CN101281061A

CN101281061A - 高分辨率光谱测量装置

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Publication number: CN101281061A
Application number: CNA2008100326797A
Authority: CN
Inventors: 蔡小舒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2008-10-08

Abstract

一种高分辨率光谱测量装置，涉及光谱测量技术领域；所要解决的是提高灵敏度和分辨率的光谱测量技术问题；该测量装置由光入射端起依次包括入射透镜、多套色散传播部分、狭缝、终端色散元件、面阵光敏元件，所述每套色散传播部分由光输入端起依次包括色散元件、柱透镜、按直线排列的多根光纤束；入射光经入射透镜后形成平行光照射到第一色散元件上进行分段，经第一色散元件色散后的入射光经柱透镜聚焦后分段进入多根光纤束，再传播到后一套色散传播部分的色散元件上进行再分段，或者经过狭缝到达终端色散元件，再照射到面阵光敏元件上转换成电信号，完成光谱的测量。本发明具有高分辨率、高灵敏度，能测量动态光谱或瞬态光谱的特点。

Description

高分辨率光谱测量装置

技术领域

本发明涉及光谱测量技术，特别是涉及一种用多个色散元件、光纤和面阵光敏元件，如CCD、CMOS、PDA等来实现高分辨率光谱测量的技术。

背景技术

光谱测量装置是应用极广泛的测量和分析仪器，在各行各业都有广泛的应用。现有的光谱测量装置采用棱镜或光栅等色散元件将入射光色散成组成入射光的光谱。测量光谱有2类方法，1类是固定出射狭缝，在出射狭缝出口装有光电探测元件，如光电倍增管等。当入射光经过入射狭缝照射到色散元件时，旋转色散元件，使色散的光谱信号连续通过出射狭缝被狭缝出口安装的光电探测元件接收，转变成电信号。另一类是用一线阵光敏元件，如线阵CCD，线阵CMOS，线阵光敏二极管PDA等同时接收被色散元件色散的光谱信号，转变成电信号。这是近年来得到迅速发展的光纤光谱仪的基本原理。

在第一类方法中，如果用很窄的入射狭缝和出射狭缝结合较大的色散角，可以实现高的光谱分辨率，但该类方法测量时间较长，光路复杂，不适合动态光谱或瞬态光谱的测量。而且为得到高的光谱分辨率，必须采用很窄的入射狭缝和出射狭缝，光能的利用率很低，不得不用光电倍增管、雪崩二极管等高灵敏度的光电探测元件进行测量。

在第二类方法中，光谱测量的分辨率主要取决于光栅的线对数，要测量的光谱范围，入射狭缝的宽度和CCD或其它光敏阵列元件的象素的尺寸和数目。在这类方法中，光谱测量装置可以实现动态光谱或瞬态光谱的测量。但受CCD或其它光敏阵列元件制作工艺的限制，这类方法的光谱分辨率低于第一类方法，不能满足某些即需要高分辨率光谱测量，又要求测量时间很短的动态光谱或瞬态光谱测量的场合。

为克服这些矛盾，其它一些光谱测量方法被提出，如利用阶梯光栅，获得衍射光谱的不同级光谱，对这些不同级的光谱进行测量，可以获得很高分辨率的光谱。在德国专利DE 19620541 A1中提出了一种用阶梯光栅和光纤实现高分辨率光谱测量的方法，在该专利中，申请人用阶梯光栅获得不同衍射级的色散光谱，然后将不同衍射级色散的光谱用光纤引出，再进行色散，获得高分辨率的光谱。但这种高分辨率光谱测量装置的结构比较复杂。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能在获得高分辨率的同时，大幅度提高灵敏度的；能测量动态光谱或瞬态光谱的，且光路比较简单的高分辨率光谱测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种高分辨率光谱测量装置，其特征在于，由光入射端起依次包括入射透镜、至少一套色散传播部分、狭缝、终端色散元件、面阵光敏元件，所述每套色散传播部分由光输入端起依次包括(第一)色散元件、柱透镜、由固定件固定的按直线排列的至少二根光纤束；

入射光经入射透镜后形成平行光照射到色散传播部分的(第一)色散元件上进行分段，经(第一)色散元件色散后的入射光(谱)经柱透镜聚焦后(分段)进入至少二根光纤束，光经光纤束传播后到达光纤出射端，再传播到后一个色散传播部分的色散元件上进行再分段，或者经过狭缝到达终端色散元件，经终端色散元件色散的各个波段的光谱信号照射到面阵光敏元件上，由面阵光敏元件转换成电信号，完成光谱的测量。

