CN104729707A - 一种消像散中阶梯光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种消像散中阶梯光栅光谱仪，包括集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元主要包括入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜；信号处理单元主要包括面阵光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元。集光单元位于光栅分光单元之前，在集光单元之后随光路走向依次是入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜及面阵光电探测器，入射孔位于集光单元的光路焦点处，集光单元出射光轴、入射孔与准直反射镜同轴；其中准直反射镜反射面面向入射孔且倾斜放置；透射衍射光栅位于中阶梯反射衍射光栅之后，且位于轮胎面反射镜之前，之后是信号处理单元。

Description

一种消像散中阶梯光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及一种消像散中阶梯光栅光谱仪，属于分析仪器技术领域。

背景技术

随着近年来电子、机械、计算机、激光、光纤以及各种先进加工制造工艺的发展，光谱相关仪器的设计理论和制造方法得到了长足的进步，仪器的性能也不断的提高，与光谱相关的应用已经在众多领域开展。在天文学、物理学、化学、生物学、地理学等基础科学领域，光谱仪是最基本、应用最广泛的分析仪器；在工业和农业生产领域，光谱仪器和光谱分析已经成为不可缺少的检测、分析手段；在航空航天、医疗诊断、药物研制、病例分析、环境污染监测等领域，光谱仪器凭借卓越的性能优势逐渐取代传统的化学或生物学分析检测手段。

现在最常用的光谱仪器是光栅类光谱仪，其核心的色散部件是衍射光栅，然而随着对物质研究的不断深入，对光谱仪器的光谱分辨率要求越来越高，而在提高光谱分辨率这一指标上，可以减小入射狭缝、提高光栅线对数、提高衍射级数等方式去提高，然而，减小入射狭缝意味着通光能量的降低，提高光栅线对数受限于光刻加工等能力，提高单一的光栅衍射级数会增大探测器线尺寸，光学系统对应的像差也会增大。为此如何能够在不增加探测器色散方向尺寸的条件下实现光谱的高分辨是光栅色散分光系统的一个难点。

采用中阶梯反射衍射光栅代替传统的反射衍射光栅来进行实现高分辨率的色散是光栅光谱仪发展的一个重要方向。这里面需要解决的问题包括两个：一是如何能够消除宽光谱范围内光谱重级的问题，由光栅分光的原理可以知道，对于衍射一级的波长λ来讲，它在探测器上的位置与波长λ/2，λ/3，λ/4…等相重合，为此需要采取一定的手段将不同波长的光分开；二是如何能够解决传统分光结构中的像散问题，在经典的切尼-特纳结构光路中，准直反射镜和聚焦反射镜都是由球面反射镜组成，在子午面和弧氏面方向的焦距不同，导致最后在探测器面上得到的不是理想的圆斑而是一个细长的光斑，这会导致最后信噪比的下降。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有的经典型Czerny-Turner结构存在的光谱分辨率不强及像散的问题，提供一种消像散中阶梯光栅光谱仪，采用中阶梯反射衍射光栅结合普通的透射衍射光栅及轮胎面反射镜的方法，构建高分辨率的无像散的光谱仪结构。

本发明的技术解决方案：一种消像散中阶梯光栅光谱仪，包括集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元主要包括入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜；信号处理单元主要包括面阵光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元；

集光单元位于光栅分光单元之前，在集光单元之后随光路走向依次是入射孔、准直反射镜、中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅、轮胎面反射镜)及面阵光电探测器；入射孔位于集光单元的光路焦点处，集光单元出射光轴、入射孔与准直反射镜同轴，其中准直反射镜反射面面向入射孔且倾斜放置；中阶梯反射衍射光栅反射面与准直反射镜的反射面相对，透射衍射光栅位于中阶梯反射衍射光栅之后，且位于轮胎面反射镜之前，其中透射衍射光栅的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅的刻线方向之间的夹角75°<θ<90°；轮胎面反射镜之后是面阵光电探测器，轮胎面反射镜的反射面与面阵光电探测器的接收面相对；

