可调谐光谱滤光装置及使用方法、拉曼光谱仪

1.本发明涉及光学和光谱分析技术，特别涉及可调谐光谱滤光装置及其使用方法、拉曼光谱仪。


背景技术：

2.滤光片是用来选取所需过滤的光的光学器件，带通滤光片是滤光片的一种；带通滤光片根据光谱特性大致分为宽带滤光片和窄带滤光片两种，在一些波段由于滤光片的工艺难度大，导致其价格昂贵，值得改进。
3.滤光片的截止频率一般为固定的，难以改变，对需要仪器具备通用性的使用者造成使用困难，值得改进。
4.滤光片很难实现高信噪比滤光，值得改进。
5.深紫外波段镀膜滤光片的价格非常昂贵，值得改进。
6.深紫外拉曼光谱仪具有紫外激发效率高、灵敏度高、穿透力强等优点，在环保科学、生命科学、疾病检测、矿石检测、食品安全、安全防务和珠宝鉴定等领域具有重要的应用价值。然而拉曼光谱激发强度较低，瑞利散射噪声和其他频率噪声会淹没拉曼光谱信号，因此拉曼光谱仪中必须要对瑞利散射噪声及其他频率杂散光进行滤除。
7.通常拉曼光谱滤光主要采用镀膜滤光片完成，但是在深紫外波段，窄带宽的滤光片镀膜难度大，很难测试到频率很高的拉曼光谱信号，导致测试范围小，导致单个镀膜滤光片适应的测试场景较少，需要很多个镀膜滤光片才能适应较多的测试场景。
8.深紫外波段镀膜滤光片的价格非常昂贵，造成拉曼光谱仪的整体价格高昂，值得改进。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供可调谐光谱滤光装置及其使用方法、拉曼光谱仪。
10.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：a.可调谐光谱滤光装置，设计优秀之处在于：沿光轴依次放置入射视场光阑、第一凹面反射光栅、透射式狭缝装置、第二凹面反射光栅、出射视场光阑；透射式狭缝装置具有狭缝；光路走向如下：光束经过入射视场光阑；随后斜射进入第一凹面反射光栅，经过第一凹面反射光栅的色散，将不同频率的光进行分离，然后入射到透射式狭缝装置，不同频率的光信号在透射式狭缝装置不同位置汇聚，汇聚于狭缝的光线可通过狭缝，透过狭缝的光线随后入射到第二凹面反射光栅，经过第二凹面反射光栅的色散相减后，成像在出射视场光阑，完成光的过滤。
11.进一步的：所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
12.进一步的：第一凹面反射光栅、第二凹面反射光栅，二者规格相同。
13.进一步的：第一凹面反射光栅、第二凹面反射光栅，二者的选型均为深紫外凹面反射光栅。
14.进一步的：第一凹面反射光栅、第二凹面反射光栅，二者焦点重合。
15.进一步的：透射式狭缝装置可以移动。
16.进一步的：第一凹面反射光栅与第二凹面反射光栅各结构参数相同，互为对称结构；入射视场光阑、透射式狭缝装置的位置关于第一凹面反射光栅物像共轭，透射式狭缝装置、出射视场光阑的位置关于第二凹面反射光栅物像共轭。
17.进一步的：调整滤波带宽的中心频率位置的方法为调整透射式狭缝装置的缝隙的中心的位置，调整滤波带宽的宽度的方法为调整透射式狭缝装置的狭缝的宽度。
18.进一步的：用于拉曼散射光仪采集到的拉曼散射光的过滤；包括以下过程：拉曼散射光仪采集到的含有瑞利散射光与杂散光的光束经过入射视场光阑，进行空间滤光，去掉大部分杂散光；光束入射到第一凹面反射光栅，发生色散调制，瑞利散射光与拉曼散射光分离，在像平面上形成色散场景图像；调整在第一凹面反射光栅的像面上放置的透射式狭缝装置，过滤掉剩余的瑞利散射光与杂散光；从透射式狭缝装置出射的光束入射到第二凹面反射光栅，经过色散相减，成像在出射视场光阑，完成光的过滤。
19.b.拉曼光谱仪，具有滤光装置，滤光装置为前述的可调谐光谱滤光装置。
20.进一步的，拉曼光谱仪，用于珠宝的检测。
21.进一步的，拉曼光谱仪，用于食品安全的检测。
22.进一步的，拉曼光谱仪，用于工业尾水的检测。
23.本发明的有益效果是：（1）与现有技术相比，发明可调谐光谱滤光装置及方法，通过能够选取透射式狭缝装置的位置及狭缝的宽度的方法，可直接滤除与拉曼散射光混杂在一起的瑞利散射光信号和其他频率的杂散光，提供了滤光的新的技术思路。
24.（2）与现有技术相比，无需使用价格昂贵的紫外波段镀膜的滤光镜，成本低廉，节约了成本。
