光谱仪论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种光谱仪，属于光谱技术领域，所述光谱仪包括L形光路管道，L形光路管道内沿光线传输方向依次设置有第一柱面透镜、可移动狭缝、第二柱面透镜、光栅和成像透镜，其中：第一柱面透镜和第二柱面透镜均为平凸柱面透镜，第一柱面透镜和第二柱面透镜共焦且两者的轴向子午线均平行于可移动狭缝；光栅为反射式闪耀光栅。本实用新型结构简单，成本低，光能损耗低，光谱亮度高。本实用新型为自制的高精度、操作简便且运用广泛的光谱仪，可以填补天文研究用的光谱仪未被推广的空缺。该光谱仪可供广大天文爱好者自己研究使用甚至是较小型天文台光谱获得使用，可以提高民间天文爱好者的研究能力，促进天文研究事业的多极化发展。

主设计要求

1.一种光谱仪，其特征在于，包括L形光路管道，所述L形光路管道内沿光线传输方向依次设置有第一柱面透镜、可移动狭缝、第二柱面透镜、光栅和成像透镜，其中：所述第一柱面透镜、可移动狭缝和第二柱面透镜位于所述L形光路管道的一个直管内，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜均为平凸柱面透镜，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜共焦且两者的轴向子午线均平行于所述可移动狭缝；所述光栅位于所述L形光路管道的角部，所述光栅为反射式闪耀光栅；所述成像透镜位于所述L形光路管道的另一直管内。

设计方案

1.一种光谱仪，其特征在于，包括L形光路管道，所述L形光路管道内沿光线传输方向依次设置有第一柱面透镜、可移动狭缝、第二柱面透镜、光栅和成像透镜，其中：

所述第一柱面透镜、可移动狭缝和第二柱面透镜位于所述L形光路管道的一个直管内，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜均为平凸柱面透镜，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜共焦且两者的轴向子午线均平行于所述可移动狭缝；

所述光栅位于所述L形光路管道的角部，所述光栅为反射式闪耀光栅；

所述成像透镜位于所述L形光路管道的另一直管内。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一柱面透镜的光路前方设置有凹透镜组。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述L形光路管道的光线入口连接有天文望远镜物镜。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的柱面背向所述可移动狭缝。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第二柱面透镜的光线出射表面在轴向子午线两侧设置有遮光片。

6.根据权利要求1-5中任一所述的光谱仪，其特征在于，所述可移动狭缝设置在位于所述L形光路管道中的狭缝夹板上，所述L形光路管道的光线入口设置有转动套筒，所述转动套筒的外部螺纹连接有套环，所述套环通过至少三根连杆固定连接位于所述L形光路管道中的所述狭缝夹板。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅为500nm闪耀光栅。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅为可转动光栅，采用1:10以上齿速比的减速涡轮进行驱动。

9.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述成像透镜为平凸球面透镜，所述成像透镜的球面朝向所述光栅，所述成像透镜处设置有套筒旋转调节结构以进行调焦。

10.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述成像透镜的光路后方设置有CCD图像传感器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及光谱技术领域，特别是指一种光谱仪。

背景技术

可见光波段天文观测活动对近现代天文学发展贡献巨大，可谓是天文学的基石。天体的距离以及运动状况、星体物质的组成以及类星体的分类及研究，甚至是哈勃常数的计算，宇宙年龄及其膨胀速度的计算都很大程度上依赖可见光天文学中光谱的测定。虽然可见光在电磁波中的波长范围甚小，但其大气窗口却是全开放的，所以目前人类天文学的绝大部分观测活动都是基于可见光波段天文学进行的。所以说，可见光天文学意义重大，而光谱的测定及分析正是可见光天文学的分析手段中运用最为广泛的手段之一。我国LAMOST(郭守敬望远镜——世界上光谱获得效率最高的望远镜)的建立极大地推动了天体测光学的发展。但是光谱测定目前只是科研人员及天文学家们掌握并使用的一种方法，目前缺少一种适合天文爱好者和普通群体使用、成本低、精度高的光谱仪。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种适合天文爱好者和普通群体使用、成本低、精度高的光谱仪。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

