CN103557939A - 小型红外光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型红外光栅光谱仪，包括光输入单元、平板波导结构、小型光栅分光模块，线阵探测器；平板波导结构包括平行放置的上波导板和下波导板，上、下波导板的反射面相对而立，从而在反射面之间形成光通道，使来自光输入单元的光线在通道内传播；在平行于平板的方向上，光经过准直、色散、会聚后，形成光谱像，被探测器接收，而在垂直于平板的方向上，光线在上下平板反射镜间反射，而被限制在波导薄层中；因此，相应的准直、色散以及会聚光学元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，从而整个光学系统的尺寸有显著缩减。本发明中所用光学元件对加工技术要求不高，可以降低生产成本。

Description

小型红外光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及小型光谱仪领域，具体是一种让光在波导之中传播以减小仪器尺寸的小型红外光栅光谱仪。

背景技术

红外光谱分析和探测技术在现代科学试验、医学及医药研究、工农业生产、国防安全、环境监测等领域得到广泛的应用。在这些应用中，对仪器小型化的需求日益增长。小型化意味着更强的使用灵活性，更好的环境适应性，以及更低的生产成本。

小型化光谱仪器的工作原理与传统的光谱仪器相同。如附图1所示，乃是一种传统光栅光谱仪的结构，具体是交叉非对称式Czerny-Turner结构。光线经过狭缝11在自由空间中以一定发散角射向准直镜12。准直镜12将光转变成平行光射向平面光栅13。经平面光栅13分光后的光由成像镜14会聚后，射向探测器15以检测不同波长的光强度的大小，产生对应的光谱图。传统的光谱仪很容易因为自由空间传播和过长的光程，而造成仪器体积庞大，制约了其在更多领域中的应用。

光谱仪小型化通常是使用微小型光学元件来实现。如Ocean Optics 公司的微型光纤光谱仪，其产品的性能良好、系列化程度高，占有很高的市场份额。Ocean Optics公司的USB4000体积小巧，采用交叉非对称式的Czerny-Turner结构，工作波长范围可覆盖200-1100nm，外形尺寸89.1mm × 63.3mm × 34.4mm。在此类光谱仪器小型化设计中，光仍然是在自由空间传播，那么仪器尺寸的缩小主要通过减小光学元件有效工作孔径来实现，必然以牺牲工作性能为代价，使分辨率、信噪比等技术指标下降。

波导技术和微纳加工技术能很好的实现光谱仪器的小型化，同时又不降低系统性能。如在C. J. Moran-Iglesias，A. Last，J. Mohr，“Improved grating microspectrometer”，Proc. of SPIE，Vol. 5962，596225，2005中讨论的微型光栅光谱仪，光学系统包含波导结构，光学元件使用LIGA（德语Lithographie, Galvanoformung, Abformung，微纳加工技术的一种）技术制作。该微型光栅光谱仪的光学系统包含入射光纤、凹面光栅、探测器及平板波导。入射光纤、凹面光栅、探测器组成分光模块，光线由入射光纤引入，经凹面光栅分光会聚后成像在探测器上，供后续电路采集分析。在垂直于平板波导的方向上，光线被限制在波导内传播，因此光学元件在这个方向上的尺寸与波导的厚度相等。该微型光谱仪的平板波导为中空波导，上下为平行的镀金反射面。光学系统尺寸45mm × 20mm，波导厚度750μm，仪器整体尺寸54mm × 36mm × 6mm。可用探测器有两种：可见和红外探测器，其中可见探测器采用256像元的硅探测器阵列，像元宽25μm，高500μm。使用可见探测器时，系统的光谱范围是300-900nm，光谱分辨率是4.5-5.5nm。由于波导的厚度大于探测器的高度，所以需采用柱面镜来会聚光线，使其落在探测器像元内。该仪器中的凹面光栅为柱面光栅，高度为750μm，采用LIGA技术制作。对于高度高于750μm的光栅，很难用LIGA技术制作了，因为高度太高时面型就会不平整，会导致光栅性能急剧下降。