集光单元接收目标物体发出的光信号，该光信号经入射孔后入射到准直反射镜上进行准直，准直后的光反射到中阶梯反射衍射光栅上；中阶梯反射衍射光栅将准直后的光进行多级次衍射分光后送至透射衍射光栅；透射衍射光栅将从中阶梯反射衍射光栅衍射后的光再次进行单级次衍射分光后送至轮胎面反射镜；轮胎面反射镜将衍射后的光进行聚焦，并反射到面阵光电探测器上；面阵光电探测器对聚焦后的光进行探测，并将光信号转化为电信号；A/D转换电路将面阵光电探测器得到的模拟电信号转化为数字电信号，并交由光谱信号处理子单元进行处理；所述光谱信号处理子单元对数字电路信号进行处理和优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息；显示单元显示出光谱特征信息。

所述的集光单元可以是反射式/透射式望远镜，也可以是带有集光镜的光纤。

所述准直反射镜的光轴与准直反射镜接收光方向之间的夹角为0°-25°；

所述透射衍射光栅的衍射级数可以取-2，-1，+1，+2级数中的任意一个；

所述中阶梯反射衍射光栅的衍射级数大于15。

本发明与现有技术相比的有益效果：

在以上的设计中，突出的创新点在于采用中阶梯反射衍射光栅、透射衍射光栅及轮胎面反射镜相结合使用的方式，进而使本发明具有一般光谱仪所不具有的突出优点，描述如下：

1.中阶梯反射衍射光栅的分光能力强，但是很多衍射级的衍射光会重叠在一起，采用透射衍射光栅再次衍射分光可以将重叠级数分开，并且透射衍射光栅相比于一般的棱镜来说分光能力更强；

2.透射衍射光栅位于光的传播光路上，不需要对光进行反射或者折射，因而相比于一般的光谱仪来讲体积基本无变化但系统分光能力增强很多；

3.在透射衍射光栅后采用轮胎面反射镜使系统子午方向和弧氏方向的焦面相重合，可以消除像散的影响，进而提升系统的信噪比并且可以充分利用中阶梯反射衍射光栅的多级数的分光能力；

4.可以充分利用面阵光电探测器的像元数目多的优点，在二维方向都进行分光，可以避免为实现宽光谱探测而导致的一维方向像面尺寸过长存在的大像差问题；

5.系统的搭建定标完成之后，系统无活动部件，稳定性高，并且系统体积较小，光谱分辨率高。

附图说明

图1为本发明具体实施例中的消像散中阶梯反射衍射光栅光谱仪的结构示意图；

其中：1-集光单元；2-入射孔；3-准直反射镜；4-中阶梯反射衍射光栅；5-透射衍射光栅；6-轮胎面反射镜；7-面阵光电探测器；8-A/D转换电路；9-光谱信号处理子单元；10-显示单元。

图2为本发明中中阶梯反射衍射光栅的示意图。

具体实施方式

下面进一步结合附图1和具体的实例来对本发明方法进行说明。

一种消像散中阶梯光栅光谱仪，参考图1，包括集光单元1、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元10。其中光栅分光单元主要包括入射孔2、准直反射镜3、中阶梯反射衍射光栅4、透射衍射光栅5、轮胎面反射镜6；信号处理单元主要包括面阵光电探测器7、A/D转换电路8、光谱信号处理子单元9。

所述集光单元1主要用于将目标特性中的光信号收集到光路中，它可以是反射式结构，也可以是透射式结构，也可以是光纤。在本实施例中采用透镜方式进行制作，采用的材料是BK7和SF1组成的胶合透镜，将入射进集光单元1的光进行聚焦，具体的焦距为800mm，口径为80mm；

