CN103557940A - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱仪，包括入射狭缝、会集装置、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器，所述入射狭缝设置在会集装置的焦点以外，入射光束经会集装置后会聚入射至光栅表面，光栅入射光和出射光均以会聚方式达到光学器件，不仅可减小光学器件的尺寸，而且可使光栅出射的零级光与一级衍射光更加有效分离，有效避免光栅出射的零级光直接入射聚焦成像装置，大幅降低杂散光；结合非球面光学反射镜式的会集装置和聚焦成像装置，还可整体提升光谱仪的成像质量和光学分辨率，具有设计巧妙、结构紧凑、杂散光低和测量准确度高等特点。

Description

一种光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱辐射测量和光谱分析装置，具体涉及一种光谱仪。

背景技术

传统的光栅光谱仪一般由光学腔、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器构成，结构如图1所示，为使光谱仪的设计紧凑，一般还采用如图2所示的结构。入射狭缝位于准直镜的焦点上或焦点附近，准直镜准直来自入射狭缝的光束，如图2虚线所示，光栅将准直光束分光形成单色光，并由聚焦成像装置成像至阵列探测器的光敏面。各单色光在光敏面上逐行排列，通过阵列探测器可实现各单色光光信号的快速测量。

为了将各波长单色光逐一、清晰成像至阵列探测器表面，聚焦成像装置一般要求具有较大尺寸。在光谱仪内部，光栅的部分零级光将入射至聚焦成像装置，并成像至阵列探测器光敏面附近，甚至光栅上，如图1及图2虚线所示，产生极强的杂散光，导致测量结果的准确度不高；并且为避免这部分杂散光的影响，光谱仪的结构设计和光谱测量范围均存在较大限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种可大幅降低杂散光、结构更加紧凑、测试结果更加准确的一种光谱仪。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种光谱仪，包括入射狭缝、会集装置、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器，其特征在于，所述的入射狭缝位于会集装置的焦点以外，入射光束经过入射狭缝进入光谱仪，入射光束经会集装置后会聚入射到光栅，光栅将会聚入射光分光，分光后的衍射光以会聚方式出射，聚焦成像装置接收来自光栅的单色衍射光，并将光谱像成至阵列探测器上，阵列探测器探测各单色衍射光的信号。

在现有光谱仪中，入射狭缝位于准直镜的焦点上或焦点附近，来自入射狭缝的入射光束经准直镜获得平行光。本发明中，入射狭缝位于会集装置的焦点以外，即入射狭缝与会集装置的光学距离大于会集装置的焦距，入射光束经会集装置后获得会聚光束。会聚光束入射至光栅表面进行分光。相同条件下，相比于准直镜，会集装置的应用可使得光束会聚入射至光栅，从而可减小光栅的尺寸，且光栅的各级衍射光均会聚出射，光栅出射的零级光与一级衍射光可以在更短的距离内有效分离，当各光学器件的相对位置不变，用于接收所需波段的聚焦成像装置的尺寸可以相应减小，各光学器件之间获得较大空隙，允许光栅出射的零级光从空隙完全出射，有效地避免因光栅出射的零级光直接入射聚焦成像装置而形成的大量杂散光，大幅提高光谱仪的杂散光控制水平。不仅如此，由于光栅出射的零级光在短距离处即可与一级衍射光实现完整分离，不仅上述光栅和聚焦成像装置的尺寸可以减小，且聚焦成像装置和光栅之间的相对距离也可以适当减小，光谱仪的结构设计可以更加紧凑，聚焦成像装置也可以更容易接收更宽波段的单色衍射光，拓宽光谱仪的测量波段范围。

相比于现有技术，本发明入射狭缝与会集装置之间的光学距离大于会集装置的焦距，通过这一关键设计使光栅入射光和出射光均以会聚方式到达光学器件，不仅可减小光学器件的尺寸，而且有效地避免光栅出射的零级光直接入射至聚焦成像装置，降低因其成像而造成的大量杂散光。同时，光谱仪光学系统的设计有足够的空间，其结构也可以更加紧凑，具有杂散光低、结构紧凑和测量准确度高等多重特点。

