光譜儀及工作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種光譜儀及工作方法，所述光譜儀包括光源、探測(cè)器，進(jìn)一步包括：分束器設(shè)置在光源發(fā)出的測(cè)量光的光路上，將測(cè)量光分出第一光束和第二光束；第一反射單元將第一光束反射到第三反射單元；第二反射單元將第二光束反射到第三反射單元；第三反射單元的一個(gè)側(cè)面將第一光束反射到第四反射單元，另一側(cè)面將第二光束反射到第五反射單元；第三反射單元的反射面與分束器的反射面間的夾角為銳角；第四反射單元反射第一光束，使得第一光束原路返回到分束器，并進(jìn)入探測(cè)器；第五反射單元用于反射第二光束，使得第二光束原路返回到分束器，并進(jìn)入探測(cè)器；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于平移和／或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光譜儀及工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析，特別涉及光譜儀及工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傅里葉變換紅外光譜儀的基本原理是:準(zhǔn)直的紅外光束入射干涉儀中，通過(guò)干涉儀中動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)，獲取不同光程差下的干涉圖，而干涉圖是干涉光強(qiáng)度隨著光程差變化的函數(shù)，將獲取的干涉圖進(jìn)行傅里葉變換，就可以得到對(duì)應(yīng)的光譜圖，從而實(shí)現(xiàn)光譜探測(cè)。干涉儀是傅里葉變換紅外光譜儀的核心部件。干涉儀所能提供的光程差大小，直接決定著光譜儀的分辨率。
[0003]經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀只能提供兩倍于動(dòng)鏡移動(dòng)距離的光程差，因此基于經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換紅外光譜儀要獲取高分辨率光譜，就必須增加動(dòng)鏡的移動(dòng)范圍，需要大行程的音圈電機(jī)或者直線(xiàn)電機(jī)，這樣就會(huì)增加光譜儀的體積和成本。
[0004]因此，構(gòu)建能夠提供較長(zhǎng)光程差的干涉儀光學(xué)系統(tǒng)成為一個(gè)本領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明提供了一種分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的光譜儀。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種光譜儀，所述光譜儀包括光源、探測(cè)器，進(jìn)一步包括:
[0008]分束器，所述分束器設(shè)置在所述光源發(fā)出的測(cè)量光的光路上，用于將所述測(cè)量光分出第一光束和第二光束；
[0009]第一反射單元，所述第一反射單元用于將所述第一光束反射到第三反射單元；
[0010]第二反射單元，所述第二反射單元用于將所述第二光束反射到所述第三反射單元;
[0011]第三反射單元，所述第三反射單元的一個(gè)側(cè)面將所述第一光束反射到第四反射單元，另一側(cè)面將所述第二光束反射到第五反射單元；所述第三反射單元的反射面與所述分束器的反射面間的夾角為銳角；
[0012]第四反射單元，所述第四反射單元用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器，并進(jìn)入所述探測(cè)器；
[0013]第五反射單元，所述第五反射單元用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器，并進(jìn)入所述探測(cè)器；
[0014]運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元。
[0015]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述第三反射單元的所述位置是由與分束器的反射面平行且中軸線(xiàn)共線(xiàn)的位置轉(zhuǎn)動(dòng)而來(lái)。
[0016]根據(jù)上述的光譜儀，可選地，所述光譜儀進(jìn)一步包括:[0017]調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置。
[0018]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述測(cè)量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。
[0019]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
[0020]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述第三反射單元的兩個(gè)反射面平行。
[0021]本發(fā)明的目的還在于提供了一種分辨率高的光譜儀的工作方法，該發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0022]一種光譜儀的工作方法，所述工作方法包括以下步驟:
[0023](Al)光源發(fā)出的測(cè)量光在分束器上分出第一光束和第二光束；
[0024](A2)所述第一光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的一個(gè)反射面后入射到第四反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入探測(cè)器；
