CN103256981B - 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统 - Google Patents

小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103256981B
CN103256981B CN201310134926.5A CN201310134926A CN103256981B CN 103256981 B CN103256981 B CN 103256981B CN 201310134926 A CN201310134926 A CN 201310134926A CN 103256981 B CN103256981 B CN 103256981B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
band
grating
optical system
blazed grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310134926.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103256981A (zh
Inventor
刘华
党博石
王晓朵
卢振武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN201310134926.5A priority Critical patent/CN103256981B/zh
Publication of CN103256981A publication Critical patent/CN103256981A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103256981B publication Critical patent/CN103256981B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统，属于光学设计技术领域，为解决现有的光栅光谱仪采用狭缝作为系统光阑使得系统的能量利用率低的问题，该光学系统：光源发出的光经过光纤耦合后，光入射到胶合透镜Ⅰ上，光由发散光束变成复色平行光，复色平行光入射到闪耀光栅Ⅰ的表面，闪耀光栅Ⅰ将复色平行光色散为光谱带；光谱带经过柱面透镜Ⅰ会聚在数字微镜阵列表面；数字微镜阵列对光谱带进行单波长选通，复色光将按波长顺序依次通过柱面透镜Ⅱ入射到闪耀光栅Ⅱ上；最终光经过胶合透镜Ⅱ聚焦到探测器上；采用对称式M型结构，减小了系统的彗差；利用光纤替代入射狭缝，使光源输出的光更多的耦合到光学系统中，减少光能损失，提高了系统的光能利用率。