本发明可以通过以下技术特征进一步完善和优化：

在本发明中，入射狭缝为光谱仪中输入被测光、具有一定宽度的狭缝，例如，当光谱仪设置于暗箱中，入射狭缝可以为暗箱上输入被测光的指定开孔，或者该开孔处所安装的导光光纤的光束输出狭缝。上述的会集装置为将入射光束会聚至光栅表面的光学器件，可以为单片反射镜，或反射镜组，或为透射镜与反射镜的指定组合等。上述的聚焦成像装置为可以将光栅衍射光聚焦成像至阵列探测器光敏面的光学器件，可以为单片反射镜，或者反射镜组，或者为透射镜与反射镜的指定组合等。上述的阵列探测器为线阵列探测器或者为面阵列探测器。

所述的入射狭缝位于会集装置的一倍焦距和两倍焦距之间。本发明中，会集装置与入射狭缝之间的光学距离决定了光谱仪内部光学器件的布置设计，以及其前后光路所占空间的比例。将入射狭缝设置于会集装置的一倍焦距和两倍焦距之间，光谱仪内部的光学器件可以较为合理地布局，且获得较好的成像质量。

所述光谱仪为正C-T结构的光谱仪，或者为交叉C-T结构的光谱仪。正C-T结构和交叉C-T结构的光谱仪分别如图1和图2所示。在上述两种结构的光谱仪中，将入射狭缝设置于会集装置的焦点以外，均可以使光栅出射的零级光会聚出射，避免光栅出射的零级光直接入射至聚焦成像装置中，降低其成像杂散光对光谱测量的影响。

作为一种技术方案，所述的会集装置和/或聚焦成像装置为球面光学反射镜或者非球面光学反射镜。所述的球面光学反射镜或非球面光学反射镜为单片反射镜或多片反射镜组成的镜组。作为优选，所述的会集装置和聚焦成像装置均为非球面光学反射镜。光谱仪中透镜、透射或反射材料的使用会产生像差，即实际像与理想像的偏差，一般包括像散、彗差、球差等，影响光学系统的成像质量。通过选择非球面光学反射镜作为会集装置和聚焦成像装置，可以有效地校正光谱仪内光学系统的像散、球差、彗差等像差，提高光谱仪的分辨率和成像质量。

作为一种技术方案，所述的聚焦成像装置和/或阵列探测器前设置线性滤光片或者表面镀有光谱选择性薄膜。线性滤光片或者光谱选择性薄膜的光谱特性随着其表面位置在一定方向上呈线性变化，即沿指定方向、依次选择通过所需波段内不同波长的辐射光。作为优选，在阵列探测器光敏面前设置线性滤光片或其表面镀光谱选择性薄膜，线性滤光片或光谱选择性薄膜上通过指定波长的位置与探测器上感应该波长的像素区域相对应，以避免其他波长辐射光对该波长单色光测量的干扰，提高光谱测量的准确度。

作为一种技术方案，包括一个以上滤光片，所述的滤光片设置在入射狭缝之后、会集装置之前的光路上。滤光片选择通过所需光谱波段的辐射光，以降低所需光谱整个波段范围以外的带外杂散光，可以为截止所需光谱以前波段的长通滤光片；或者为截止所需光谱前后波段的带通滤光片；或者为截止所需光谱以后波段的短通滤光片。上述的滤光片可以串联使用，即多片滤光片顺次叠加，设置于入射狭缝与会集装置之间的光路上；或者上述的滤光片顺次切换进入光路，例如，当包括多个带通滤光片时，各滤光片的通过波段不同，且各滤光片通过波段首尾叠加可以获得所需波段范围。将各滤光片按一定次序切换进入入射狭缝之后、会集装置之前的光路上，可选择性地通过指定波段的辐射光，实现所需光谱的分段测量，以避免各段光谱之间的相互影响，逐段降低杂散光，大幅提高光谱测量的准确度。

上述的光栅为平面光栅，可为普通光栅或者闪耀光栅。作为优选，闪耀光栅可以将能量集中在所需要的光谱上，提高能量利用率，同时降低其他级次光谱的能量，最终降低光谱仪内的杂散光。

作为一种技术方案，包括光陷阱，所述光陷阱吸收光栅出射的零级光。光栅出射的零级光一般具有较高能量，当其入射光谱仪内的其他器件表面，如光学腔内壁等，极可能通过器件表面的反射再次进入期望光路，形成较强的杂散光。在光谱仪内部设置吸收光栅出射的零级光的光陷阱，可有效避免其再次进入期望光路，进一步降低光谱仪内杂散光。

