CN104729708B - 一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，包括扫描单元、集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元包括入射孔、准直反射镜、反射衍射光栅、聚焦反射镜、轮胎透镜、消级滤光片；信号处理单元包括光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元。扫描单元之后是集光单元，集光单元位于光栅分光光路之前；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；反射衍射光栅的光栅面与准直反射镜的反射面相对；聚焦反射镜位于反射衍射光栅的后面；聚焦反射镜之后是轮胎透镜，轮胎透镜之后是消级滤光片，最后是信号处理单元。

Description

一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪

技术领域

本发明涉及一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，属于分析仪器技术领域。

背景技术

光栅光谱仪能够将入射进分光系统内的光按照波长的不同在探测器上分布于不同的位置，进而根据光谱特性来反演物质特性，目前广泛应用于航天航空探测、行星元素组分探测、化学物质分析、农业作物生长状况监测等很多领域。其中反射式光栅光谱仪多采用Czerny-Turner结构，经典的Czerny-Turner结构一般包括入射狭缝、两个球面反射镜(一块用于将从入射狭缝入射进的光进行准直，另一块用于将从光栅衍射的光进行聚焦到探测器上)、一块平面反射光栅和一块探测器构成，结构比较紧凑，具有较高的光谱分辨能力和较好的稳定性。

对于光谱仪探测领域来说，如何在不改动基本的光路结构的条件下，满足多种市场需要是光谱仪的一个重要发展方向。在成本较低的情况下，采用经典的Czerny-Turner型结构，满足基本的光谱探测需要即可。但是在对光谱分析要求较高的领域，一般的光谱仪结构将不能满足要求，这是由于在光谱分光光路中子午焦距与弧矢焦距不等，导致子午像面与弧矢像面不重合，进而产生像散问题；同时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的二级衍射光，λ/3的三级衍射光…等相重合，这就是在宽光谱探测时光栅光谱仪中普遍存在的光谱重级的问题；这些问题的存在阻碍了光栅光谱仪在航天航空探测及原子光谱分析等领域内的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服目前已有的经典型Czerny-Turner结构存在的像散及宽光谱范围内存在的不同衍射级数光谱重叠的问题，提供一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，在Czerny-Turner结构的基础上加入一片轮胎透镜和一片消级滤光片，形成新的光谱光路结构。在新的光谱仪光路结构中，不会对原来的光学元件及探测器作位置或者角度的改变，此方法既适合对已有的光谱光路进行改造，也适合制作新的光谱仪。

本发明的技术解决方案：一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，包括扫描单元、集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元包括入射孔、准直反射镜、反射衍射光栅、聚焦反射镜、轮胎透镜、消级滤光片；信号处理单元包括光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元；

扫描单元位于集光单元之前，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、反射衍射光栅、聚焦反射镜、轮胎透镜、消级滤光片及光电探测器；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；反射衍射光栅的光栅面与准直反射镜的反射面相对；聚焦反射镜位于反射衍射光栅的后面，聚焦反射镜的反射面与反射衍射光栅的反射面相对；聚焦反射镜之后是轮胎透镜，轮胎透镜之后是消级滤光片，最后是信号处理单元；消级滤光片之后是光电探测器，消级滤光片的出射面与光电探测器的接收面相对；

扫描单元对待测试目标范围内的信号光进行扫描，集光单元收集待测试目标的信号光；收集到的光信号经入射孔后入射到准直反射镜上进行准直，准直后的光反射到反射衍射光栅上进行衍射分光后送至聚焦反射镜；聚焦反射镜将从反射衍射光栅衍射出的光进行聚焦后送至轮胎透镜进行消除像散处理；之后经过消级滤光片后送至光电探测器；光电探测器将探测到的光信号转化为电信号；A/D转换电路将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将数字电路信号进行处理，并将光谱特征信息进行进一步的优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息，交由显示单元进行显示；

所述反射衍射光栅为一般反射衍射光栅或闪耀光栅或中阶梯光栅；

所述消级滤光片的表面进行镀膜处理，使不需要级次的衍射光反射或吸收；

去除轮胎透镜和消级滤光片之后，剩余部分依然能够构成新的光谱仪，但存在像散或光谱重级问题。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