平板波导的厚度要大于或等于探测器像元高度，光学系统中主要光学元件的高度要等于波导厚度。红外探测器的像元的高度常有0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，大部分高度大于1mm。对于像元高度大于1mm的探测器，波导厚度、光学元件高度也要大于1mm，很难用LIGA技术制作。毫米级的光学元件用常规加工技术就可以加工，因此可以考虑在平板波导间放置由微小型光学元件组成的分光模块。由于柱面光栅也很难用机械刻划制作，而平面光栅则容易得多，所以使用易于加工的基于平面光栅的小型分光模块。在平板波导间放置由微小型光学元件组成的平面光栅分光模块，不仅可以减小仪器体积，同时不降低仪器性能，而且加工的难度和成本也相对较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决小型化导致仪器性能降低的问题，而提出一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪。平板波导由两块平板反射镜组成，光被限制在平板波导结构中传播。在平行于平板的方向上，光经过准直、色散、会聚后，形成光谱像，被探测器接收。而在垂直于平板的方向上，光线在上下平板反射镜间反射，而被限制在波导薄层中。因此，相应的准直、色散以及会聚光学元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，从而整个光学系统的尺寸有显著缩减。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：包括光输入单元、平板波导结构、小型光栅分光模块，线阵探测器；

所述的光输入单元接收外界光信号并将该光信号出射到该光谱仪内部；

所述的平板波导结构包括平行放置的下波导板和上波导板，下波导板有一反射面，上波导板也有一反射面与下波导反射面相对而立，间隔大于线阵探测器光敏面高度，从而在反射面之间形成光通道，使来自光输入单元的光信号在通道内传播；

所述的小型光栅分光模块置于上、下波导板间，包括前柱面透镜、柱面准直反射镜、平面光栅、柱面成像反射镜、后柱面透镜，前柱面透镜、光输入单元安装在前柱面透镜固定装置上，在平行于上、下波导板的方向上，柱面准直反射镜将光输入单元出射的光信号准直并出射到平面光栅，平面光栅将光信号分离为多个光谱分量并由柱面成像反射镜成像，供后端的线阵探测器接收使用，前柱面透镜置于光输入单元和柱面准直反射镜间，用于减小光线在波导间的反射次数，并提高成像质量，后柱面透镜置于柱面成像反射镜和线阵探测器之间，用于压缩光束以匹配线阵探测器光敏面尺寸；

所述的线阵探测器为非制冷红外线阵探测器。

所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的光输入单元为一个狭缝或一条输入光纤，用于将光线引入光谱仪内部。 

所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的上、下波导板的反射面镀有高反膜。

所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的高反膜为金膜，以提高反射率。

所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的平面光栅为平面刻划闪耀光栅。对于红外光栅而言，其等效刻线数一般较低，使用平面刻划闪耀光栅有利于提高衍射效率。

所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：还包括一组光纤，置于线阵探测器前，用于选择进入线阵探测器的光的波长。

该光谱仪的前、后柱面透镜材料包含ZnSe或Ge。

    本发明的有益效果在于：

本发明的两块平板反射镜构成平板波导结构，光被限制在平板波导结构中传播，在平行于平板的方向上，光经过准直、色散、会聚后，形成光谱像，被探测器接收；而在垂直于平板的方向上，光线在上下平板反射镜间反射，而被限制在波导薄层中；因此，相应的准直、色散以及会聚光学元件在垂直方向上的尺寸就可以很小，从而整个光学系统的尺寸有显著缩减。

光学系统在垂直方向上尺寸的缩减并没有截断入射光束，没有减少光通量，也没有减小相关光学元件有效的工作尺寸，例如，没有减少光栅宽度，即总线数，因此不会对光谱仪的性能产生影响，而且该光谱仪中所用光学元件对加工技术要求不高，从而降低成本。