上述光陷阱的光栅出射零级光的入射表面设有黑色镜面反射层或黑色镜面反射器，光陷阱可以为能够捕捉和吸收光栅出射的零级光的分立式或整体式等任意结构装置，如可以包括一个或多个具有圆锥、四方锥或穹顶等结构的光线内吸收腔。

作为一种技术方案，所述的光陷阱由黑色镜面反射装置和光吸收装置组成，所述的光栅出射的零级光倾斜入射至黑色镜面反射装置，并经其反射进入光吸收装置。所述的光陷阱由分立的黑色镜面反射装置和光吸收装置组成，所述的光栅出射的零级光倾斜入射至黑色镜面反射装置，经黑色镜面反射装置，可吸收其大部分能量，并以极低的反射率将其完全反射至光吸收装置中，以捕捉、吸收光栅出射的零级光，从而避免其再次进入期望光路，大幅降低光谱仪内的杂散光。

所述的黑色镜面反射装置为黑色有机玻璃，光栅出射的零级光倾斜入射其表面，其大部分能量通过多次折射被黑色有机玻璃所吸收，且玻璃表面平整，可以一定的反射率将光栅出射的零级光完全反射至光吸收装置中。

所述的光吸收装置为黑色有机玻璃所构成的锥形装置，光栅出射的零级光经黑色镜面反射装置反射，反射光从锥形开口面倾斜入射至光吸收装置的黑色有机玻璃内表面。光栅出射的零级光经黑色镜面反射装置的反射，反射光从锥形光吸收装置的开口面倾斜入射至其黑色有机玻璃内表面，并在其内表面经多次吸收和反射到达锥形结构的顶部，进而被该锥形光吸收装置所吸收，避免其出射而影响期望光路，有效降低了光谱仪内因光栅出射的零级光所造成的杂散光。

作为优选，包括光学腔，所述的会集装置、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器设置在光学腔内。光学腔可以提供光谱测试所需的暗环境，所述的会集装置、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器均设置在光学腔内，入射狭缝设置于光学腔上，或者设置于光学腔输入光学器件上，如导光光纤等，以屏蔽期望光路以外的杂散光。

作为一种技术方案，包括消杂散光的一个以上光阑，所述光阑设置于光学腔内壁上。在光学腔内壁上设置消杂散光的光阑，可以通过多次反射，大幅降低光学腔内壁上反射光的能量，有效地减少光学腔内壁上的反射光，包括零级光的反射光，对期望光路的影响。光阑也可以设置在会聚光之后、阵列探测器之前的光路上，用于消除期望光路以外的杂散光，例如，可设置在会集装置到光栅之间，或者光栅到聚焦成像装置之间，或者聚焦成像装置到阵列探测器之间，降低光谱仪内非期望反射光对测量结果的影响。所述的光阑和/或光学腔表面涂有低反射率的漫反射材料。当光阑和光学腔表面涂有低反射率的漫反射材料，入射光线在其表面以极低的反射率进行多次反射，可大幅降低杂散光的能量，提高测量结果的准确度。

综上所述，本发明巧妙设计入射狭缝与会集装置的相对位置，使其与会集装置的光学距离大于会集装置的焦距，使光栅入射光和出射光均以会聚方式到达光学器件，不仅可减小光学器件的尺寸，而且有效地避免光栅出射的零级光直接入射至聚焦成像装置，结合光陷阱的使用，几乎可完全避免光谱仪内因光栅出射的零级光所造成的杂散光。同时，通过引入非球面光学反射镜式的会集装置和聚焦成像装置，可有效提高光谱仪的光学分辨率和成像质量，进一步提高光谱仪的整体性能，具有设计巧妙、结构紧凑、杂散光低和测量准确度高等特点。

附图说明

图1 一种正C-T结构光谱仪的结构示意图

图2 本发明实施例1的结构示意图

图3 本发明实施例1的内部结构示意图

1-入射狭缝；2-会集装置；3-光栅；4-聚焦成像装置；5-阵列探测器；6-滤光片；7-光陷阱；7-1-黑色镜面反射装置；7-2-光吸收装置；8-光栅出射的零级光；9-会集装置焦平面；10-准直镜。

具体实施方式

如图2所示，一种交叉C-T结构的光谱仪，包括入射狭缝1、会集装置2、光栅3-1、聚焦成像装置4-1、阵列探测器5以及光陷阱7，入射狭缝1后设置滤光片6，会集装置2和聚焦成像装置4-1均为非球面光学反射镜。