在以上的设计中，突出的创新点在于加入了轮胎透镜和消级滤光片，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.加入轮胎透镜可以消除一般光谱仪中存在的像散。轮胎透镜在子午面和弧矢面方向的焦距不同，进而可以使子午面和弧氏面内的光聚焦到同一像面上，且在本发明中在轮胎透镜加入之后不改变子午面的焦距；

2.消级滤光片的存在可以消除宽光谱探测时光栅光谱仪存在的重级问题，进而可以防止非需要级次的衍射光进入探测器形成杂散光；

3.在本发明中，在去掉轮胎透镜和消级滤光片之后系统依然是一个光谱仪结构，区别之处在于存在像散和光谱重级的现象。根据这一特点，可以根据用户需求在同一种结构下构建不同市场价位、不同用户目标群的光谱仪，既可以满足低端光谱仪设计需求(有像散和光谱重级现象，但能够满足探测基本的光谱需要)，又可以根据客户需要配置成较高端的光谱仪(无像散和光谱重级现象，光谱能量集中，系统信噪比较高)；

4.根据此光路结构的设计思想，可以对市场上现有的存在像散和光谱重级的光谱仪进行改造，不需要移动光谱光路中的任何部件，只需要加入需要的轮胎透镜和消级滤光片即可；

5.在系统构建完成之后，在光栅分光光路中将不存在任何移动部件，系统稳定性较高。

附图说明

图1为本发明具体实施例中的消像散宽光谱探测光栅光谱仪的结构示意图；

其中：1-扫描单元；2-集光单元；3-入射狭缝；4-准直反射镜；5-反射衍射光栅；6-聚焦反射镜；7-轮胎透镜；8-消级滤光片；9-光电探测器；10-A/D转换电路；11-信号处理电路；12-显示单元。

图2本发明具体实施例中的仿真光路图；

图3为本发明中中阶梯光栅的示意图；

图4为本发明具体实施例中消级滤光片示意图；

图5为加轮胎透镜及消级滤光片前后的系统光斑均方根半径(RMS spot diagram)随波长的变化图。

具体实施方式

下面进一步结合附图1、附图2和具体的实例来对本发明方法进行说明。

消像散宽光谱探测光栅光谱仪，如图1及附图2所示(其中附图1为光路示意图，附图2为在Zemax软件中的具体仿真图)，包括扫描单元1、集光单元2、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元12。其中光栅分光单元包括入射孔3、准直反射镜4、反射衍射光栅5、聚焦反射镜6、轮胎透镜7、消级滤光片8；信号处理单元包括光电探测器9、A/D转换电路10、信号处理电路11。

上述扫描单元1的功能是将需要目标范围内的信号光进行转向，使其能够进入光学系统；

所述集光单元2的功能是收集测试目标的信号光，它可以是反射式/透射式望远镜，也可以是带有集光镜的光纤。在本实施例中采用透镜加转向反射镜的方式进行制作，具体的望远镜焦距为1000mm，口径为100mm；

所述入射孔3位于集光单元4之后，用于限定所需视场范围内的光进入分光光路，并起到光谱仪中的入射狭缝的作用，在本实施例中它是圆形孔，直径是10μm；

所述准直反射镜4是球面反射镜，用于将入射进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光栅上，在本实施例中，它的焦距是200mm；

所述光栅5为反射衍射光栅，它可以是一般的反射光栅，也可以是闪耀光栅或中阶梯光栅，具体功能是对准直后的光进行分光。

在采用中阶梯光栅时，参考图3，入射时入射到光栅上的入射光及衍射光满足光栅方程：

d(sinα±sinβ)cosγ＝mλ

其中d表示中阶梯光栅的光栅线对数，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。若入射光线在xoy平面内，可以对上述的光栅方程进行简化，得到：

