温度稳定光谱仪的制作方法

本实用新型涉及一种温度稳定光谱仪。

背景技术：

光学元件被安装固定在精确位置上，并且这些元件相对位置需要非常稳定。但是，大多数材料随着温度的升高而膨胀。光谱仪的常用材料就是铝，它的热膨胀系数为23×10^-6/℃。材料的热膨胀导致焦距的改变从而影响了光学结构。如果光输入狭缝与光栅之间的距离变大，衍射光的焦点会向光栅方向移动，远离探测器。这种失焦会影响测量光的强度。衍射角变化和传感器阵列相对于光谱的位移会影响波长精度的热稳定性(可以通过绝对波长读出，传感器可以有单独的温度灵敏度)。

光谱仪的热稳定性可以用多种方法实现，被动或主动的。由于复杂性、所消耗的材料或热补偿方法，所述方法可能导致部件成本的增加。所以，光谱仪生产商要对易用性、用户成本、组件价格、复杂性、可制造性进行全面思考。对于用户来说，重要的是光谱仪相对应的性能与可接受的成本相平衡。

为了限制温度变化的有害影响，有几种方法：

一种明显的方法是被动的：使用具有非常低的热膨胀系数的材料。这种方法是最简单的，因为它直接解决了问题：为了避免热膨胀，DE102011082468B4使用的碳纤维增强塑料具有非常低的热膨胀系数为0.2×10^-6/℃(石英玻璃的热膨胀系数为0.75×10^-6/℃)。在DE3211868A1中，使用与玻璃匹配的陶瓷材料。

第二种方法是热补偿，它有两种类型。第一种是主动补偿。尺寸的变化与主动致动器等方法抵消。第二种类型是通过使用另一种具有不同热性质的材料来补偿，对这种材料的正确使用可以补偿尺寸的变化。在专利USB 8891082B2中描述了一个例子，热膨胀导致衍射光到达探测器上是失焦的。为了消除这种影响，成像位置被移到更接近光栅。这种方法是被动的，这种移动是由光谱仪所经历的相同的温度变化所引起的。

第三种方法是稳定光谱仪的温度。这是通过热耦合将光谱仪连接到温度控制基板上，或者通过在光谱仪主体上安装加热元件。电子反馈装置可以让光谱仪保持在恒定的温度。但是，附加的电子元件和加热元件增加了成本。

第四种方法是通过校正数据，例如，跟踪参考波长的变化。用包含参考波长的入射光，并且在测量光谱之前或同时测量该参考波长。然后基于参考波长的来校正测量的光谱。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种温度稳定光谱仪，其通过设置补偿基底来补充光谱仪外壳的热膨胀来维持光学元件的光学距离，从而实现温度稳定。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种温度稳定光谱仪，包括外壳、光栅元件、阵列探测器、支架以及至少一个补偿基底，所述光栅元件、阵列探测器、支架和补偿基底设置在所述外壳内，所述阵列探测器通过所述支架固定在所述外壳内，所述温度稳定光谱仪还包括入射狭缝，所述补偿基底使所述光栅元件与所述入射狭缝之间的距离恒定、所述光栅元件与所述阵列探测器之间的距离恒定；光线通过所述入射狭缝进入所述外壳，照射到所述光栅元件上后进行衍射，然后通过所述阵列探测器进行读取和转化。

进一步地，所述补偿基底的热膨胀系数大于所述外壳的热膨胀系数。

进一步地，所述入射狭缝设置在所述外壳上，或者，所述入射狭缝设置在外接SMA光纤连接器上。

进一步地，所述外壳内设有一个所述补偿基底，所述光栅元件设置在所述补偿基底上。

进一步地，所述外壳内设有第一补偿基底和第二补偿基底，所述入射狭缝设置在所述第一补偿基底上，所述阵列探测器设置在所述第二补偿基底上。

进一步地，所述外壳内还设有第三补偿基底，所述光栅元件设置在所述第三补偿基底上。

进一步地，所述外壳由铝材料制成。

进一步地，所述补偿基底由聚甲醛材料制成。

进一步地，所述光栅元件为平场型凹面光栅，所述光栅元件的焦曲线为直线。

进一步地，所述阵列探测器为CCD传感器阵列或CMOS光电传感器阵列，所述阵列探测器中设有光敏线性元件，所述光敏线性元件与所述焦曲线重合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型的温度稳定光谱仪在外壳内设置有补充基底来保证光栅元件与入射狭缝之间的距离恒定、光栅元件与阵列探测器之间的距离恒定，以较低的成本实现了光谱仪的温度稳定，使其能在大温度区间下工作，而无需主动控制温度或通过机械方式进行主动温度补偿，具有更好的应用前景。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型实施例一所示的温度稳定光谱仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二所示的温度稳定光谱仪的结构示意图；

图3为本实用新型实施例三所示的温度稳定光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例一

请参见图1，本实施例的温度稳定光谱仪，包括外壳1-1、光栅元件1-2、阵列探测器1-3、支架1-4以及一个补偿基底1-5，所述光栅元件1-2、阵列探测器1-3、支架1-4和补偿基底1-5设置在所述外壳1-1内，所述光栅元件1-2设置在所述补偿基底1-5上，所述阵列探测器1-3通过所述支架1-4固定在所述外壳1-1内，所述温度稳定光谱仪还包括入射狭缝1-6，所述补偿基底1-5使所述光栅元件1-2与所述入射狭缝1-6之间的距离恒定(LA)、所述光栅元件1-2与所述阵列探测器1-3之间的距离恒定(LB)。其中，入射光线1-61与光栅法线1-21成角度A，光栅元件1-2发出的衍射光线1-22与光栅发现1-21成角度B。该光谱仪中设有两个中空通道(未图示)，分别用于入射狭缝1-6与光栅元件1-2，以及光栅元件1-2与阵列探测器1-3之间的光线传播。本实施例的外壳1-1是单体结构，各元件安装设置在该单体结构的几个平面上，使得热平衡可以在整个过程中迅速、均匀地发生。

