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本发明涉及光学仪器技术领域，具体涉及一种消除杂散光的光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置。

背景技术：

光纤光谱仪广泛应用于颜色测量、水质监测、珠宝鉴定、LED测量等诸多领域，而工作波段范围和分辨率是光纤光谱仪中最重要的性能参数，但在光纤光谱仪中，宽带和高分辨率是一对内在的矛盾。 传统的光纤光谱仪无法获得宽带和高分辨率的光谱信息。 这一矛盾制约了光纤光谱仪性能的提高，也限制了光纤光谱仪的进一步推广应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置，能够在保证高光谱分辨率的同时，获取宽频带的光谱信息。

第一方面，本发明实施例提供了一种光纤光谱仪，包括：光纤连接器、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、柱面镜、滤光片、线阵探测器； 由光纤接头进入入射狭缝的光经准直镜反射成平行光，平行光入射到光栅上，光栅产生衍射光，衍射光经聚焦镜处理进行会聚，然后通过柱面镜消除像散，滤光片滤除二次光谱多通道光纤光谱仪，最后成像到线阵探测器上。

可选的，所述光纤光谱仪采用切尼-特纳czerny-turner光路结构，所述光纤光谱仪设有壳体腔，准直镜为凹面镜，聚焦镜为凹面镜，入射狭缝位于接收腔前方内壁，光栅位于入射狭缝上方。

可选的，所述准直镜位于所述储物腔的后下方，所述聚焦镜位于所述准直镜上方。

可选地，柱面镜位于光栅的上方和前方，滤光片位于柱面镜的前方，线阵探测器位于滤光片的前方。

可选的，还包括第一光阑、第二光阑和第三光阑，第一光阑设置在光栅前并与光栅连接，第二光阑设置在直镜的顶部与光栅连接准直镜，第三光阑设置在接收腔的上部内壁上，第三光阑设置在线阵探测器和聚焦镜之间。

可选的，还包括导胶槽、光栅调节组件、成像镜调节组件和探测器调节组件，准直镜设置在导胶槽上，光栅调节组件与光栅连接，成像镜反射镜调整组件连接聚焦镜，探测器调整组件连接线阵探测器。

第二方面，本发明提供了一种多通道光纤光谱仪装置，包括：至少两个光纤光谱仪，所述两个光纤光谱仪的输出波段不同且存在一段光谱重叠，所述光谱通过数据处理进行拼接，使整个多通道光纤光谱仪装置实现宽带输出。

可选的，所述两个光纤光谱仪通过多芯光纤并联，使得每个光纤光谱仪的入射光相同。

可选地，每个光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每个光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

可选的，所述多通道光纤光谱仪装置设置有通用控制电路，用于调节任意一个光纤光谱仪的工作状态，每个光纤光谱仪设置有独立的控制电路，独立工作。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、多通道光纤光谱仪装置包括多个结构相似、输出波段不同的光纤光谱仪，每个光谱仪包括光纤连接器、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜和柱镜、滤光片、线阵检测器，从光纤连接器进入入射狭缝的光，经准直镜反射成平行光，入射到光栅上，由光栅产生的衍射光由光栅会聚聚焦镜，并通过柱镜消除像散，滤光片滤除二次光谱，然后在线阵探测器上采集图像。 每个光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每个光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。 任意两台相邻的光纤光谱仪输出波段不同且有一段光谱重叠，通过数据处理Spectrum进行拼接，从而使整个多通道光纤光谱仪装置实现宽带输出。

2、光纤光谱仪采用切尼-特纳czerny-turner光路结构。 光路优化过程通过合理设置准直镜和聚焦镜的偏心角消除了中心波长处的彗差，从而平衡了边缘波长彗差，使整个输出波段的图像质量均匀。

3、在光纤光谱仪的光路中，柱面镜用于消除像散，滤光片用于滤除二次光谱。 在波段的情况下，选择高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器。

4、光栅调节组件可以调节光栅的旋转角度和平移，成像镜调节组件可以调节聚焦镜的俯仰和平移，探测器调节组件可以调节线阵探测器的平移，通过光栅调节组件、成像镜调节组件和检测器调节组件，可以将光纤光谱仪制成多种不同的相似结构并输出不同的波段，使多种结构相似且输出的光纤光谱仪具有不同波段构成多通道光纤光谱仪装置。

图纸说明

图1是本发明一个实施例的光纤光谱仪的光路结构示意图；

图2为本发明一个实施例的光纤光谱仪的详细内部结构示意图；

图3为本发明多通道光纤光谱仪装置的整体结构示意图。

参考符号：通道一1； 频道二 2; 频道三 3； 频道四 4; 第五频道 5； 光纤连接器6； 总控制电路箱7； 手柄 8； 入射狭缝10； 准直镜11； 光栅12； 聚焦镜13； 柱面镜14； 滤光片15； 线阵探测器16个； 第一隔膜17； 第二隔膜18； 第三隔膜19； 调整组件22； 检测器调整组件 23.