[0025]所述第二光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的另一個(gè)反射面后入射到第五反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入所述探測(cè)器；
[0026]所述第三反射單元的反射面和分束器的反射面間的夾角為銳角；
[0027](A3)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元，使得第一光束和第二光束從所述分束器射出、返回的光程差不同。
[0028]根據(jù)上述的工作方法，可選地，所述第一光束經(jīng)過(guò)第一反射單元反射后入射到所述第三反射單元，所述第二光束經(jīng)過(guò)第二反射單元后入射到所述第三反射單元。
[0029]根據(jù)上述的工作方法，優(yōu)選地，所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
[0030]根據(jù)上述的工作方法，可選地，當(dāng)所述第三反射單元轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步驟(A3)進(jìn)一步包括以下步驟:
[0031]調(diào)節(jié)步驟，用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分束器。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為:
[0033]1、高光譜分辨率:在行程已定的情況下，通過(guò)增加第三反射單元和分束器間的夾角Θ，可以獲取更長(zhǎng)的光程差4d ^tanQ (第三反射單元的平移距離為d)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜探測(cè)；
[0034]2、低成本:為了獲取特定的高分辨光譜，可以通過(guò)調(diào)節(jié)Θ角，降低系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的量程需求，從而降低成本，尤其是對(duì)于使用成本較高的音圈電機(jī)的光譜儀。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035]參照附圖，本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是:這些附圖僅僅用于舉例說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而并非意在對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中:
[0036]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的光譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0037]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的工作方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0038]圖1、2和以下說(shuō)明描述了本發(fā)明的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導(dǎo)本發(fā)明技術(shù)方案，已簡(jiǎn)化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個(gè)變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可選實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。
[0039]實(shí)施例1:
[0040]圖1示意性地給出了本發(fā)明實(shí)施例的光譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示，所述光譜儀包括:
[0041]光源11、探測(cè)器32，所述光源11和探測(cè)器32是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述；
[0042]分束器21，所述分束器21設(shè)置在所述光源11發(fā)出的測(cè)量光的光路上，用于將所述測(cè)量光分出第一光束和第二光束；
[0043]第一反射單元22，所述第一反射單元22用于將所述第一光束反射到第三反射單元24 ；
[0044]第二反射單元23，所述第二反射單元23用于將所述第二光束反射到所述第三反射單元24 ；
[0045]第三反射單元24，所述第三反射單元24的一個(gè)側(cè)面將所述第一光束反射到第四反射單元25，另一側(cè)面將所述第二光束反射到第五反射單元26 ;所述第三反射單元24的反射面與所述分束器21的反射面間的夾角為銳角；
[0046]第四反射單元25，所述第四反射單元25用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器21，并進(jìn)入所述探測(cè)器31 ；
[0047]第五反射單元26，所述第五反射單元26用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器21，并進(jìn)入所述探測(cè)器31 ；
[0048]運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元24。
[0049]為了使第一光束和第二光束入射到第三反射單元時(shí)是對(duì)稱(chēng)的，優(yōu)選地，所述第三反射單元的所述位置是由與分束器的反射面平行且中軸線(xiàn)共線(xiàn)的位置轉(zhuǎn)動(dòng)而來(lái)。
[0050]為了適應(yīng)于第三反射單元的轉(zhuǎn)動(dòng)，可選地，所述光譜儀進(jìn)一步包括:
[0051 ] 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置。
[0052]為了使第一光束和第二光束行進(jìn)路徑對(duì)稱(chēng)，優(yōu)選地，所述測(cè)量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。優(yōu)選地，所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。優(yōu)選地，所述第三反射單元的兩個(gè)反射面平行。
[0053]圖2示意性地給出了光譜儀的工作方法的流程圖，如圖2所示，所述工作方法包括以下步驟:
[0054](Al)光源發(fā)出的測(cè)量光在分束器上分出第一光束和第二光束；
[0055](A2)所述第一光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的一個(gè)反射面后入射到第四反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入探測(cè)器；
[0056]所述第二光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的另一個(gè)反射面后入射到第五反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入所述探測(cè)器；[0057]所述第三反射單元的反射面和分束器的反射面間的夾角為銳角；
[0058](A3)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元，使得第一光束和第二光束從所述分束器射出、返回的光程差不同。
[0059]為了使第一光束和第二光束行進(jìn)路徑對(duì)稱(chēng)，可選地，所述第一光束經(jīng)過(guò)第一反射單元反射后入射到所述第三反射單元，所述第二光束經(jīng)過(guò)第二反射單元后入射到所述第三反射單元。優(yōu)選地，所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
[0060]為了適應(yīng)于第三反射單元的轉(zhuǎn)動(dòng)，可選地，當(dāng)所述第三反射單元轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步驟(A3)進(jìn)一步包括以下步驟:
[0061]調(diào)節(jié)步驟，用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分束器。
[0062]實(shí)施例2:
[0063]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的光譜儀及工作方法在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用例。具體檢測(cè)二氧化碳等氣體的含量。
[0064]如圖1所示，在該應(yīng)用例中，紅外光源11發(fā)射出的紅外光束經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡12進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束由分束器21進(jìn)行分束(反射和透射的兩束光)；分束后的兩束光分別通過(guò)平面反射鏡22和平面反射鏡23以垂直分束器21所在平面方向入射到雙面(平行)反射平板24 ;反射鏡22和反射鏡23關(guān)于分束器21對(duì)稱(chēng)設(shè)置，經(jīng)過(guò)雙面反射平板24的兩個(gè)側(cè)面反射后的兩紅外光束分別經(jīng)過(guò)平面反射鏡25和平面反射鏡26回射并按照原光路返回分束器21產(chǎn)生合束干涉；干涉光束出射進(jìn)入紅外探測(cè)單元3，經(jīng)過(guò)聚焦拋物面反射鏡31聚焦到紅外探測(cè)器32感光面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉光束的探測(cè)。雙面反射平板24與分束器21所在平面成一定夾角0，并`在線(xiàn)性馬達(dá)作用下沿著分束器21所在平面做線(xiàn)性往返運(yùn)動(dòng)改變兩光束的光程差，從而在紅外探測(cè)器32處獲得與光程差相對(duì)應(yīng)的一系列紅外光信號(hào)強(qiáng)度值；探測(cè)到的紅外干涉信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換處理，從而得到對(duì)應(yīng)的紅外光譜譜圖。裝有待測(cè)氣體的測(cè)量池設(shè)置在所述分束器和聚焦拋物面反射鏡31之間的光路上。
[0065]雙面反射平板24的平移距離為d時(shí)，兩束光的光程差為4d ? tan 0。
[0066]實(shí)施例3:
[0067]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的光譜儀及工作方法在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用例。具體檢測(cè)一氧化碳等氣體的含量。
