CN101672695A

CN101672695A - 一种衍射光栅光谱仪

Info

Publication number: CN101672695A
Application number: CN200910114415A
Authority: CN
Inventors: 董建杰; 张卫平
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2010-03-17

Abstract

本发明涉及一种衍射光栅光谱仪，包括带有狭缝的平板、平面光栅和光谱采集装置。所述平板上的狭缝的缝宽可以调节，平面光栅作为一个衍射成像元件对平板上的狭缝成像，除零级衍射光外从平面光栅出射的每一级衍射光分别在狭缝的虚像面上成一组虚光谱，光谱采集装置是数码相机、胶片相机、摄像机其中一种，或者是正透镜和CCD组成的装置，或者是正透镜和感光板组成的装置，光谱采集装置对某一非零级衍射光衍射所成的像进行采集，从而采集到光谱。本发明不仅结构简单、易于调节，而且便于使用不同的采集系统采集光谱。

Description

一种衍射光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及一种将复色光分离成光谱的仪器，尤其是一种衍射光栅光谱仪。

背景技术

光谱技术在宇航、遥感、生化、环保、天文等领域都有着广泛的应用。光谱技术的一个关键环节就是光谱的获取。目前用于获取光谱的光谱仪主要有两类，一类是传统型光谱仪，另一类是干涉型光谱仪。

传统型光谱仪具有一种固定的结构，这种固定结构包括准直系统、色散系统和接受系统三个部分。而光谱仪的每一个系统都是由一些分离的元件组成，因此整个系统的结构比较复杂。传统型光谱仪具有结构复杂和组成仪器的光学元件数目多的特点，使得这种仪器不易于调节，不便于携带，而且仪器制造成本高，仪器中的光学元件对能获取的光谱范围影响很大。而另一类干涉型光谱仪，虽然它一般都具有光谱分辨率高的优点。但干涉型光谱仪的元件的制造精度要求很高，仪器的元件定位精度要求也很高。而且用这类仪器获取光谱信息时还要进行大量、复杂的计算处理。这使得在某些条件下对光谱的观测十分不便，并且这类仪器的成本也不低。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、易于调节的衍射光栅光谱仪，这种光谱仪便于使用不同的采集系统采集光谱。

本发明通过以下技术方案达到上述目的。

一种衍射光栅光谱仪，包括带有狭缝的平板、平面光栅和光谱采集装置三个组成部分，所述光谱采集装置是数码相机、胶片相机、摄像机其中一种，或者是正透镜和CCD探测器组成的装置，或者是正透镜和感光板组成的装置，所述CCD探测器和摄像机各由一台计算机控制，所述平面光栅为一个独立的衍射成像元件。所述平面光栅为一个衍射成像元件对平板上的狭缝成像，除零级衍射光外从平面光栅出射的每一级衍射光分别在狭缝的虚像面上成一组虚光谱。

所述平面光栅为透射型光栅或反射型光栅。

所述平面光栅的栅线是直线。

所述平板上的狭缝的缝宽可以调节，并且平板上的狭缝平行于平面光栅的栅线。平板上的狭缝的出光口对准平面光栅的入射表面，光谱采集装置的进光口对准平面光栅的出射表面。待测的目标光通过所述衍射光栅光谱仪各部分的顺序依次为带有狭缝的平板、平面光栅、光谱采集装置。