所述入射孔2位于集光单元1之后，主要用于将集光光路收集到的信号光进行限定，不让不需要的光通过，同时起到光谱仪中狭缝的作用，它可以是圆形孔，也可以是方形孔，或其他的任何形状，根据需要进行选择。在本实施例中它是圆形孔，直径是10μm；

所述准直反射镜3是球面反射镜，用于将进入分光光路中的光进行准直及改变光路的方向，使其按照所需的角度入射到中阶梯反射衍射光栅4上，在本实施例中，它的焦距是150mm；

所述中阶梯反射衍射光栅4主要用于将准直后的光进行分光，参数满足前面所述的的中阶梯反射衍射光栅方程(参考图2)，具体表示为：

d(sinα±sinβ)cosγ＝mλ

其中d表示中阶梯反射衍射光栅的光栅线对数，单位是lines/mm；α表示入射光线在xoy平面内相对于法线的夹角，单位是°；β表示出射光线在xoy平面相对于法线的夹角，单位是°；γ表示入射光线与xoy平面的夹角，单位是°；m表示衍射级数，λ表示闪耀波长，单位是mm；在式中正负号表示入射光线与出射光线与法线之间的相对关系，如果在同一侧那么符号为正，在异侧符号为负。在本实施例中中阶梯反射衍射光栅的参数是31.6lines/mm，63度闪耀角，所用的光栅衍射级数为70～105级，具体使用时它的光栅面与yoz平面的夹角为63度，与xoy平面的夹角为5度；

所述透射衍射光栅5用于将从中阶梯反射衍射光栅4衍射后的光再次衍射分光，透射衍射光栅5的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅4的刻线方向之间的夹角75°<θ<90°，它的参数满足一般的光栅方程。在本实施例中采用的光栅的参数是200lines/mm，所用的光栅的基底材料为B270玻璃，衍射级数为1级；

所述轮胎面反射镜6主要用于将衍射后的光进行聚焦，并反射到面阵光电探测器7上，其中轮胎面反射镜在子午和弧氏方向的焦距不同，能够消除像散的影响。在本实施例中它在子午面的焦距是150mm，在弧氏面的焦距是147.27mm；

所述面阵光电探测器7可以是CCD(电荷耦合器件)、CMOS(互补金属氧化物半导体)，也可以是PDA(光电二极管阵列)，用于对分光后的光进行探测，并将光信号转化为电信号。在本实施例中探测器为CCD型，探测的波长范围是540nm～800nm，具体的探测面元大小为8μm×8μm，像元个数为1396×1024个；

所述信号处理单元除面阵光电探测器7其余部分的功能主要是从光电探测器7读出电信号，然后经过A/D转换电路8将模拟电信号转换为数字信号，之后通过光谱信号处理子单元9进行进一步的优化计算，除去杂散光的光谱信号，提出探测对象的光谱信息，光谱信息包括光谱的波长、强度等多个方面；

所述显示单元10可以是光电二极管阵列，也可以是液晶显示屏，主要用来显示光谱特征信息。在本实施例中是液晶显示屏，主要用来显示光谱特征信息。

上述各组成部分的连接关系为：

集光单元1位于系统的起始端，在集光单元1之后是入射孔2及准直反射镜3，其中入射孔位于集光单元的焦点上，集光单元1的出射光轴、入射孔2及准直反射镜3同轴(其中准直反射镜倾斜放置)；中阶梯反射衍射光栅4反射面与准直反射镜3的反射面相对，透射衍射光栅5位于中阶梯反射衍射光栅4之后，且位于轮胎面反射镜6之前，其中透射衍射光栅5的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅4的刻线方向之间的夹角75°<θ<90°；轮胎面反射镜6的反射面之后是信号处理单元，信号处理单元将处理后的数据交由显示单元10显示。