[0068]如圖1所示，在該應(yīng)用例中，紅外光源11發(fā)射出的紅外光束經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡12進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束由分束器21進(jìn)行分束(反射和透射的兩束光)；分束后的兩束光分別通過(guò)平面反射鏡22和平面反射鏡23以垂直分束器21所在平面方向入射到雙面(平行)反射平板24 ;反射鏡22和反射鏡23關(guān)于分束器21對(duì)稱(chēng)設(shè)置，經(jīng)過(guò)雙面反射平板24的兩個(gè)側(cè)面反射后的兩紅外光束分別經(jīng)過(guò)平面反射鏡25和平面反射鏡26回射并按照原光路返回分束器21產(chǎn)生合束干涉；干涉光束出射進(jìn)入紅外探測(cè)單元3，經(jīng)過(guò)聚焦拋物面反射鏡31聚焦到紅外探測(cè)器32感光面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉光束的探測(cè)。雙面反射平板24與分束器21所在平面成一定夾角0，并在線(xiàn)性馬達(dá)作用下沿著分束器21所在平面做線(xiàn)性往返運(yùn)動(dòng)改變兩光束的光程差，從而在紅外探測(cè)器32處獲得與光程差相對(duì)應(yīng)的一系列紅外光信號(hào)強(qiáng)度值；探測(cè)到的紅外干涉信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換處理，從而得到對(duì)應(yīng)的紅外光譜譜圖。裝有待測(cè)氣體的測(cè)量池設(shè)置在所述分束器和聚焦拋物面反射鏡31之間的光路上。[0069]在光程差的調(diào)節(jié)過(guò)程中，還利用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)調(diào)節(jié)所述雙面反射平板24與分束器21之間的夾角，之后平移。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，還需配備調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(未示出)，如三維調(diào)節(jié)架，以調(diào)節(jié)反射鏡25、26的位置，使得入射光經(jīng)反射鏡25、26反射后原路返回到分束器21。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜儀，所述光譜儀包括光源、探測(cè)器，其特征在于:所述光譜儀進(jìn)一步包括: 分束器，所述分束器設(shè)置在所述光源發(fā)出的測(cè)量光的光路上，用于將所述測(cè)量光分出第一光束和第二光束； 第一反射單元，所述第一反射單元用于將所述第一光束反射到第三反射單元； 第二反射單元，所述第二反射單元用于將所述第二光束反射到所述第三反射單元；第三反射單元，所述第三反射單元的一個(gè)側(cè)面將所述第一光束反射到第四反射單元，另一側(cè)面將所述第二光束反射到第五反射單元；所述第三反射單元的反射面與所述分束器的反射面間的夾角為銳角； 第四反射單元，所述第四反射單元用于反射所述第一光束，使得第一光束原路返回到所述分束器，并進(jìn)入所述探測(cè)器； 第五反射單元，所述第五反射單元用于反射所述第二光束，使得第二光束原路返回到所述分束器，并進(jìn)入所述探測(cè)器； 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于平移和/或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述第三反射單元的所述位置是由與分束器的反射面平行且中軸線(xiàn)共線(xiàn)的位置轉(zhuǎn)動(dòng)而來(lái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述光譜儀進(jìn)一步包括: 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述測(cè)量光在所述分束器上分出反射的第一光束和透射的第二光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜儀，其特征在于:所述第三反射單元的兩個(gè)反射面平行。
7.一種光譜儀的工作方法，所述工作方法包括以下步驟: (Al)光源發(fā)出的測(cè)量光在分束器上分出第一光束和第二光束； (A2)所述第一光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的一個(gè)反射面后入射到第四反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入探測(cè)器； 所述第二光束經(jīng)過(guò)第三反射單元的另一個(gè)反射面后入射到第五反射單元，經(jīng)過(guò)反射后原路返回到所述分束器，之后進(jìn)入所述探測(cè)器； 所述第三反射單元的反射面和分束器的反射面間的夾角為銳角； (A3)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)所述第三反射單元，使得第一光束和第二光束從所述分束器射出、返回的光程差不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工作方法，其特征在于:所述第一光束經(jīng)過(guò)第一反射單元反射后入射到所述第三反射單元，所述第二光束經(jīng)過(guò)第二反射單元后入射到所述第三反射單J Li ο
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工作方法，其特征在于:所述第一反射單元和第二反射單元關(guān)于所述分束器對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工作方法，其特征在于:當(dāng)所述第三反射單元轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，步驟(A3)進(jìn)一步包括以下步驟: 調(diào)節(jié)步驟，用于調(diào)節(jié)所述第四反射單元和第五反射單元的位置，使得第一光束和第二光束原路返回到所述分 束器。
【文檔編號(hào)】G01J3/02GK103712692SQ201310756582
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】華道柱, 張良, 黃偉, 葉華俊 申請(qǐng)人:聚光科技(杭州)股份有限公司