其工作原理是：

所述平面光栅为一个衍射成像元件。用待测的目标光照明平板上的狭缝，平面光栅对平板上的狭缝进行衍射成像。除零级衍射光外从平面光栅出射的每一级衍射光中不同波长的光都分别对狭缝成一个单色虚像，这些虚像在其像面上沿垂直于狭缝的方向按波长排列开。对于透射型平面光栅，像面在穿过狭缝并且平行光栅平面的平面上，或者像面在穿过狭缝并且平行于光栅平面的平面附近，即像面稍向平面光栅方向靠拢；对于反射型平面光栅，像面在穿过光栅平面对狭缝的镜像并且平行于光栅平面的平面上，或者像面在穿过光栅平面对狭缝的镜像并且平行于光栅平面的平面附近，即像面稍向平面光栅方向靠拢。除零级衍射光外从平面光栅出射的任一级衍射光对狭缝成的所有虚像构成待测的目标光的虚光谱。其中由波长为λ的衍射光对狭缝所成的单色像或谱线到狭缝的距离L_n可以表为L_n＝|λfnd|，而波长间隔为Δλ的两光波的谱线在像面上的间隔L_n(Δλ)可以表为L_n(Δλ)＝|Δλfnd|，其中f是光栅的空间频率，n是衍射光的级数，d是谱线到光栅平面的距离。当光栅的空间频率f确定后，测出某一待测谱线的L_n值就可得到形成该待测谱线的光的波长，或者已知某一参考谱线对应的波长，测出参考谱线和待测谱线在像面上的距离L_n(Δλ))也可得到形成该待测谱线的光的波长。因此只要通过某一级衍射光对狭缝衍射成像，再通过光谱采集装置就能采集到目标光的光谱。

为了改善传统型光谱仪或干涉型光谱仪的不足，本发明所述的衍射光栅光谱仪获取光谱的方法，既不同于传统型光谱仪获取光谱的方法，也不同于干涉型光谱仪获取光谱的方法，而是利用平面光栅对物体的衍射成像效应获取光谱。直栅线的平面光栅能够对物体进行衍射成像。这种衍射成像效应表述为：在单色光照明下的物体，通过直栅线的平面光栅的每一级衍射光都可以分别成一单色像，而且，除零级衍射光外其它级衍射光所成的单色像的位置与照明光的波长有关。所述物体是实物或虚物。对于透射型平面光栅，像面在平面光栅的物面上，或者像面在平面光栅的物面附近，即像面稍向平面光栅方向靠拢；对于反射型平面光栅，像面在光栅平面对物面的镜像面上，或者像面在光栅平面对物面的镜像面附近，即像面稍向平面光栅方向靠拢。当用复色光照明物体时，除零衍射光级外，直栅线的平面光栅的每一级衍射光中不同波长的光分别对同一物体成一单色像，而且这些不同颜色的像在成像面上按波长沿垂直与平面光栅的栅线的方向排列开，即某一非零级衍射光对同一物点成的不同颜色的像的位置不同。平面光栅对实物成虚像。

本发明具有以下突出的优点：

不仅结构简单、易于调节、光谱分辨率高，而且适于获取红外光波段的光谱、可见光波段的光谱和紫外光波段的光谱。本发明的另外一个突出优点是便于使用各种采集系统采集光谱。例如数码相机或胶片相机可以在光栅后直接拍摄光谱，由计算机控制的摄像机可以在光栅后直接采集光谱，正透镜和CCD探测器组成的装置或正透镜和感光板组成的装置也可以在光栅后直接采集光谱。

附图说明

图1为实施例1的光路示意图

图2为实施例2的光路俯视图

图3为实施例3的光路示意图

图4为实施例4的光路俯视图

图1至图4中的标记为：S待测的目标光、D某一非零级衍射光、P虚光谱、1带有狭缝的平板、2平面透射光栅、3照相机、4平面反射光栅、5摄像机、6计算机、7CCD探测器、8正透镜、9感光板。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

对照图1，一种具体的衍射光栅光谱仪包括一块带有狭缝的平板1、一片平面透射光栅2和一台照相机3或一台摄像机，所述摄像机由一台计算机控制着。按待测的目标光S依次经过衍射光栅光谱仪的各部分的顺序，所述衍射光栅光谱仪的输入部分是一块带有狭缝的平板1，衍射光栅光谱仪的中间部分是一片平面透射光栅2，衍射光栅光谱仪的输出部分是一台照相机3或一台摄像机。带有狭缝的平板1安放在平面透射光栅2的入射表面以前的空间里，平板1上的狭缝平行于平面透射光栅2的栅线，照相机3或摄像机安放在平面透射光栅2的透射表面以后的空间里，平板1上的狭缝的出光口对准平面透射光栅2的入射表面，照相机3的进光口或摄像机的进光口对准平面透射光栅2的透射表面。