所述消像散中阶梯反射衍射光栅光谱仪对目标物进行光谱分析的过程为：

第1步:集光单元1收集目标散发出的信号光，并将信号光聚焦到入射孔2的位置，经过入射孔的限制，以一定的入射角度到达准直反射镜3；

第2步:从入射孔通过的光信号经过准直反射镜3反射后变成平行光，改变入射光的方向，到达中阶梯反射衍射光栅4；

第3步:经过中阶梯反射衍射光栅4的反射衍射分光后信号光按照不同的波长分成不同的角度，到达透射衍射光栅5；

第4步:经中阶梯反射衍射光栅4衍射的光在经过透射衍射光栅5后再次发生衍射(衍射方向与初次的衍射方向夹角75°<θ<90°)，到达轮胎面反射镜6；

第5步:经过两次光栅衍射后的信号光经轮胎面反射镜6的聚焦后变成会聚光，到达处于焦点位置的面阵光电探测器7；

第6步：面阵光电探测器7将接收到的光信号转换成电信号，并交由A/D转换电路8进行处理；

第7步：A/D转换电路8将模拟电信号转换成数字信号，再经过后续光谱信号处理子单元的处理，得到目标的光谱特征信息，并交由显示单元10进行显示。

以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，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 (5)

1.一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于：包括集光单元(1)、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元(10)；其中光栅分光单元主要包括入射孔(2)、准直反射镜(3)、中阶梯反射衍射光栅(4)、透射衍射光栅(5)、轮胎面反射镜(6)；信号处理单元主要包括面阵光电探测器(7)、A/D转换电路(8)、光谱信号处理子单元(9)；

集光单元(1)位于光栅分光单元之前，在集光单元(1)之后随光路走向依次是入射孔(2)、准直反射镜(3)、中阶梯反射衍射光栅(4)、透射衍射光栅(5)、轮胎面反射镜6)及面阵光电探测器(7)；入射孔(2)位于集光单元(1)的光路焦点处，集光单元(1)出射光轴、入射孔(2)与准直反射镜(3)同轴，其中准直反射镜(3)反射面面向入射孔(2)且倾斜放置；中阶梯反射衍射光栅(4)反射面与准直反射镜(3)的反射面相对，透射衍射光栅(5)位于中阶梯反射衍射光栅(4)之后，且位于轮胎面反射镜(6)之前，其中透射衍射光栅(5)的光栅刻线方向与中阶梯反射衍射光栅(4)的刻线方向之间的夹角75°<θ<90°；轮胎面反射镜(6)之后是面阵光电探测器(7)，轮胎面反射镜(6)的反射面与面阵光电探测器(7)的接收面相对；

集光单元(1)接收目标物体发出的光信号，该光信号经入射孔(2)后入射到准直反射镜(3)上进行准直，准直后的光反射到中阶梯反射衍射光栅(4)上；中阶梯反射衍射光栅(4)将准直后的光进行多级次衍射分光后送至透射衍射光栅(5)；透射衍射光栅(5)将从中阶梯反射衍射光栅(4)衍射后的光再次进行单级次衍射分光后送至轮胎面反射镜(6)；轮胎面反射镜(6)将衍射后的光进行聚焦，并反射到面阵光电探测器(7)上；面阵光电探测器(7)对聚焦后的光进行探测，并将光信号转化为电信号；A/D转换电路(8)将面阵光电探测器(7)得到的模拟电信号转化为数字电信号，并交由光谱信号处理子单元(9)进行处理；所述光谱信号处理子单元(9)对数字电路信号进行处理和优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息；显示单元(10)显示出光谱特征信息。

2.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于：所 述的集光单元(1)可以是反射式/透射式望远镜，也可以是带有集光镜的光纤。

3.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于：所述准直反射镜(3)的光轴与准直反射镜(3)接收光方向之间的夹角为0°-25°。

4.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于：所述透射衍射光栅(5)的衍射级数可以取-2，-1，+1，+2级数中的任意一个。

5.根据权利要求1所述的一种消像散中阶梯光栅光谱仪，其特征在于：所述中阶梯反射衍射光栅(4)的衍射级数大于15。