d(sinα±sinβ)＝mλ

这就是一般常用的光栅方程，适用于平面反射光栅、闪耀光栅和特殊情况下的中阶梯光栅。

在本实施例中采用一般的反射衍射光栅，反射衍射光栅的参数是300lines/mm，光栅的衍射级数m选定为1；

所述聚焦反射镜6是球面反射镜，用于将从光栅衍射出的光进行聚焦，并改变光路的方向，使其按照所需的角度打到轮胎透镜上，它的焦距是220mm；

所述轮胎透镜7是采用透射式光学材料制成，可以是单片透镜，也可以是群透镜组，它在子午面和弧矢面方向的焦距不同，主要用于消除像散，且不改变分光系统子午面的光程。在具体参数设计上要综合考虑系统中各元件导致的子午焦距与弧矢焦距的差异，首先根据像差原理得出光学系统的初始结构，然后将初始结构参数输入到光学优化软件中，经过软件的多次优化得到可实际加工的光学元件参数。具体在本实施例中在子午面和弧矢面的焦距分别为31.23mm和13.91mm；

所述消级滤光片8的设计中，主要考虑的是消除某些特定级数内不需要的光谱信息，从前面的光栅方程可以知道，在光栅常数d、入射角α和衍射角β等参数确定的条件下，衍射级数与波长的乘积是一个定值，那么对于一级衍射波长为λ的光线来说，它与二级衍射波长为λ/2，三级衍射波长为λ/3…的光线在探测器上同一位置重合。这些不需要的多级次衍射光线会在探测器上形成杂散信号，导致光谱仪的光谱探测能力下降。而消级滤光片的设计目的就是将这些非目标级次的衍射光线去除，采用的方法就是利用镀膜的原理，在基片上镀吸收或者反射膜，将某些不需要的光谱级次滤除。在本实施例中，光谱仪的探测光谱范围是350nm～800nm，那么根据光栅方程可以知道，350nm-400nm的二级衍射光与700nm-800nm的一级衍射光在探测器上相重叠。设计如图4所示的消级滤光片，它由透射式光学材料制成，长宽的尺寸为40mm×8mm(参见图4中的(a)图)，在距离左边缘16mm处开始镀消光膜，并作出镀膜标记，镀膜的光谱透过率曲线见图4中的(b)图，其中在小于P₁波长下光谱的透过率小于1％，大于P₂波长下的透过率大于90％，在具体安装时将镀消光膜部分处于二级衍射光所在位置；

所述光电探测器9是线阵探测器或者面阵探测器，既可以是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。在本实施例中采用线阵探测器，为CCD型，具体的探测面元大小为128μm×16μm(线阵方向)，像元个数为2048个；

所述信号处理单元除光电探测器之外的其余部分的功能是从光电探测器读出电信号，然后经过A/D转换电路将模拟电信号转换为数字信号，之后通过信号处理电路提出探测对象的光谱特征信息，光谱特征信息包括光谱的波长、强度等多个方面；

所述显示单元12可以由光电二极管构成，也可以是液晶显示屏，主要用来显示光谱特征信息。在本实施例中采用液晶显示屏。

上述各组成部分的连接关系为：

扫描单元1位于集光单元2之前，集光单元2位于光栅分光单元之前，在集光单元2之后随光路走向依次是入射孔3、准直反射镜4、反射衍射光栅5、聚焦反射镜6、轮胎透镜7、消级滤光片8及光电探测器9；入射孔3位于集光单元2的光路焦点处，集光单元2出射光轴、入射孔3与准直反射镜4同轴，其中准直反射镜4反射面面向入射孔3且倾斜放置；反射衍射光栅5的光栅面与准直反射镜4的反射面相对；聚焦反射镜6位于反射衍射光栅5的后面，聚焦反射镜6的反射面与反射衍射光栅5的反射面相对；聚焦反射镜6之后是轮胎透镜7，轮胎透镜7之后是消级滤光片8，最后是信号处理单元；消级滤光片8之后是光电探测器9，消级滤光片8的出射面与光电探测器9的接收面相对；信号处理单元将处理后的数据交由显示单元12显示。