所述的衍射光栅光谱仪，平板1上的狭缝的缝宽可以调节，平面透射光栅2的栅线是直线，照相机3是数码相机或胶片相机。

其工作原理是：

待测的目标光S从平板1上的狭缝出射后，经平面透射光栅2透射成多级衍射光，除零级衍射光外其它的每一级衍射光在平面透射光栅2对平板1上的狭缝的成像面上分别成一组虚光谱P。照相机3的镜头或摄像机的镜头对着某一非零级衍射光D，该级衍射光进入照相机3或摄像机后，经过调节照相机3或摄像机使其对该级衍射光所成的虚光谱P成一清晰的像，然后用照相机3拍摄此图像从而得到待测的目标光S的光谱或用计算机控制着摄像机采集此图像的信息从而得到待测的目标光S的光谱信息。

实施例2

对照图2，一种具体的衍射光栅光谱仪包括一块带有狭缝的平板1、一片平面反射光栅4和一台摄像机5或一台照相机，所述摄像机5由一台计算机6控制着。按待测的目标光S依次经过衍射光栅光谱仪的各部分的顺序，所述衍射光栅光谱仪的输入部分是一块带有狭缝的平板1，衍射光栅光谱仪的中间部分是一片平面反射光栅4，衍射光栅光谱仪的输出部分是一台摄像机5或一台照相机。带有狭缝的平板1安放在平面反射光栅4的入射表面以前的空间里，平板1上的狭缝平行于平面反射光栅4的栅线，并且带有狭缝的平板1位于平面反射光栅4的一个侧边的前方；摄像机5或照相机也安放在平面反射光栅4的入射表面以前的空间里，并且摄像机5或照相机位于平面反射光栅4的另一个侧边的前方。平板1上的狭缝的出光口对准平面反射光栅4的入射表面，摄像机5的进光口或照相机的进光口对准平面反射光栅4的反射表面，平面反射光栅4的入射表面和反射表面都背对着平面反射光栅4的背部的外表面。

所述的衍射光栅光谱仪，平板1上的狭缝的缝宽可以调节，平面反射光栅4的栅线是直线，照相机是数码相机或胶片相机。

其工作原理是：

待测的目标光S从平板1上的狭缝出射后，经平面反射光栅4反射成多级衍射光，除零级衍射光外其它的每一级衍射光在平面反射光栅4对平板1上的狭缝的成像面上分别成一组虚光谱。摄像机5的镜头或照相机的镜头对着某一非零级衍射光D，该级衍射光进入摄像机5或照相机后，经过调节摄像机5或照相机使其对该级衍射光所成的虚光谱成一清晰的像，然后用计算机控制着摄像机5采集此图像的信息从而得到待测目标光S的光谱图像和光谱强度的数据或用照相机拍摄此图像从而得到待测的目标光S的光谱。

实施例3

对照图3，一种具体的衍射光栅光谱仪包括一块带有狭缝的平板1、一片平面透射光栅2、一个正透镜8、一个CCD探测器7或一片感光板。所述的CCD探测器7由计算机6控制着。按待测的目标光S依次经过衍射光栅光谱仪的各部分的顺序，所述衍射光栅光谱仪的输入部分是一块带有狭缝的平板1，衍射光栅光谱仪的中间部分是一片平面透射光栅2，衍射光栅光谱仪的输出部分是一个由一个正透镜8和一个CCD探测器7组成的装置或一个由一个正透镜8和一片感光板组成的装置。带有狭缝的平板1安放在平面透射光栅2的入射表面以前的空间里，平板1上的狭缝平行于平面透射光栅2的栅线，正透镜8安放在平面透射光栅2的透射表面以后的空间里，平面透射光栅2与CCD探测器7或感光板之间由正透镜8隔开。平板1上的狭缝的出光口对准平面透射光栅2的入射表面，正透镜8对着平面透射光栅2的透射表面，CCD探测器7的探测面或感光板的感光面朝向正透镜8并垂直于正透镜8的光轴。