进一步的，所述终端色散元件、色散传播部分的色散元件包括棱镜或反射光栅。

进一步的，所述反射光栅包括凹面反射光栅、需要在光路中增加凹面反射镜和/或汇聚透镜的平面光栅。

进一步的，所述面阵光敏元件包括面阵CCD、CMOS、或面阵PDA等光敏元件。

进一步的，所述色散传播部分的光纤出射端各光纤间应当保持(一定的)间隔，

进一步的，所述色散传播部分的光纤束的入射端为“之”字形光纤排列方式。

进一步的，所述色散传播部分的不同子波段的光纤的出射端安装角按光栅对不同波长光的色散角进行安装。

进一步的，所述狭缝也对应每根光纤分成不同部分进行安装。

利用本发明提供的高分辨率光谱测量装置，由于采用将入射光色散后进行分段传播、并分别在不同的光敏元件上转换成电信号的光谱测量方式，使光谱测量既提高了分辨率，又提高了灵敏度；由于采用面阵CCD、CMOS、或面阵PDA等光敏元件，每个光谱子波段可以由面阵光敏元件上的若干行象素同时探测，将其输出信号叠加，可以获得高的灵敏度；由于将原光谱分解成若干个子光谱波段，每个光谱子波段的波长范围减小，这就可能采用较宽的入射狭缝，在获得高分辨率的同时，大幅度提高灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例的用二个色散元件、多根光纤和一个面阵CCD构成的高分辨率光谱测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的光纤出射端布置方式示意图；

图3是本发明实施例的光纤入射端排列布置方式示意图；

图4是本发明实施例的光纤出射端安装角布置方式示意图；

图5是本发明实施例的五个色散元件、多根光纤和二个面阵CCD构成的高分辨率光谱测量装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种高分辨率光谱测量装置，包括了由2个或多个色散元件，光纤束，CCD面阵、CMOS面阵或其它面阵光敏元件等组成的光色散及光谱测量系统。

当入射光经过入射狭缝，照射到第一个色散元件后色散成为一连续或离散的光谱，用若干根光导纤维接收该光谱，则将该光谱分解成了若干个子光波段，每根光纤传播1个子波段的光。将这若干个子光波段的光在照射到第2个色散元件，再度色散，形成更精细的由若干个子波段光谱组成的2维光谱信号，该2维光谱信号由面阵CCD或其它面阵光敏元件同时接收，就可以得到高分辨率的光谱测量。

如对于从紫外到近红外光波段200-1100nm的光谱，在入射狭缝足够窄的情况下，采用4096个象素的CCD，目前采用线阵CCD或其它面阵光敏元件的光谱仪可以得到的最高分辨率大约是0.4nm。如果需要更高的分辨率，就需要更多象素的线阵CCD。

在本发明中，如果将该200-1100nm波长范围内的光谱用第一个色散元件色散成10个光谱子波段，用10根光纤来分别接收这10个光谱子波段的光信号，然后用第二个色散元件将这10根光纤出来的光信号进一步色散，形成10个子波段的光谱，再将这10个子波段的光谱照射到一面阵CCD或其它面阵光敏元件上。假设该面阵CCD的象素是4096×3100，10个子波段的光谱宽度为(1100-200)/10＝90nm，则可能获得的最高光谱分辨率可达0.03nm。要进一步提高分辨率，可以用更多根光纤，将第一个色散元件色散的光谱分解成更多个光谱子波段。如用20根光纤，则光谱分辨率可以达到0.015nm。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种高分辨率光谱测量装置，包括入射透镜1，第一色散元件棱镜2，柱透镜3，按直线排列的光纤束4，光纤束固定件5，狭缝6，第二色散元件凹面光栅7，面阵CCD 8。

入射光经透镜1后形成平行光照射到第一色散元件棱镜2上，经棱镜2色散后的入射光谱经柱透镜3聚焦后进入光纤束4，光经光纤束4传播后到达光纤固定件5出射，经过狭缝6到达第二色散元件凹面反射光栅7，经凹面反射光栅色散的多个波段的光谱信号照射到面阵CCD 8上，由面阵CCD上的光敏象素接收，转换成电信号，完成光谱的测量。