25.（3）与现有技术相比，使用者可以根据具体需求，调整透射式狭缝装置的位置及狭缝的宽度，轻易改变光波过滤的中心频率和带宽，使用灵活，测试范围广。
26.（4）现有技术单一滤光片很难实现高信噪比滤光，本发明可以轻易实现高信噪比的滤光。
27.（5）与现有技术相比，使用者可以根据具体需求，调整透射式狭缝装置的位置及狭缝的宽度，改变滤光的中心频率和滤波带宽的宽度，使得本发明的适应场合十分的广泛，适应性更好。
28.（6）与现有技术相比，本发明只需要调整透射式狭缝装置的位置及狭缝的宽度就可以获得所需的光谱滤波装置，无需把滤光片换来换去，也不需要进行零件更换操作，使用方便。
29.综上所述，本发明成本低廉、测试范围广、信噪比高、适应性更好、使用方便。
30.其他说明：说明书中，斜射进入第一凹面反射光栅，是指进入第一凹面反射光栅的光与第一凹面反射光栅的反射面的法线既不重合也不平行。
附图说明
31.图1为本发明实施例1的示意图。
32.图2为本发明实施例1的示意图，与图1不同的是透射式狭缝装置3的狭缝的空间位置不同。
33.图3为本发明实施例1的示意图，与图1、图2不同的是透射式狭缝装置3的狭缝的空间位置不同。
34.图1、图2、图3中，为了视图的清晰，为了阅读理解方便，夸张的放大了光线之间的角度。
35.图1、图2、图3中，左下角的坐标的x轴和y轴所在平面平行于光学平台或仪器底座。
36.图中：1、入射视场光阑；2、第一凹面反射光栅；3、透射式狭缝装置；4、第二凹面反射光栅；5、出射视场光阑；a、b、c第一凹面反射光栅，发生色散调制分离的不同频率的光线。
具体实施方式
37.实施例1、如图1—图3所示，可调谐光谱滤光装置，设计优秀之处在于：沿光轴依次放置入射视场光阑（1）、第一凹面反射光栅（2）、透射式狭缝装置（3）、第二凹面反射光栅（4）、出射视场光阑（5）；透射式狭缝装置（3）具有狭缝；光路走向如下：光束经过入射视场光阑（1）；随后斜射进入第一凹面反射光栅（2），经过第一凹面反射光栅（2）的色散，将不同频率的光进行分离，然后入射到透射式狭缝装置（3），不同频率的光信号在透射式狭缝装置（3）不同位置汇聚，透过狭缝的光线随后入射到第二凹面反射光栅（4），经过第二凹面反射光栅（4）的色散相减后，成像在出射视场光阑，完成光的过滤。部分光线不透过狭缝，部分光线透光狭缝。
38.第一凹面反射光栅（2）、第二凹面反射光栅（4），二者规格相同。
39.第一凹面反射光栅（2）与第二凹面反射光栅（4）各结构参数相同，互为对称结构；入射视场光阑（1）、透射式狭缝装置（3）的位置关于第一凹面反射光栅（2）物像共轭，透射式狭缝装置（3）、出射视场光阑（5）的位置关于第二凹面反射光栅（4）物像共轭。
40.调整滤波带宽的中心频率位置的方法为调整透射式狭缝装置（3）的缝隙的中心的位置，调整滤波带宽的方法为调整透射式狭缝装置（3）的狭缝的宽度。
41.实施例2、在实施例1的基础上，第一凹面反射光栅（2）、第二凹面反射光栅（4），二者的选型均为深紫外凹面反射光栅。
42.实施例3、在实施例1的基础上，用于拉曼散射光仪采集到的拉曼散射光的过滤；包括以下过程：
探测场景发出的光束经过入射视场光阑（1），进行空间滤光，去掉大部分杂散光；光束入射到第一凹面反射光栅（2），发生色散调制，瑞利散射光与拉曼散射光分离，在像平面上形成色散场景图像；调整在第一凹面反射光栅（2）的像面上放置的透射式狭缝装置（3），过滤掉剩余的瑞利散射光与杂散光；从透射式狭缝装置（3）出射的光束入射到第二凹面反射光栅（4），经过色散相减，成像在出射视场光阑（5），完成光的过滤。
43.实施例4、拉曼光谱仪，具有滤光装置，滤光装置为前述的实施例1所述的可调谐光谱滤光装置。
44.实施例5、将实施例3所述的拉曼光谱仪，用于珠宝的检测，检测珠宝的纯度是否符合要求。
45.实施例6、将实施例3所述的拉曼光谱仪，用于食品安全的检测，判断食品中物质含量或种类是否超出食品法的要求范围。
46.实施例7、将实施例3所述的拉曼光谱仪，用于工业尾水的检测，检测工业尾水中的所含的各类物质的含量或种类是否符合环保标准。
47.虽然本发明的研发初衷格是为了解决拉曼光谱仪的技术问题，但阅读者不应该把本发明理解为仅能用于拉曼光谱仪这单一领域，本发明在其他需要滤光的光学系统或光学装置或光学仪器中也能使用，一项技术跨越多个技术领域是本领域技术人员所能理解的。