所述的衍射光栅光谱仪，平板1上的狭缝的缝宽可以调节，平面透射光栅2的栅线是直线。

其工作原理是：

待测的目标光S从平板1上的狭缝出射后，经平面透射光栅2透射成多级衍射光，除零级衍射光外其它的每一级衍射光在平面透射光栅2对平板1上的狭缝的成像面上分别成一组虚光谱P。正透镜8对着某一非零级衍射光D，该级衍射光通过正透镜8后，调节正透镜8和平面透射光栅2的距离让正透镜8对虚光谱P成实像。再将CCD探测器7或感光板移动到正透镜8对虚光谱P所成的实像的像面上，然后用计算机6控制着CCD探测器7采集光谱信息或让感光板适量曝光以记录待测的目标光S的光谱。

实施例4

对照图4，一种具体的衍射光栅光谱仪包括一块带有狭缝的平板1、一片平面反射光栅4、一个正透镜8、一片感光板9或一个CCD探测器。所述CCD探测器由一台计算机控制着。按待测的目标光S依次经过衍射光栅光谱仪的各部分的顺序，所述衍射光栅光谱仪的输入部分是一块带有狭缝的平板1，衍射光栅光谱仪的中间部分是一片平面反射光栅4，衍射光栅光谱仪的输出部分是一个由一个正透镜8和一片感光板9组成的装置或一个由一个正透镜8和一个CCD探测器组成的装置。带有狭缝的平板1安放在平面反射光栅4的入射表面以前的空间里，平板1上的狭缝平行于平面反射光栅4的栅线，并且带有狭缝的平板1位于平面反射光栅4的一个侧边的前方；正透镜8也安放在平面反射光栅4的入射表面以前的空间里，并且正透镜8位于平面反射光栅4的另一个侧边的前方；平面反射光栅4与感光板9或CCD探测器之间由正透镜8隔开。平板1上的狭缝的出光口对准平面反射光栅4的入射表面，正透镜8对着平面反射光栅4的反射表面，平面反射光栅4的入射表面和反射表面都背对着平面反射光栅4的背部的外表面，感光板9的感光面或CCD探测器的探测面朝向正透镜8并垂直于正透镜8的光轴。

所述的衍射光栅光谱仪，平板1上的狭缝的缝宽可以调节，平面反射光栅4的栅线是直线。

其工作原理是：

待测的目标光S从平板1上的狭缝出射后，经平面反射光栅4反射成多级衍射光，除零级衍射光外其它的每一级衍射光在平面反射光栅4对平板1上的狭缝的成像面上分别成一组虚光谱。正透镜8对着某一非零级衍射光D，该级衍射光通过正透镜8后，调节正透镜8和平面反射光栅4的距离让正透镜8对该级衍射光所成的虚光谱成实像，再将感光板9或CCD探测器移动到正透镜8对虚光谱所成的实像的像面上，然后让感光板适量曝光以记录待测的目标光S的光谱或用计算机控制着CCD探测器采集待测的目标光S的光谱信息。

Claims

1、一种衍射光栅光谱仪，包括带有狭缝的平板、平面光栅和光谱采集装置三个组成部分，所述光谱采集装置是数码相机、胶片相机、摄像机其中一种，或者是正透镜和CCD探测器组成的装置，或者是正透镜和感光板组成的装置，所述CCD探测器和摄像机各由一台计算机控制，其特征在于，所述平面光栅为一个独立的衍射成像元件，所述平面光栅为一个衍射成像元件对平板上的狭缝成像，除零级衍射光外从平面光栅出射的每一级衍射光分别在狭缝的虚像面上成一组虚光谱。

2、根据权利要求1所述的衍射光栅光谱仪，其特征在于，所述平面光栅为透射型光栅或反射型光栅。

3、根据权利要求1所述的衍射光栅光谱仪，其特征在于，所述平面光栅的栅线是直线。

4、根据权利要求1所述的衍射光栅光谱仪，其特征在于，所述平板上的狭缝的缝宽可以调节。