要提高光谱测量的分辨率，可以增加光纤的数目来得到更多个子波段光谱。为防止各个波段光谱在面阵CCD上相互干扰，光纤出射端各光纤间应保持一定的间隔，如图2所示。

为防止各光纤接收到的光谱信号不连续，无法在最终测得完整的光谱，在光纤束的入射端可以采用如图3所示的“之”字形光纤排列方式，各个光纤接收到的光谱波段略有重合。这样保证了最终测得的光谱是完整的光谱。

由于光栅7对不同波长光的色散角是不同的，为保证各个子波段光谱都能落在面阵CCD或其它面阵光敏元件上，光纤固定件可以是按一定角度安装，即不同子波段的光纤的出射端安装角按光栅对不同波长光的色散角来安装，如图4所示。在这种安装方式中，狭缝6也应对应每根光纤分成不同部分安装。

在本发明中，凹面光栅可以换成平面光栅，但此时需要在光路中增加凹面反射镜和/或汇聚透镜。

如图5所示，本发明另一实施例所提供的一种高分辨率光谱测量的装置，包括入射透镜1a，第一色散元件棱镜2a，柱透镜3a，由2根光纤组成的光纤束4a和4b，2个第二色散元件棱镜5a和5b，由若干根光纤按直线排列的2根光纤束6a和6b，2个狭缝7a和7b，第三色散元件凹面反射光栅8a和8b，面阵CCD 9a和9b等。

入射光经透镜1a后形成平行光照射到第一色散元件棱镜2a上，经棱镜2a色散后的入射光谱经柱透镜3a聚焦后分别进入光纤4a和4b，光纤4a和光纤4b将整个测量光谱分成2个波段，这2个波段的信号光谱在光纤4a和4b出口分别照射到2个第二色散元件5a和5b，从5a和5b出来的色散后的光再分别经由2束由若干根光纤组成的光纤束6a和6b出射，经过狭缝7a和7b到达第三色散元件凹面反射光栅8a和8b，经凹面反射光栅色散的多个波段的光谱信号分别照射到面阵CCD 9a和9b上，由面阵CCD9a和9b上的光敏象素接收，转换成电信号，完成光谱的测量。色散元件8a和8b可以选用不同闪耀波长的光栅，以在各自的光谱波段范围内获得最大的色散效率。在6a和6b前应该有柱透镜，以提高光利用率。

在本实施例中，第二色散元件5a和5b可以是光栅，也可以是棱镜。

在本实施例中，由于采用了2套并行的色散光路和CCD，在CCD象素数不太多时，也能获得高的光谱分辨率。要获得更高的分辨率和灵敏度时，可以用多套并行的色散光路、光纤和CCD或其它光敏元件。

Claims

1、一种高分辨率光谱测量装置，其特征在于，由光入射端起依次包括入射透镜、至少一套色散传播部分、狭缝、终端色散元件、面阵光敏元件，所述每套色散传播部分由光输入端起依次包括色散元件、柱透镜、由固定件固定的至少二根光纤束；

入射光经入射透镜后形成平行光照射到色散传播部分的第一色散元件上进行分段，经第一色散元件色散后的入射光经柱透镜聚焦后分段进入至少二根光纤束，再传播到后一套色散传播部分的色散元件上进行再分段，或者经过狭缝到达终端色散元件，经终端色散元件色散的各个波段的光谱信号照射到面阵光敏元件上，由面阵光敏元件转换成电信号，完成光谱的测量。

2、根据权利要求1所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述终端色散元件、色散传播部分的色散元件为棱镜。

3、根据权利要求1所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述终端色散元件、色散传播部分的色散元件为反射光栅。

4、根据权利要求3所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述反射光栅包括凹面反射光栅、需要在光路中增加凹面反射镜和/或汇聚透镜的平面光栅。

5、根据权利要求1至4中任何一项所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述面阵光敏元件包括面阵CCD、CMOS、或面阵PDA等光敏元件。

6、根据权利要求1至4中任何一项所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述色散传播部分的光纤出射端各光纤间应当保持间隔。

7、根据权利要求1至4中任何一项所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述色散传播部分的光纤束的入射端为“之”字形光纤排列方式。

8、根据权利要求1至4中任何一项所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述色散传播部分的不同子波段的光纤的出射端安装角按光栅对不同波长光的色散角进行安装。

9、根据权利要求8所述的高分辨率光谱测量装置，其特征在于，所述的光纤的出射端所需狭缝也对应每根光纤分成不同部分进行安装。