附图说明

图1是一种传统光栅光谱仪的结构示意图。

图2是本发明小型红外光栅光谱仪的结构示意图。

图3是光线在波导内的传播示意图。

图4是狭缝片结构示意图。

图5是没有柱面透镜时，狭缝中心点光源在像面上的弥散斑示意图。其中左边为12μm，中间为10μm，右边为8μm。

图6是有前柱面透镜时，狭缝中心点光源在像面上的弥散斑示意图。其中左边为12μm，中间为10μm，右边为8μm。

图7是有前、后柱面透镜时，狭缝中心点光源在像面上的弥散斑示意图。其中左边为12μm，中间为10μm，右边为8μm。

图8是实施例1的光学系统的仿真结果示意图。其中狭缝为弯曲狭缝，波长从左到右分别为12.08μm、12μm、10.08μm、10μm、8.08μm、8μm。

图中标号：1为光输入单元，2为柱面准直反射镜，3为平面刻划光栅，4为柱面成像反射镜，5为后柱面透镜，6为线阵探测器，7为下波导板，8为上波导板，9为前柱面透镜，10为狭缝及前柱面透镜固定装置，11为狭缝，12为准直镜，13为平面光栅，14为成像镜，15为探测器阵列，20和21为入射光线，22和23为无透镜时波导内的光线，24和25为有透镜时波导内的光线，31为狭缝片，32为弯曲狭缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的基本思想是利用平板波导实现光谱仪的小型化。

附图1是一种传统光栅光谱仪的结构，为交叉非对称式Czerny-Turner结构。Ocean Optics公司的USB4000采用的就是这种结构。光由狭缝11进入光谱仪，经准直镜12准直后入射到平面光栅13上，平面光栅13将光分成不同波长的平行光，成像镜14将不同波长的平行光会聚在探测器阵列15的不同像元上，经采集电路采集后形成光谱图。光在自由空间传播，因此准直镜的孔径为圆形，一般为球面反射镜。为了更好的校正像散，成像镜可采用超环面反射镜。仪器的体积较大，小型化会主要通过减小光学元件有效工作孔径来实现，会降低仪器的性能。

附图2是本发明第一实施例的小型红外光栅光谱仪的立体分解图，而附图3是光线在附图2的平板波导中传播的示意图。小型红外光栅光谱仪包括光输入单元、平板波导结构、小型光栅分光模块，线阵探测器。

小型光谱仪的光学结构中的光输入单元1是用来接收光学信号。平板波导结构包括平行放置的下波导板7和上波导板8，上、下波导板的反射面相对而立，间隔大于线阵探测器6光敏面的高度，从而在反射面之间形成光通道，使来自光输入单元1的光线在通道内传播，如附图3所示，其中20和21为入射光线，22和23为无透镜时波导内的光线，24和25为有透镜时波导内的光线。上、下波导板间形成的光通道一般为中空波导，光线在反射镜间是镜面反射，有别于介质波导——光线在介质中传播所采用的是全反射原理。本发明是将光线限制在这些反射面间反复反射而向前传播，但亦可使用适当的介质（例如玻璃、塑料、或晶体等）形成介质波导供光信号传播。小型光栅分光模块置于上、下波导板间，包括前柱面透镜9、柱面准直反射镜2、平面光栅3、柱面成像反射镜4、后柱面透镜5，前柱面透镜9、光输入单元1安装在前柱面透镜固定装置10上，在平行于波导板的方向上，准直镜2将光输入单元1出射的光信号准直并出射到平面光栅3，平面光栅3将光信号分离为多个光谱分量并经由柱面成像反射镜4成像，供该光谱仪后端的线阵探测器6接收使用，前柱面透镜置9于光输入单元1和柱面准直反射镜2间，用于减小光线在波导间的反射次数，并提高成像质量，后柱面透镜5置于柱面成像反射镜4和线阵探测器6之间，用于压缩光束以匹配线阵探测器光敏面尺寸。线阵探测器为非制冷红外线阵探测器。

上述光学结构中下波导板7与上波导板8必须具有良好的平整度与反射率，才可使光中国在上、下波导板之间行进时，达到最低的损耗与最佳的聚焦效果。因此，下波导板7及上波导板8的材质最好是不锈钢、硅芯片、玻璃。此外，如果下波导板7及上波导板8所使用的材料反射率未达所需的标准，可在反射面上镀上一层高反射膜以解决此问题，较佳地高反射膜为金膜。