一种光谱仪，包括L形光路管道，所述L形光路管道内沿光线传输方向依次设置有第一柱面透镜、可移动狭缝、第二柱面透镜、光栅和成像透镜，其中：

所述光栅位于所述L形光路管道的角部，所述光栅为反射式闪耀光栅；

所述成像透镜位于所述L形光路管道的另一直管内。

进一步的，所述第一柱面透镜的光路前方设置有凹透镜组。

进一步的，所述L形光路管道的光线入口连接有天文望远镜物镜。

进一步的，所述第一柱面透镜和第二柱面透镜的柱面背向所述可移动狭缝。

进一步的，所述第二柱面透镜的光线出射表面在轴向子午线两侧设置有遮光片。

进一步的，所述可移动狭缝设置在位于所述L形光路管道中的狭缝夹板上，所述L形光路管道的光线入口设置有转动套筒，所述转动套筒的外部螺纹连接有套环，所述套环通过至少三根连杆固定连接位于所述L形光路管道中的所述狭缝夹板。

进一步的，所述光栅为500nm闪耀光栅。

进一步的，所述光栅为可转动光栅，采用1:10以上齿速比的减速涡轮进行驱动。

进一步的，所述成像透镜为平凸球面透镜，所述成像透镜的球面朝向所述光栅，所述成像透镜处设置有套筒旋转调节结构以进行调焦。

进一步的，所述成像透镜的光路后方设置有CCD图像传感器。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的光谱仪，结构简单，适合天文爱好者和普通群体使用，成本低，光能损耗低，光谱亮度高，精度高。

附图说明

图1为本实用新型的光谱仪的光路原理图；

图2为图1所示光谱仪中第一和第二柱面透镜的配合状态示意图；

图3为本实用新型的光谱仪的剖面结构示意图；

图4为图3所示光谱仪中套环与狭缝夹板连接结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种光谱仪，如图1-4所示，包括L形光路管道10，L形光路管道10内沿光线传输方向依次设置有第一柱面透镜20、可移动狭缝21、第二柱面透镜22、光栅23和成像透镜24，其中：

第一柱面透镜20、可移动狭缝21和第二柱面透镜22位于L形光路管道10的一个直管101内，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22均为平凸柱面透镜，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22共焦且两者的轴向子午线均平行于可移动狭缝21(即如图1所示，可移动狭缝21为水平方向，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22的柱面位于竖向方向)；

光栅23位于L形光路管道10的角部，光栅23为反射式闪耀光栅，优选为500nm闪耀光栅；

成像透镜24位于L形光路管道10的另一直管102内。

本实用新型具有以下创新：

1、柱面透镜的使用

为了拍摄高精度光谱以进行后期光谱分析，该光谱仪采用了像端分光的方法进行分光。但像端分光光谱仪因其物像形状和狭缝形状不相配而使得光能损耗严重，光谱获得效率较低。为提高狭缝处的通光率缩短曝光时间以提高光谱获得效率，本实用新型使用柱面透镜来改变物像形状以适应狭缝形状，从而增大光通量。其中，在可移动狭缝21前使用的第一柱面透镜20用来矫正光线，如图2所示，其将圆柱形平行光25校准为扁形汇聚光26，该第一柱面透镜20能够偏折子午光线但不偏折弧矢光线(此时子午光线是汇聚的，弧矢光线是平行的)，从而产生子午焦线，这样可以使圆柱形平行光线变成扁形汇聚光，这样一来可以提高光密度，让更多光线经过可移动狭缝21，从而提高天体光能的利用率；第二柱面透镜22用来准直光线，并且，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22共焦线f，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22的组合运用可以在光栅23前获得扁形平行光，使得光谱成像更加清晰，有效缩短成像系统中镜片移动的范围，进而缩小光谱仪的大小。

2、可移动狭缝的运用

像端分光光谱仪有一个特点，即光谱获得率低。为了改变这一特点，本实用新型采用可移动狭缝，即狭缝可以在第一柱面透镜和第二柱面透镜之间前后移动，如图1所示，可移动狭缝优选位于两者的焦线附近，通过移动来切割光束以完成亮度和精度的调节。它的设计借鉴了相机镜头中的光圈，将亮度调节和精度调节相结合。这样，既可以调整所得光谱的精度，又可以有效控制通光亮。光谱亮度与光谱精度成反比。在图1或图3中，狭缝前(上)移，精度增加，光谱变暗；狭缝后(下)移，精度降低，光谱变亮。拍摄前可以先依据光源亮度和光谱情况来确定狭缝位置，制定最佳拍摄方案。这样可以有规划地进行光谱拍摄，以达到最高拍摄效率。