详细方法

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。 显然，所描述的实施例只是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图。 图1为本发明光纤光谱仪的光路结构，采用切尼-特纳czerny-turner光路结构。 该光纤光谱仪包括：光纤接头6、入射狭缝10、准直镜11、光栅12、聚焦镜13、柱面镜14、滤光片15和线阵检测器16。 首先，从光纤接头6进入入射狭缝10的光经准直镜11反射成平行光，然后平行光入射到光栅12上，光栅12产生衍射光，再由衍射光光线经过聚焦镜13会聚后，通过柱面镜14消除像散，滤光片15滤除二次光谱，最后成像到线阵探测器16上。 光纤光谱仪的光路优化过程通过合理设置准直镜11和聚焦镜13的偏心角，消除了中心波长的彗差，从而平衡了边缘波长的彗差，使得光谱仪的图像质量整个输出带是均匀的。 准直镜11的偏心角是指准直镜11的反射面的法线与准直镜11的入射光的夹角。 聚焦镜13的偏心角是指聚焦镜13的反射面的法线与聚焦镜13的入射光的夹角。 所述柱面透镜14用于消除像散，所述滤光片15用于滤除二次光谱，所述滤光片15可以根据所述光纤光谱仪要输出的具体波段的情况选择高通滤光。 表15，低通滤波器15或带通滤波器15。

请参阅图2，为本发明实施例的光纤光谱仪的内部结构详图，光纤光谱仪设有外壳腔体，准直镜11为凹面镜，聚焦镜11为凹面镜。反射镜13为凹面镜，入射狭缝10位于壳体腔体前部内壁，光栅12位于入射狭缝10上方。 准直镜11位于收容腔的后下方，准直镜11的一部分位于光栅12的后下方。 聚焦透镜13位于准直透镜11上方，聚焦透镜13与准直透镜11位于收容腔体的同一侧。 柱面镜14位于光栅12的上方和上方，滤光片15位于柱面镜14的前方，滤光片15和柱面镜14分别位于贮存腔的上下方向。 高度相等。 线性检测器16位于滤波器15的前面。

请参考图。 如图2所示，光纤光谱仪还包括第一孔径17、第二孔径18和第三孔径19。 第一光阑17设置在光栅12前面并与光栅12相连，第二光阑18设置在准直镜11上方并与准直镜11相连，第三光阑19设置在上内第三光阑19位于接收腔壁上，第三光阑19位于线阵探测器16和聚焦镜13之间。 第一孔径17、第二孔径18和第三孔径19均用于消除杂散光。 通过杂散光模拟，确定光纤光谱仪内部的杂散光分布，在杂散光聚集较严重的区域设置孔径，消除杂散光，防止杂散光通过反射直接进入线阵检测器16。 第一孔径17、第二孔径18和第三孔径19的凹槽结构可以增加杂散光的反射次数，使得杂散光可以被第一孔径17、第二孔径18、第三孔径吸收。 19孔径，仪器内壁涂消光漆吸收，有效降低光纤光谱仪的杂散光水平。

请参阅图2，所述光纤光谱仪还包括光栅调节组件21、成像镜调节组件22和探测器调节组件23，所述光栅调节组件21与所述光栅12连接，所述成像镜调节组件22为连接所有聚焦透镜13，探测器调节组件23连接线阵探测器16。 光栅调节组件21可调节光栅12的旋转角度和平移，成像镜调节组件22可调节聚焦镜13的俯仰和平移，探测器调节组件23可调节线阵检测的平移该装置16可以保证检测器调节组件23只需要调节平移量，从而降低了光纤光谱仪的安装和调节难度。 通过光栅调整组件21、成像镜调整组件22和检测器调整组件23，光纤光谱仪可以形成多种相似的结构并输出不同的波段。

在一个实施例中，光纤光谱仪还包括导胶槽20，准直镜11设置在导胶槽20上，导胶槽20可以增加准直镜11的光密度。上胶保证了仪器性能的稳定性。 准直镜11的装配精度由机加工保证，准直镜11的镜座无调节量。