Description

小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统
技术领域
本发明涉及一种小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统，属于光学设计技术领域。
背景技术
用于光谱测量的装置，在化学计量学和科研等领域中有很广泛的应用。随着多通道检测器件生产技术的日趋成熟，采用固定光路、光栅分光、多通道检测器构成的近红外光谱仪器，以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高及性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。
如图1所示，现有的光栅光谱分析光学系统，包括光源1、狭缝2、准直透镜3、光栅4、成像透镜5、CCD相机6，采用狭缝2作为系统光阑，光源1经过狭缝2和准直透镜3后以平行光在光栅4表面发生色散，其光谱带由成像透镜5成像在CCD相机6上。由于狭缝对入射光的遮挡使得进入光学系统中的光能很低，不利于微弱光谱信号的检测，减小了这类光谱仪器的应用价值。
发明内容
为了解决现有的光栅光谱分析光学系统采用狭缝作为系统光阑使得系统的能量利用率低的问题，本发明提出了以光纤作为系统光阑，并在光路中加入柱面透镜以增加光波在系统中的能量利用率，同时可以提高系统的光谱分辨率的小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统。
本发明的技术方案为：小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统，包括光源、光纤、胶合透镜Ⅰ、闪耀光栅Ⅰ、柱面透镜Ⅰ、数字微镜阵列、柱面透镜Ⅱ、闪耀光栅Ⅱ、胶合透镜Ⅱ和探测器；光源发出的光经过光纤耦合后，光入射到胶合透镜Ⅰ上，光由发散光束变成复色平行光，复色平行光入射到闪耀光栅Ⅰ的表面，由于衍射作用，闪耀光栅Ⅰ将复色平行光色散为光谱带；光谱带经过柱面透镜Ⅰ会聚在数字微镜阵列表面；数字微镜阵列对光谱带进行单波长选通，复色光将按波长顺序依次通过柱面透镜Ⅱ入射到闪耀光栅Ⅱ上；最终光经过胶合透镜Ⅱ聚焦到探测器上；光从光纤出射后经过后面光学系统构成的光路为对称式M型。
本发明的有益效果是：该光学系统采用对称式M型结构，减小了整个光学系统的彗差；利用光纤替代入射狭缝，使光源输出的光更多的耦合到光学系统中，减少光能损失，提高了系统的光能利用率；在光学系统中以双光栅结构取代单光栅，更好地压缩了聚焦光斑在探测器表面的大小，使探测器的选择可以更加小型化、多元化，降低了成本；由于柱面镜是一种非球面镜，可以更加有效地减小球差和色差，在本系统中主要用于改变数字微镜阵列表面上的成像尺寸，实现点光斑与线光斑之间的转换，提高了系统的光谱分辨率；数字微镜阵列的应用实现了波长选通功能，依据阿达玛算法编程进行微弱光谱信号的检测，进一步增大系统的光谱信噪比。
附图说明
图1现有的光栅光谱分析光学系统结构示意图。
图2本发明小型柱面镜多光栅光谱分析光学系统结构示意图。
图3阿达玛变换原理示意图。
图4具体实例的数字微镜阵列表面上的光斑分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统，包括光源7、光纤8、胶合透镜Ⅰ9、闪耀光栅Ⅰ10、柱面透镜Ⅰ11、数字微镜阵列12、柱面透镜Ⅱ13、闪耀光栅Ⅱ14、胶合透镜Ⅱ15和探测器16。光源7发出的光经过光纤8耦合后，光入射到胶合透镜Ⅰ9上，光由发散光束变成复色平行光，复色平行光入射到闪耀光栅Ⅰ10的表面，由于衍射作用，闪耀光栅Ⅰ10将复色平行光色散为光谱带。光谱带经过柱面透镜Ⅰ11会聚在数字微镜阵列12表面。数字微镜阵列12对光谱带进行单波长选通，复色光将按波长顺序依次通过柱面透镜Ⅱ13入射到闪耀光栅Ⅱ14上。最终经过胶合透镜Ⅱ15将光聚焦到探测器16上。光从光纤8出射后经过后面光学系统构成的光路为对称式M型。
所述的柱面透镜Ⅰ11和柱面透镜Ⅱ13主要用于完成点光斑与线光斑的光学转换。为提高系统光能利用率，选用光纤8作为光阑。为了同样可以在数字微镜阵列12表面得到线条纹，以及在闪耀光栅Ⅱ14衍射后可以得到点光斑，选择在数字微镜阵列12前后分别加入两块柱面透镜，使光谱带满足上述要求。
数字微镜阵列12选用美国德州TI公司生产的ED400型产品，该数字微镜阵列是将微镜阵列芯片固定在开发电路板上。当数字微镜阵列未加电压时，光入射到微镜阵列表面后反射出去，属初始状态；加电压后，由于上下电极间静电力作用，驱动微镜，微镜镜面发生±12°的偏转，使得出射光角度发生偏离，达到波长选通的效果。该器件优点为只有“0”，“1”两种状态，控制简单，稳定性和可靠性高，可实现谱面分割；其可编程性可以实现阿达玛模板功能，结合阿达玛算法进行弱光谱信号检测，提高光谱信噪比；并且开关态转换过程中，可实现斩波器功能。
如图3所示，在常规扫描测量（a）中，单元探测器每个时间内只探测单个波长的信号强度，而阿达玛变换技术通过运用模板代替单个狭缝，加载阿达玛变换模板（b）时，单元探测器接收的是多个波长组合的信号强度，对测量值进行阿达玛逆变换后便可得到原始光谱信号的值。不仅提高了光通量，而且将随机误差进行平均，使测量结果更加准确。
见下表，小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统光学设计参数。
在上述光学设计参数的系统中，光源波长范围为1000～1600nm，光纤纤径为50μm，模拟分析，系统的光谱分辨率为4nm，探测器上的聚焦光斑几何直径小于0.2mm。同时选择有效直径为0.3mm的InGaAs光电二极管作为探测器。
如图4所示，举例说明，在该光谱分析系统中，光波长为1000nm～1600nm的光谱带经过柱面透镜Ⅱ11在数字微镜阵列12表面同样形成了不同波长的类狭缝像的线条纹，可以进一步完成由数字微镜阵列12实现的波长选通和微弱光谱信号检测，提高光谱信噪比。

Claims (1)

1.小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统，其特征是，包括光源(7)、光纤(8)、胶合透镜Ⅰ(9)、闪耀光栅Ⅰ(10)、柱面透镜Ⅰ(11)、数字微镜阵列(12)、柱面透镜Ⅱ(13)、闪耀光栅Ⅱ(14)、胶合透镜Ⅱ(15)和探测器(16)；光源(7)发出的光经过光纤(8)耦合后，光入射到胶合透镜Ⅰ(9)上，光由发散光束变成复色平行光；复色平行光入射到闪耀光栅Ⅰ(10)的表面，闪耀光栅Ⅰ(10)将复色平行光色散为光谱带；光谱带经过柱面透镜Ⅰ(11)会聚在数字微镜阵列(12)表面；数字微镜阵列(12)对光谱带进行单波长选通，光谱带将按波长顺序依次通过柱面透镜Ⅱ(13)后入射到闪耀光栅Ⅱ(14)上；最终光经过胶合透镜Ⅱ(15)聚焦到探测器(16)上；光从光纤(8)出射后的光路为对称式M型。
CN201310134926.5A 2013-04-18 2013-04-18 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统 Expired - Fee Related CN103256981B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310134926.5A CN103256981B (zh) 2013-04-18 2013-04-18 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310134926.5A CN103256981B (zh) 2013-04-18 2013-04-18 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103256981A CN103256981A (zh) 2013-08-21
CN103256981B true CN103256981B (zh) 2015-11-25