3、光栅的选用

光通过狭缝后经过的下一个光学组件，就是分光组件。分光方法一般有棱镜分光法、光栅分光法和干涉分光法。考虑到手工镶嵌镜片时实际精度无法达到理论精度，于是首先排除干涉分光法；再考虑到后期光谱标定分析的简便性，最终采用光谱线性展开的光栅分光法。光栅又分为两类:透射光栅和反射光栅。由于透射光栅的0级光谱耗光严重，故本实用新型选用反射光栅中的闪耀光栅。运用500nm闪耀光栅可以使光谱在500nm谱段附近形成闪耀，保证可见光波段的光谱明亮(可见光平均波长555nm)，并且该光谱仪拍摄的是二级衍射(一级光谱)，一次只用拍摄局部光谱，这样既可以保证光谱的明亮又可以保证光谱精度。

本实用新型的光谱仪，结构简单，适合天文爱好者和普通群体使用，成本低，光能损耗低，光谱亮度高，精度高，极大程度的改善了像端分光光谱仪光能损失严重、光谱获得效率低的状况。

如图1所示，第一柱面透镜20的光路前方可以设置有凹透镜组27，这样可以增加光线汇聚能力，进一步提高光谱采集的亮度，提高光谱分辨率。该光谱仪可以观测近距离光源光谱，为方便观测远距离光源的光谱，L形光路管道10的光线入口可以连接有天文望远镜物镜28，以便于采集恒星等的光谱。

为提高第一柱面透镜20和第二柱面透镜22的配合效果，如图1-2所示，第一柱面透镜20和第二柱面透镜22的柱面优选均背向可移动狭缝21。另外，发明人在研究过程中发现，柱面透镜组的使用会在光谱两侧产生一定的晕影(即光晕)，影响光谱的识别，为解决该问题，第二柱面透镜22的光线出射表面在轴向子午线两侧(即图1和图2中上下两侧)优选设置有遮光片(未示出)，以消除不必要的光晕。

本实用新型使用时，可以在成像透镜24后方加上目镜来进行肉眼观察，通过肉眼直接观察采集到的光谱，然而为方便采集光谱并进行后续处理，成像透镜24的光路后方可以设置有CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器29，通过CCD图像传感器29可以将光信号转化为电信号，从而利于进行后续的光谱去噪和分析。由于CCD中的芯片很小，光谱不一定完全呈现在芯片上，为此可以采用可转动光栅，图3中231为光栅的驱动轴，具体可以使用1:10以上(例如1:30)齿速比的减速涡轮进行驱动。

本实用新型中，为提高成像质量，成像透镜24优选为平凸球面透镜，且成像透镜24的球面朝向光栅23。并且，为方便调焦，成像透镜24可以采用套筒旋转调节方式进行调焦，套筒旋转调节结构241为本领域常规技术，此处不再赘述其具体结构。

本实用新型中，可移动狭缝可以采用各种结构形式，如齿轮齿条带动方式、套筒旋转调节方式、升降螺钉带动方式等，然而优选采用螺纹升降+联动杆传动结构：

如图3-4所示，可移动狭缝21设置在位于L形光路管道10中的狭缝夹板11上，L形光路管道10的光线入口设置有转动套筒12，转动套筒12的外部螺纹连接有套环13，套环13通过至少三根连杆14(图中所示实施例采用位于四角的四根金属连杆)固定连接位于L形光路管道10中的狭缝夹板11。

当需要调节狭缝位置时，旋转转动套筒12(转动套筒只转动，不上下移动)，转动套筒12通过螺纹带动套环13沿转动套筒12上下移动(套环只上下移动，不转动)，套环13通过连杆14带动狭缝夹板11上下移动，从而实现狭缝位置调节。该传动方式结构简单，调节精度高，稳定性好。

本实用新型为自制的高精度、操作简便且运用广泛的光谱仪，可以填补天文研究用的光谱仪未被推广的空缺。该光谱仪可供广大天文爱好者自己研究使用甚至是较小型天文台光谱获得使用，可以提高民间天文爱好者的研究能力，促进天文研究事业的多极化发展。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

设计图

光谱仪论文和设计

光谱仪论文和设计

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