CN103323112B - 一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构，包括可调狭缝、滑动导轨、第一平场全息凹面光栅、第二平场全息凹面光栅、CCD探测器、遮光板，所述可调狭缝为待测光信号的入射窗口，滑动导轨位于进入可调狭缝的入射光束的传播方向上，滑动导轨上设置有三个装卡位置，第一装卡位置，第二装卡位置，第三装卡位置，第一平场全息凹面光栅和第二平场全息凹面光栅安装于滑动导轨上，第一平场全息凹面光栅可在第一装卡位置与第三装卡位置之间切换，第二平场全息凹面光栅可在第二装卡位置与第一装卡位置之间切换，入射光束经光栅分光后成像在CCD探测器上，各条谱线按照波长顺序在CCD探测器上形成光谱。

Description

一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构

技术领域

本发明属于光谱分析测试技术领域中涉及的一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构。

背景技术

近年来，CCD等平面阵列探测器的应用技术日益成熟，应用领域迅速拓展，极大推动了平像场型光栅光谱仪的发展和普及。基于CCD的光栅光谱仪系统分为平面光栅光谱仪和凹面光栅光谱仪。平面光栅光谱仪的分光元件采用平面反射光栅，其仪器系统主要由光源、准直系统、平面光栅、聚焦系统、接收系统组成。这种光谱仪虽然能够达到较高的光谱分辨率，但由于其结构复杂，光路折返过多，光能量损失过于严重。特别是当进行短波分析时，过多的反射损失将导致仪器无法使用。凹面光栅光谱仪的分光元件采用平场全息凹面光栅，平场全息凹面光栅具有低杂散光、自成像、平像场的特点。这种光谱仪主要有以下优点：第一，利用CCD等平面阵列光电探测器同时接收所有波长的光谱，能够进行瞬态光谱分析，从而大大提高了光谱分析效率；第二，平场全息凹面光栅是仪器中唯一的色散元件，也是唯一的成像元件，光线只经过一次反射，大大减少了光能损失，提高了仪器信噪比；第三，采用全静态工作方式，仪器系统主要由光源、平场全息凹面光栅和信号接收及处理系统组成。与平面光栅光谱仪相比，平场全息凹面光栅光谱仪系统结构更加简单，有利于仪器光机系统的优化设计以及仪器的微小型化、便携化设计。

然而，平场凹面光栅光谱仪同样存在其局限性。首先，对平场全息凹面光栅来说，宽波段和高分辨率是其固有矛盾。一般而言，使用波段越宽，成像时的聚焦缺陷越大，分辨率就越低。其次，高分辨率和微小型化是其另一对内在矛盾，一般来说，仪器结构尺寸越小，光谱分辨率越低。

发明内容

本发明的目的是针对上述微型平场凹面光栅光谱仪存在的局限性，提出一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构。

本发明要解决的技术问题是：提供一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构。解决技术问题的技术方案为：

一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构，包括可调狭缝、滑动导轨、第一平场全息凹面光栅、第二平场全息凹面光栅、CCD探测器、遮光板。可调狭缝为待测光信号的入射窗口。滑动导轨位于进入可调狭缝的入射光束的传播方向上。滑动导轨上设置有三个装卡位置，第一装卡位置，第二装卡位置，第三装卡位置。第一平场全息凹面光栅和第二平场全息凹面光栅安装于滑动导轨上，第一平场全息凹面光栅可在第一装卡位置与第三装卡位置之间切换，第二平场全息凹面光栅可在第二装卡位置与第一装卡位置之间切换。入射光束经光栅分光后成像在CCD探测器上，各条谱线按照波长顺序在CCD探测器上形成光谱。

技术方案中所述第一平场全息凹面光栅和第二平场全息凹面光栅为通过优化设计全息凹面光栅制作光路制得的像差校正光栅。全息凹面光栅制作光路如包括第一点光源、第二点光源、凹面基底。第一点光源发出的球面光束与第二点光源发出的球面光束在凹面基底表面形成干涉条纹。凹面基底表面涂覆有光致抗蚀剂，利用光致抗蚀剂记录下干涉条纹，经显影制得凹面全息光栅。根据凹面全息光栅几何像差理论，通过优化设计第一点光源和第二点光源的空间位置即可达到校正凹面光栅像差的目的。经过优化设计后，第一平场全息凹面光栅和第二平场全息凹面光栅具有相同的使用结构，其中第一平场全息凹面光栅将紫外-可见部分的光谱成像在CCD探测器上，第二平场全息凹面光栅将可见-近红外部分的光谱成像在CCD探测器上。

技术方案中所述遮光板为一固定于光栅前方的中央设有圆形通光孔的黑色遮光板，遮光板中央的通光孔靠近并正对位于第一装卡位置处的光栅，通光孔的口径比光栅口径略小。遮光板的作用是使入射光束照射在处于第一装卡位置处的光栅上，同时遮挡射向其它装卡位置光栅的光。