技术特征：
1.可调谐光谱滤光装置，其特征在于：沿光轴依次放置入射视场光阑（1）、第一凹面反射光栅（2）、透射式狭缝装置（3）、第二凹面反射光栅（4）、出射视场光阑（5）；透射式狭缝装置（3）具有狭缝；光路走向如下：光束经过入射视场光阑（1）；随后斜射进入第一凹面反射光栅（2），经过第一凹面反射光栅（2）的色散，将不同频率的光进行分离，然后入射到透射式狭缝装置（3），不同频率的光信号在透射式狭缝装置（3）不同位置汇聚，汇聚于狭缝的光线可通过狭缝，透过狭缝的光线随后入射到第二凹面反射光栅（4），经过第二凹面反射光栅（4）的色散相减后，成像在出射视场光阑，完成光的过滤。2.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。3.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：第一凹面反射光栅（2）、第二凹面反射光栅（4），二者规格相同。4.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：第一凹面反射光栅（2）、第二凹面反射光栅（4），二者的选型均为深紫外凹面反射光栅。5.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：第一凹面反射光栅（2）、第二凹面反射光栅（4），二者焦点重合。6.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：第一凹面反射光栅（2）与第二凹面反射光栅（4）各结构参数相同，互为对称结构；入射视场光阑（1）、透射式狭缝装置（3）的位置关于第一凹面反射光栅（2）物像共轭，透射式狭缝装置（3）、出射视场光阑（5）的位置关于第二凹面反射光栅（4）物像共轭。7.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：透射式狭缝装置的空间位置可以移动。8.如权利要求7所述的可调谐光谱滤光装置，其特征在于：调整滤波带宽的中心频率位置的方法为调整透射式狭缝装置（3）的缝隙的中心的位置，调整滤波带宽的宽度方法为调整透射式狭缝装置（3）的狭缝的宽度。9.如权利要求1所述的可调谐光谱滤光装置的使用方法，其特征在于：用于拉曼散射光仪采集到的拉曼散射光的过滤；包括以下过程：探测场景发出的光束经过入射视场光阑（1），进行空间滤光，去掉大部分杂散光；光束入射到第一凹面反射光栅（2），发生色散调制，瑞利散射光与拉曼散射光分离，在像平面上形成色散场景图像；调整在第一凹面反射光栅（2）的像面上放置的透射式狭缝装置（3），过滤掉剩余的瑞利散射光与杂散光；从透射式狭缝装置（3）出射的光束入射到第二凹面反射光栅（4），经过色散相减，成像在出射视场光阑（5），完成光的过滤。10.拉曼光谱仪，具有滤光装置，其特征在于：滤光装置为前述的可调谐光谱滤光装置；用于珠宝的检测或用于食品安全的检测或用于工业尾水的检测。

技术总结
本发明涉及光学分析领域；可调谐光谱滤光装置，光路走向如下：光束经过入射视场光阑（1）；随后斜射进入第一凹面反射光栅（2），然后入射到透射式狭缝装置（3），不同频率的光信号在透射式狭缝装置（3）不同位置汇聚，透过狭缝的光线随后入射到第二凹面反射光栅（4），经过第二凹面反射光栅（4）的色散相减后，成像在出射视场光阑，完成光的过滤。拉曼光谱仪，具有滤光装置，滤光装置为前述的可调谐光谱滤光装置。本发明成本低廉、测试范围广、信噪比高、适应性好、使用方便。使用方便。使用方便。


技术研发人员：毛桂林 孟鑫 王静静 王周兵 刘艺璇
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8