Family

ID=48961039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310134926.5A Expired - Fee Related CN103256981B (zh) 2013-04-18 2013-04-18 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103256981B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103616074B (zh) * 2013-11-21 2015-06-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 数字微镜光栅光谱仪的波长标定方法
CN106525240B (zh) * 2016-12-29 2019-03-19 同方威视技术股份有限公司 光谱探测装置
CN107389602A (zh) * 2017-08-30 2017-11-24 无锡迅杰光远科技有限公司 一种基于dlp技术的光谱系统
CN111007006B (zh) * 2019-11-25 2021-11-26 东北大学 一种多光谱调制输出光源装置
CN114434004B (zh) * 2020-10-30 2024-03-29 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光加工装置及方法
CN117825279B (zh) * 2024-03-04 2024-06-07 江苏金视传奇科技有限公司 一种并行采集的全场扫频光学相干层析成像系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101231385A (zh) * 2008-02-26 2008-07-30 四川大学 用于啁啾脉冲放大的光谱整形调制方法
CN102538969A (zh) * 2012-01-17 2012-07-04 北京华夏科创仪器技术有限公司 高分辨率光谱仪及其光学定标方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080174777A1 (en) * 2006-04-11 2008-07-24 University Of Wyoming Spectrometers using 2-dimensional microelectromechanical digital micromirror devices
US8144321B2 (en) * 2008-10-22 2012-03-27 Texas Instruments Incorporated Encoding optical spectra using a DMD array

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101231385A (zh) * 2008-02-26 2008-07-30 四川大学 用于啁啾脉冲放大的光谱整形调制方法
CN102538969A (zh) * 2012-01-17 2012-07-04 北京华夏科创仪器技术有限公司 高分辨率光谱仪及其光学定标方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
双色散二维阿达玛变换光谱仪;刘佳 等;《光谱学与光谱分析》;20120630;第32卷(第6期);第1722-1726页 *
基于DMD的微小型近红外光谱仪系统研究;莫祥霞;《中国优秀硕士论文全文数据库》;20110531;第8-10页 *
基于阿达玛变换提高激光告警系统信噪比的研究;王建宏 等;《光学与光电技术》;20080430;第6卷(第2期);第12-15页 *
微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪;张智海 等;《光谱学与光谱分析》;20110731;第31卷(第7期);第1975-1979页 *
采用数字微镜获得多目标辐射谱的方法;马燕春 等;《光电工程》;20040831;第31卷(第8期);第19-22页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103256981A (zh) 2013-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103256981B (zh) 小型柱面镜多光栅光谱分析的光学系统
CN107192454B (zh) 一种基于立体相位光栅和孔径分割技术的THz光谱成像仪
CN106323471B (zh) 一种基于dlp技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统
US20190178714A1 (en) Compact folded metasurface spectrometer
CN102226716A (zh) 一种中阶梯光栅光谱仪的光路结构
CN106441581B (zh) 一种高分辨率的线阵ccd直读型光谱仪
CN104502304B (zh) 基于虚拟狭缝技术的微型固化近红外光谱仪
CN103196889A (zh) 基于微机电系统光谱分析的便携式拉曼光谱仪
CN104729708A (zh) 一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪
CN103017905B (zh) 集成平面变栅距光栅和微狭缝的微型光谱仪及其制造方法
CN103616074B (zh) 数字微镜光栅光谱仪的波长标定方法
CN102538969A (zh) 高分辨率光谱仪及其光学定标方法
CN102778293A (zh) 小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构
CN103471992A (zh) 一种光谱椭偏仪中氙灯光源的光强平滑处理装置及方法
JP2014044161A (ja) 光学式変位計
CN112525345B (zh) 运用基于dmd的多目标成像光谱系统对相近目标的探测方法
CN107389602A (zh) 一种基于dlp技术的光谱系统
CN203323874U (zh) 一种阿达玛变换光谱仪
CN101281061A (zh) 高分辨率光谱测量装置
CN203465002U (zh) 一种透射式光栅光谱仪
US20200348172A1 (en) Multichannel broadband high-resolution spectrograph
WO2017111603A1 (en) An optical module comprising a grating assembly and an image sensor
CN106918393B (zh) 一种双通道空间外差光谱仪
CN212008328U (zh) Icp-aes光路系统
CN104568777A (zh) 基于频谱编码的共焦显微成像装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151125

Termination date: 20170418