本发明工作原理说明：对于平场全息凹面光栅光谱仪来说，展宽使用波段、提高光谱分辨率以及缩小仪器尺寸三者之间相互制约，难以兼顾。本发明提出一种方案，通过在一个仪器中集成两个使用结构相同的平场全息凹面光栅，实现一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构。首先，将第一平场全息凹面光栅置于第一装卡位置处，第二平场全息凹面光栅置于第二装卡位置处。此时第一平场全息凹面光栅处于工作状态，CCD探测器上接收到来自第一平场全息凹面光栅的光谱信号。然后，将第一平场全息凹面光栅置于第三装卡位置处，第二平场全息凹面光栅置于第一装卡位置处。此时第二平场全息凹面光栅处于工作状态，CCD探测器上接收到来自第二平场全息凹面光栅的光谱信号。如此，通过前后两次测量，记录下全谱段的光谱信息。

本发明的积极效果：将两个平场全息凹面光栅集成于同一个微型平场光谱仪中，通过滑动导轨实现平场全息凹面光栅工作状态的转换。在不增加仪器尺寸的情况下，实现了宽光谱范围内的高光谱分辨率。

附图说明

图1是本发明中提出的宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构示意图。

图2是本发明中所述平场全息凹面光栅的曝光光路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，可调狭缝1采用刀口式狭缝，其宽度可从10μm调至1mm；滑动导轨2采用钢制直线导轨，其上等间距分布三个卡进位置，即第一装卡位置7，第二装卡位置8，第三装卡位置9；第一平场全息凹面光栅3和第二平场全息凹面光栅4采用全息曝光的方法制作；CCD探测器5采用TOSHIBA公司生产的型号为TCD1208AP的线阵CCD；遮光板6采用铝质金属板，并用吸光材料染黑。

参见图2，第一点光源10、第二点光源11采用激光聚焦透镜与针孔组成的空间滤波器，激光聚焦透镜采用20倍显微物镜，针孔直径5μm；凹面基底12采用K9玻璃材料的凹球面基底，表面涂覆的是日本Shipley1805正型光致抗蚀剂。

Claims (2)

1.一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构，通过在一个仪器中集成两个使用结构相同的平场全息凹面光栅，实现一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构，其特征在于：包括可调狭缝(1)、滑动导轨(2)、第一平场全息凹面光栅(3)、第二平场全息凹面光栅(4)、CCD探测器(5)、遮光板(6)，所述可调狭缝(1)为待测光信号的入射窗口，滑动导轨(2)位于进入可调狭缝(1)的入射光束的传播方向上，滑动导轨(2)上设置有三个装卡位置，第一装卡位置(7)，第二装卡位置(8)，第三装卡位置(9)，第一平场全息凹面光栅(3)和第二平场全息凹面光栅(4)安装于滑动导轨(2)上，第一平场全息凹面光栅(3)可在第一装卡位置(7)与第三装卡位置(9)之间切换，第二平场全息凹面光栅(4)可在第二装卡位置(8)与第一装卡位置(7)之间切换，入射光束经光栅分光后成像在CCD探测器(5)上，各条谱线按照波长顺序在CCD探测器(5)上形成光谱；所述遮光板(6)为一固定于光栅前方的中央设有圆形通光孔的黑色遮光板，遮光板(6)中央的通光孔靠近并正对位于第一装卡位置(7)处的光栅，通光孔的口径比光栅口径略小，遮光板(6)的作用是使入射光束照射在处于第一装卡位置(7)处的光栅上，同时遮挡射向其它装卡位置光栅的光。

2.如权利要求1所述的一种宽光谱高分辨率微型平场光谱仪的光机结构，其特征在于：第一平场全息凹面光栅(3)和第二平场全息凹面光栅(4)为通过优化设计全息凹面光栅制作光路制得的像差校正光栅，全息凹面光栅制作光路包括第一点光源(10)、第二点光源(11)、凹面基底(12)，第一点光源(10)发出的球面光束(13)与第二点光源(11)发出的球面光束(14)在凹面基底(12)表面形成干涉条纹，凹面基底(12)表面涂覆有光致抗蚀剂，利用光致抗蚀剂记录下干涉条纹，经显影制得凹面全息光栅，根据凹面全息光栅几何像差理论，通过优化设计第一点光源(10)和第二点光源(11)的空间位置即可达到校正凹面光栅像差的目的，经过优化设计后，第一平场全息凹面光栅(3)和第二平场全息凹面光栅(4)具有相同的使用结构，其中第一平场全息凹面光栅(3)将紫外-可见部分的光谱成像在CCD探测器(5)上，第二平场全息凹面光栅(4)将可见-近红外部分的光谱成像在CCD探测器(5)上。