入射狭缝1与会集装置2之间的光学距离为会集装置2焦距的1.2倍。所述的光学距离指入射狭缝1的几何中心与会聚装置2的主点之间的距离，会集装置2的主点是指其主面与光轴的交点。入射狭缝1将入射光束导入光谱仪，入射光束经滤光片6滤除测量波段以外的杂散光，并入射至会集装置2，再经会集装置2会聚入射至光栅3-1表面，光栅3-1将会聚入射光分光，分光后的衍射光以会聚方式出射，且零级光8-1从聚焦成像装置4-1的左侧出射，聚焦成像装置4-1仅接收所需要的单色衍射光，并将光谱像成至阵列探测器5的光敏面，阵列探测器5感知并测量各单色衍射光的光信号。

如图3所示，光陷阱7由黑色镜面反射装置7-1和锥形光吸收装置7-2构成，黑色镜面反射装置7-1为黑色有机玻璃材质，与光栅3-1的主截面倾斜相交，光栅3-1的主截面为垂直于光栅3-1刻痕的平面。光栅出射的零级光8-1倾斜入射至黑色镜面反射装置7-1的表面，其大部分能量被黑色有机玻璃所吸收。黑色镜面反射装置7-1以极低的反射率将光栅出射的零级光8从锥形光吸收装置7-2的开口面完全反射至光吸收装置7-2中。光吸收装置7-2为黑色有机玻璃所构成的锥形装置，光栅出射的零级光8的反射光倾斜入射至其黑色有机玻璃内表面，并在光吸收装置7-2的内表面多次吸收和反射，达到锥形结构的顶点，可避免其再次进入期望光路，有效降低光谱仪内光栅出射的零级光8所造成的杂散光。

在图2所示的光谱仪中，若将会集装置2换作准直镜10，入射狭缝1在准直镜10的一倍焦距左右，则获得如图2虚线所示的平行光，则相应的光栅3-2及聚焦成像装置4-2的尺寸需增大，光栅3-2对平行入射光分光后，光栅出射的零级光8-2则直接入射聚焦成像装置4-2。而本实施例的设计方案则可以使光栅出射的零级光8-1从聚焦成像装置4-1的左侧完全出射，并被光陷阱7所吸收，有效避免光栅出射的零级光8所造成的杂散光，且相比之下，光谱仪的结构更加紧凑。

Claims (10)

1.一种光谱仪，包括入射狭缝(1)、会集装置(2)、光栅(3)、聚焦成像装置(4)和阵列探测器(5)，其特征在于，所述的入射狭缝(1)位于会集装置(2)的焦点以外，入射光束经入射狭缝(1)进入光谱仪，入射光束经会集装置(2)后会聚入射到光栅(3)，光栅(3)将会聚入射光分光，分光后的衍射光以会聚方式出射，聚焦成像装置(4)接收来自光栅(3)的单色衍射光，并将光谱像成至阵列探测器(5)上，阵列探测器(5)探测各单色衍射光的信号。

2.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的入射狭缝(1)位于会集装置(2)的一倍焦距和两倍焦距之间。

3.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的光谱仪为正C-T结构的光谱仪，或者为交叉C-T结构的光谱仪。

4.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的会集装置(2)和/或聚焦成像装置(4)为球面光学反射镜或者非球面光学反射镜。

5.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，在所述的聚焦成像装置(4)和/或阵列探测器(5)前设置线性滤光片或者表面镀有光谱选择性薄膜。

6.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，包括一个以上滤光片(6)，所述的滤光片(6)设置在入射狭缝(1)之后、会集装置(2)之前的光路上。

7.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，包括光陷阱(7)，所述光陷阱(7)吸收光栅出射的零级光(8)。

8.如权利要求7所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的光陷阱(7)由黑色镜面反射装置(7-1)和光吸收装置(7-2)组成，所述的光栅出射的零级光(8)倾斜入射至黑色镜面反射装置(7-1)，并经其反射进入光吸收装置(7-2)。

9.如权利要求8所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的黑色镜面反射装置(7-1)为黑色有机玻璃。

10.如权利要求8所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的光吸收装置(7-2)为黑色有机玻璃所构成的锥形装置，光栅出射的零级光(8)经黑色镜面反射装置(7-1)反射，反射光从锥形开口面倾斜入射至光吸收装置(7-2)的黑色有机玻璃内表面。

Images