测。a、b两路入射和分光模块包括：入射单元、准直单元、分光单元、聚焦单元。待测光通过入射单元分别射入a、b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；b路光谱仪位于双层结构中的上层，其聚焦单元中包含一片楔形棱镜，使分散后的单色光束光路发生偏折，聚焦到位于双层结构下层的探测器6，同时改善由于器件倾斜造成的畸变，从而实现使用同一探测器6分别对a、b两路光信号进行光谱分析。所述光谱仪a或所述光谱仪b包括入射单元、准直单元、分光单元、聚焦单元；所述的入射单元包括入射光纤、光纤适配器、聚焦透镜、狭缝；所述的准直单元包括准直反射镜和准直镜调整固定底座；所述的分光单元包括光栅和光栅固定底座；所述的聚焦单元包括聚焦反射镜和聚焦镜调整固定底座，其中，光谱仪b的聚焦单元包括楔形棱镜和楔形棱镜调整固定底座。本发明通过两路m型c-t光谱仪共用同一探测器6的设计，实现了分时复用光谱探测功能，得到更高的光谱信息对比及合成效率。在使用同一探测器6的基础上增加光路，实现对更宽光谱波段的分析，达到更高的光谱分辨率。为共用探测器6光谱仪提供了一种新型结构和光谱仪设计方法，双层结构可减少两路光谱仪间杂散光干扰，且可在一定程度上减小光谱仪体积，提升设计灵活性，该结构及设计方法可同样适用于交叉型结构。
73.一个具体实施案例所设计的系统装置如图7所示，第一耦合透镜1和第二耦合透镜8均包括光纤适配器和聚焦耦合透镜，用于将光纤接入的复合光经过耦合透镜聚焦到第一入射狭缝2或第二入射狭缝9上。第一入射狭缝2或第二入射狭缝9作用是对进入光谱仪的光进行限制，使其以特定的光斑形状和适当的光通量入射。第一准直球面反射镜3和第二准直球面反射镜10作用是使通过狭缝的发散光平行出射，并以一定角度照射到光栅上，本具体实施案例中选择口径为50mm的准直球面反射镜，下层c-t光谱仪a的准直反射镜曲率半径选为200，上层c-t光谱仪b的准直反射镜曲率半径选为120。第一平面反射光栅4和第二平面反射光栅11将复合光按波长以不同角度分散为单色光，本具体实施案例中光栅选择大小为50
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50mm，刻密度为1200。第一聚焦球面反射镜5和第二聚焦球面反射镜12将色散后的光聚焦
到探测器6上，本具体实施案例中选择口径为75mm，曲率半径为200的聚焦球面反射镜。共用的光电探测器6选择东芝tcd1304dg线阵ccd。楔形镜7作用是使上层c-t光谱仪b分散后的单色光束光路发生偏折，聚焦到位于双层结构下层的探测器6，同时改善由于器件倾斜造成的畸变。
74.一种利用共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪的调整方法包括以下步骤，
75.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下层c-t光谱仪和生成第二波段光谱范围的上层c-t光谱仪，
76.第二步骤，仿真下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪以确定光学参数，搭建下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪，
77.第三步骤，调节第二聚焦球面反射镜12的倾角，在第二聚焦球面反射镜12和探测器6的光路中间加入楔形棱镜，使光路偏折角度满足上下双层结构机械条件，
78.第四步骤，第一复合光从下层c-t光谱仪进行入射进行杂散光模拟分析，以及第二复合光从上层c-t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，
79.第五步骤，公差分析下层c-t光谱仪和上层c-t光谱仪，确定共用探测器的立体双层结构c-t光谱仪。
80.在一个实施例中，方法包括，
81.步骤1确定系统设计要求，按照所需探测的光谱波段及系统要求确定光电探测器6的规格和型号，确定两路光谱仪探测波段，这里拟定主要探测波段光谱范围的一路为光谱仪a，次要探测波段光谱范围的一路为光谱仪b。
82.步骤2首先针对光谱仪a进行初步仿真，根据选用探测器6的参数和分辨率的要求，确定狭缝规格和光栅常数以及准直反射镜和聚焦反射镜的曲率半径；按照理论要求初步选定元件的规格，包括光栅的大小、准直反射镜和聚焦反射镜的口径，然后利用光学专业软件，如zemax opticstudio、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。
83.步骤3在上一步骤的基础上，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。
84.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。
85.步骤5和上述步骤2、步骤3相同，针对光谱仪b进行初步光学仿真并确定光谱仪b的光栅、准直反射镜和聚焦反射镜的规格。
86.步骤6调整光谱仪b聚焦反射镜的倾角，在聚焦反射镜和探测器6的光路中间加入楔形棱镜，使光路偏折角度满足上下双层结构机械条件。进一步对像差进行优化，得到光谱仪b的最终结构
87.步骤7将两路光谱仪进行整合，使两路像面重合，得到整体光谱仪结构。
88.步骤8得到整体光谱仪结构后，利用光学专业软件(如zemax opticstudio、code v等光学仿真软件)整合光谱仪a和光谱仪b，搭建双层光路，将探测面所在面改变为平面反射镜进行仿真分析。
89.步骤9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4重新调整结构。
90.步骤10完成上一步分析以后，在光学仿真软件中重新搭建双层光路，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。
91.步骤11通过步骤4、步骤5、步骤6、步骤7、步骤8、步骤9、步骤10以后，进行两路光谱仪的公差分析，确定立体双层结构c-t光谱仪最终结构。
92.一个实施例中，根据设计步骤所述的步骤1和步骤2，确定系统接收谱段要求以及光谱分辨率要求，选定使用的光电探测器6，进而确定狭缝、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480-620nm，光谱仪b光谱范围为280-440nm，所要达到的分辨率要求为1nm。
93.根据设计步骤所述的步骤3、步骤4、步骤5和步骤6，利用光学仿真软件(本具体实施案例中用zemax 18.4)，得到m型c-t结构的光谱仪a光路如图4所示，m型c-t结构的光谱仪b光路如图5所示。
94.根据设计步骤7到设计步骤11，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立体双层结构c-t光谱仪如图6所示。
95.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术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技术为必须采用上述具体的细节来实现。
96.为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术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。