上述的光输入单元例如包含狭缝片31，狭缝片31具有狭缝32。光线斜入射光栅会导致谱线弯曲，因此最好使用弯曲狭缝以校正谱线弯曲，如附图4所示。

由于平板波导只是利用反射来压缩光线，而不是使光线变成平行光，因此狭缝处点光源发出的光线绝大部分是斜入射平面光栅。与谱线弯曲的原理相似，斜入射光线最终会造成弥散斑在色散方向上尺寸增大，导致光谱分辨率降低，如附图5所示。因此需要添加柱面透镜来减小光线的入射角，达到近似准直的效果，柱面透镜放置在狭缝后效果最好。如前柱面透镜9，不仅能减少光线在波导内的反射次数，提高光学效率，还能提高成像质量，如附图6所示。由于平板波导厚度大于探测器光敏面高度，需要增加柱面透镜对光线进行会聚。后柱面透镜5位于探测器前，对来自成像镜4的光线进行会聚，以匹配光敏面高度，提高信号强度，如附图7所示。

狭缝32的宽度例如约为0.4mm，高度例如约为1mm，而下波导板与上波导板的间距例如约为4至8mm。下波导板与上波导板的局部最高点与局部最低点的高度差例如为十分之一波长至三十分之一波长左右，以达到高平整度的要求，而下波导板与上波导板的反射率则例如为99%。从狭缝片31至准直镜2的距离例如为100mm，从准直镜2到光栅3的距离例如为90mm，从光栅3到成像镜4的距离例如为84mm，从成像镜4到线阵探测器6的距离例如为106mm，从狭缝片31到前柱面透镜9的距离例如为6mm，从后柱面透镜5到线阵探测器6的距离例如为8mm。准直镜2入射主光线与出射主光线的夹角例如为24度，光栅3入射主光线与出射主光线的夹角例如为37度，成像镜4入射主光线与出射主光线的夹角例如为36度，探测器6光敏面与主光轴夹角为89度。光栅的刻线数例如为50刻线/mm，前柱面透镜和后柱面透镜例如为ZnSe平凸透镜，线阵探测器例如为64元热电堆探测器，光敏面尺寸宽0.45mm高1.5mm，间隔0.5mm。光学系统如附图2所示，光谱范围例如为8－12μm，光谱分辨率例如为80纳米，如附图8所示。

本实施例的小型红外光栅光谱仪与附图l 所示的传统光栅光谱仪相比，传统光栅光谱仪的光线在自由空间中传播，很可能有发散而造成信噪比下降，而且传统光栅光谱仪占用的体积较大。通过使光线于平板波导内传播，可以减小仪器体积，同时不降低仪器性能。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：包括光输入单元、平板波导结构、小型光栅分光模块，线阵探测器；

所述的光输入单元接收外界光信号并将该光信号出射到该光谱仪内部；

所述的平板波导结构包括平行放置的下波导板和上波导板，下波导板有一反射面，上波导板也有一反射面与下波导反射面相对而立，间隔大于线阵探测器光敏面高度，从而在反射面之间形成光通道，使来自光输入单元的光信号在通道内传播；

所述的小型光栅分光模块置于上、下波导板间，包括前柱面透镜、柱面准直反射镜、平面光栅、柱面成像反射镜、后柱面透镜，前柱面透镜、光输入单元安装在前柱面透镜固定装置上，在平行于上、下波导板的方向上，柱面准直反射镜将光输入单元出射的光信号准直并出射到平面光栅，平面光栅将光信号分离为多个光谱分量并由柱面成像反射镜成像，供后端的线阵探测器接收使用，前柱面透镜置于光输入单元和柱面准直反射镜间，后柱面透镜置于柱面成像反射镜和线阵探测器之间；

所述的线阵探测器为非制冷红外线阵探测器。

2.根据权利要求1所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的光输入单元为一个狭缝或一条输入光纤。

3.根据权利要求1所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的上、下波导板的反射面镀有高反膜。

4.根据权利要求3所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的高反膜为金膜。

5.根据权利要求1所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：所述的平面光栅为平面刻划闪耀光栅。

6.根据权利要求1所述的一种小型红外光栅光谱仪，其特征在于：还包括一组光纤，置于线阵探测器前，用于选择进入线阵探测器的光的波长。

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