所述消像散宽光谱探测光栅光谱仪对目标物进行光谱分析的过程为：

第1步:扫描单元1将目标范围内的信号光进行转向，使其进入集光单元2；

第2步:集光单元2收集目标散发出的信号光，然后到达集光单元入射孔3，经过入射孔的限制，以一定的入射角度到达准直反射镜4；

第3步:入射光经过准直反射镜4反射后变成平行光，改变入射光的方向，到达反射衍射光栅5；

第4步:经过反射衍射光栅5的反射分光后信号光按照不同的波长分成不同的角度，到达聚焦反射镜6；

第5步:衍射光经聚焦反射镜6的聚焦后变成会聚光，中间经过轮胎透镜7、消级滤光片8到达位于聚焦位置的光电探测器9；

第6步:光电探测器9将接收到的光信号转换成电信号，并交由A/D转换电路10进行处理；

第7步:A/D转换电路10将模拟电信号转换成数字信号，再经过后续信号处理电路的处理，得到目标的光谱特征信息，并交由显示单元12进行显示。

在本实施例中，在具体的成像效果上，参考图5，在未加轮胎透镜及消级滤光片前，系统存在像散及重级现象，在350nm～800nm范围内的光斑均方根半径大小在300μm以上(参见图5中的(a)图)，而在加入之后光斑均方根半径在16μm以下(参见图5中的(b)图)，能量更加集中。虽然在未加轮胎透镜7及消级滤光片8前，可以让线阵探测器的探测面位于子午焦面上进行探测，但是由于像散的存在，最后的信噪比依然会比较低，这是低端的光谱仪经常采用的结构；而在不改变原有器件的位置和方位，根据需要加入轮胎透镜和消级滤光片之后，可以消除重级并将信号集中起来，较大程度的提高信噪比。

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 (3)

1.一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，其特征在于：包括扫描单元(1)、集光单元(2)、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元(12)；其中光栅分光单元包括入射孔(3)、准直反射镜(4)、反射衍射光栅(5)、聚焦反射镜(6)、轮胎透镜(7)、消级滤光片(8)；信号处理单元包括光电探测器(9)、A/D转换电路(10)、光谱信号处理子单元(11)；所述轮胎透镜(7)采用透射式光学材料制成，且在子午面和弧矢面方向的焦距不同；

扫描单元(1)位于集光单元(2)之前，集光单元(2)位于光栅分光单元之前，在集光单元(2)之后随光路走向依次是入射孔(3)、准直反射镜(4)、反射衍射光栅(5)、聚焦反射镜(6)、轮胎透镜(7)、消级滤光片(8)及光电探测器(9)；入射孔(3)位于集光单元(2)的光路焦点处，集光单元(2)出射光轴、入射孔(3)与准直反射镜(4)同轴，其中准直反射镜(4)反射面面向入射孔(3)且倾斜放置；反射衍射光栅(5)的光栅面与准直反射镜(4)的反射面相对；聚焦反射镜(6)位于反射衍射光栅(5)的后面，聚焦反射镜(6)的反射面与反射衍射光栅(5)的反射面相对；聚焦反射镜(6)之后是轮胎透镜(7)，轮胎透镜(7)之后是消级滤光片(8)，最后是信号处理单元；消级滤光片(8)之后是光电探测器(9)，消级滤光片(8)的出射面与光电探测器(9)的接收面相对；

扫描单元(1)对待测试目标范围内的信号光进行扫描，集光单元(2)收集待测试目标的信号光；收集到的光信号经入射孔(3)后入射到准直反射镜(4)上进行准直，准直后的光反射到反射衍射光栅(5)上进行衍射分光后送至聚焦反射镜(6)；聚焦反射镜(6)将从反射衍射光栅(5)衍射出的光进行聚焦后送至轮胎透镜(7)进行消除像散处理；之后经过消级滤光片(8)后送至光电探测器(9)；光电探测器(9)将探测到的光信号转化为电信号；A/D转换电路(10)将光电探测器(9)得到的模拟电信号转化为数字电路信号，并交由光谱信号处理子单元(11)进行处理；所述光谱信号处理子单元(11)将数字电路信号进行处理，并将光谱特征信息进行进一步的优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息，交由显示单元(12)进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，其特征在于：所述反射衍射光栅(5)为闪耀光栅或中阶梯光栅。

3.根据权利要求1所述的一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，其特征在于：所述消级滤光片(8)的表面进行镀膜处理，使不需要级次的衍射光反射或吸收。