在其中一个实施例中，光栅12和聚焦透镜13也采用胶合固定。

在其中一个实施例中，光纤光谱仪的光学元件均采用胶水固定。

请参阅图2和图3，多通道光纤光谱仪装置的整体结构，所述的多通道光纤光谱仪装置包括通道一1、通道二2、通道三3、通道四4、通道五5、光纤连接器6（电源连接器和usb连接器位于设备背面，图中未显示），总控电路盒7和手柄8。五个光谱通道对应五个光纤光谱仪，五台光纤光谱仪通过一拖五光纤并联连接，使光信号通过一拖五光纤均匀分成五个光谱通道。 通道一1的输出波段范围为190nm-275nm，通道二2的输出波段范围为270nm-350nm，通道三3的输出波段范围为346nm-419nm，通道四4的输出波段范围为414nm- 515nm，5个输出波段范围是510nm-603nm。 每个光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每个光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

请参考图。 2和图。 3、光栅调节组件21可调节光栅12的旋转角度和平移，成像镜调节组件22可调节聚焦镜13的俯仰和平移，探测器调节组件23可调节直线光栅的平移阵列检测器16，可以使光纤光谱仪组成多种相似的结构输出不同的波段，使5个光纤光谱仪可以分散为不同的波段范围。 该多通道光纤光谱仪装置设有总控电路，可调节各光纤光谱仪的工作状态。 每台光纤光谱仪的光谱通过数据线传输到计算机多通道光纤光谱仪，通过专用数据处理软件将各自的光谱拼接在一起，从而得到入射光的宽带高分辨率光谱。

五款光纤光谱仪均采用相似的结构，根据不同的输出波段要求进行特定的光学设计和杂散光模拟与消除。 每台光纤光谱仪均设有独立的控制电路，可独立工作。

在其中一个实施例中，多通道光纤光谱仪装置包括两个光纤光谱仪，两个光纤光谱仪的输出波段不同且存在光谱重叠区域，通过数据处理拼接光谱，从而使整个多通道光纤光谱仪装置实现宽带输出。 两台光纤光谱仪通过多芯光纤并联，使每台光纤光谱仪的入射光相同。 每个光纤光谱仪输出的波段小于100nm，每个光纤光谱仪的光谱分辨率大于0.1nm。

多通道光纤光谱仪装置中光纤光谱仪的数量可以根据输出波段范围和分辨率的要求灵活设置。

在其中一个实施例中，每个光纤光谱仪被设计为追求更高的光谱分辨率，并且可以通过在每个光纤光谱仪内部增加光谱通道来补偿输出波段范围的不足。

本发明的多通道光纤光谱仪装置通过在不同窄带范围内设计高分辨率的光纤光谱仪，并将它们有机地结合起来，获得宽频带、高分辨率的光谱信息。 光纤光谱仪的光路设计消除了中心波长的彗差，引入柱面镜14消除像散，保证了光学系统的性能。 在光纤光谱仪的光路上进行杂散光模拟，有针对性地设置孔径，消除杂散光，保证仪器的信噪比。 本发明的多通道光纤光谱仪装置具有结构紧凑、杂散光低、光谱分辨率高、工作频带宽、信噪比高的特点。

以上所描述的本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。 其他任何根据本发明的技术构思所作的相应改动和变型，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特点：

技术概要

本发明公开了一种光纤光谱仪及多通道光纤光谱仪装置。 本发明的多通道光纤光谱仪装置包括多个结构相似但输出波段不同的光纤光谱仪，每个光纤光谱仪包括光纤连接器、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、柱面镜、滤光片、线阵检测器。 从光纤连接器进入入射狭缝的光经准直镜反射成平行光入射到光栅上。 二次光谱成像到线性阵列检测器上。 每个光纤光谱仪的输出波段比较窄，但光谱分辨率很高，相邻两个光纤光谱仪之间存在光谱重叠区。 光纤光谱仪通过多根光纤并联连接，通过数据处理将光谱进行拼接 ，从而使整个多通道光纤光谱仪装置实现宽频带、高分辨率的单色光输出。

技术研发人员：杨进； 陈建军； 崔继成； 孙慈； 刘建安； 刘建利； 张睿; 姚雪峰； 宋楠

技术保护用户：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

技术研发日：2017.11.15

技术公告日期：2018.05.01