在本实施例中，光栅1-2为平场型凹面光栅，其焦曲线由不同波长的焦点形成，且该焦曲线为直线；阵列探测器1-3为CCD传感器阵列，其像素数在2048的范围内，该阵列探测器1-3中设有光敏线性元件，阵列探测器1-3先固定在支架1-4上，然后以光敏线性元件与光栅1-2的焦曲线重合的方式整体安装在外壳1-1上。通常来说，当温度升高时，光谱仪外壳1-1将各向同性地扩展，阵列探测器1-3会偏离由凹面光栅汇聚的光谱的焦曲线。当热膨胀足够大时，偏移量会大于衍射光的焦深w，从而导致光强度下降、光谱分辨率降低。焦深公式为w＝λ/NA²，波长350mm处焦深为18μm，波长800mm处焦深为41μm。为了便于比较，800mm的铝在温度变化40℃时，变化量为74μm。本实施例的温度稳定光谱仪为了保持入射光狭缝1-6到光栅元件1-2的距离，以及光栅元件1-2到阵列探测器1-3的距离恒定以达到热稳定，其将光栅元件1-2安装在补偿基底1-5上，且该补偿基底1-5由聚甲醛(POM)材料制成，该材料的热膨胀系数为110×10^-6/℃，是用于制成外壳1-1的材料(铝)的4.78倍，同时，支架1-4也可采用POM制成。补偿基底1-5安装在外壳1-1上，光栅元件1-2则固定在补偿基底1-5上，当外壳1-1热膨胀时，阵列探测器1-3朝远离光栅元件1-2的方向偏移，偏移量由外壳1-1的热膨胀系数和尺寸决定。同时，由于补偿基底1-5的扩展，光栅元件1-2则会朝向阵列探测器1-3的方向偏移，而且，由于光谱仪外壳1-1的膨胀，补偿基底1-5的扩展可以与阵列探测器1-3的运动完全匹配。由于POM具有较大的膨胀系数，通过设置POM为特定的长度，它的总膨胀可以与铝的总膨胀相抵消，从而实现该光谱仪的热稳定效果。具体地，

αAl×LAl＝αPOM×LPOM

以这种方式，保持光栅元件1-2到阵列探测器1-3的距离不变，同样的，以类似的方式，从入射狭缝1-6到光栅元件1-2的距离由于相同的原因可以保持不变。

实施例二

请参见图2，本实施例的温度稳定光谱仪包括外壳2-1、光栅元件2-2、阵列探测器2-3、支架2-4以及入射狭缝2-6，在外壳2-1内还设有两个补偿基底：第一补偿基底2-51以及第二补偿基底2-52，其中，入射狭缝2-6设置在第一补偿基底2-51上，且设置在靠近光栅元件2-2的一侧，阵列探测器2-3设置在第二补偿基底2-52上，光栅元件2-2固定在外壳2-1内。且，入射光线2-61与光栅法线2-21成角度A，光栅元件2-2发出的衍射光线2-22与光栅发现2-21成角度B。本实施例中，当外壳2-1发生热膨胀时，第一补偿基底2-51和第二补偿基底2-52会发生扩展，从而使入射狭缝2-6与光栅元件2-2之间的距离，以及阵列探测器2-3与光栅元件2-2之间的距离恒定。

实施例三

请参见图3，本实施例的温度稳定光谱仪包括外壳3-1、光栅元件3-2、阵列探测器3-3、支架3-4以及入射狭缝3-6，本实施例与实施例二基本相同，其区别之处在于，本实施例的外壳3-1中还设有第三补偿基底3-53，且光栅元件3-2设置在第三补偿基底3-53上。入射光线3-61与光栅法线3-21成角度A，光栅元件3-2发出的衍射光线3-22与光栅发现3-21成角度B。当外壳3-1发生热膨胀时，第一补偿基底3-51、第二补偿基底3-52以及第三补偿基底3-53会发生扩展，其总膨胀与外壳3-1的热膨胀相互抵消，使得入射狭缝3-6与光栅元件3-2之间的距离，以及阵列探测器3-3与光栅元件3-2之间的距离恒定。

以上实施例中，入射狭缝(1-6、2-6、3-6)可以是SMA光纤连接器的一部分，也可以单独固定在光谱仪外壳(1-1、2-1、3-1)上，又或是用固定支架(未图示)固定在光谱仪外壳(1-1、2-1、3-1)上。光纤接在入射狭缝(1-6、2-6、3-6)后面，入射狭缝(1-6、2-6、3-6)的宽度在5～200μm之间，高度为1mm。在没有入射狭缝(1-6、2-6、3-6)的情况下，还可以以光纤端作为输入狭缝。

以上三个实施例中，很明显地，实施例一的实现方法由于其简单性而成为首选。并且热膨胀的主要关注点是从光栅中心到狭缝的距离，以及光栅中心到探测器的距离。实施例二和三中的实现方法具有附加优点，即光谱仪在与光栅元件平行的方向上的扩展也得到补偿。

综上所述：本实用新型的温度稳定光谱仪在外壳内设置有补充基底来保证光栅元件与入射狭缝之间的距离恒定、光栅元件与阵列探测器之间的距离恒定，以较低的成本实现了光谱仪的温度稳定，使其能在大温度区间下工作，而无需主动控制温度或通过机械方式进行主动温度补偿，具有更好的应用前景。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。