CN106133487B - 光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱仪，所述光谱仪包括至少一个光栅(1)和至少一个棱镜(2)的组合，其特征在于，在至少一个棱镜(2)中使用全反射，以获得紧凑结构的光谱仪。

Description

光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，所述光谱仪包括至少一个光栅和至少一个棱镜的组合。

技术背景

为了分析宽带光，标准白光光谱仪结合了至少一个准直光学单元、一个色散光学单元以及一个具有检测器的聚焦光学单元，所述检测器现在通常被配置为线扫描传感器或矩阵图像传感器(见图1)。所有光学单元在每一情况下依次由至少一个元件组成。通常使用透镜作为准直仪和聚焦元件，然而其他的实施例也是已知的。棱镜和光栅可单独使用及可组合使用以产生必要色散。

使用色散光学单元产生角色散D，即是相对于波长改变光的扩展方向。所述色散光学单元与聚焦光学单元结合使用，于是被分开的光(光谱)在检测器上的不同位置显示出来。所述检测器能够利用光强度与光电流之间的线性关系将所显示的光谱上的强度分布转换成模拟信号。在许多当前的应用中，在例如PC、FPGA等的计算机系统中进行模拟信号的数字化、存储和分析。

光谱仪的成像特性高度取决于光学元件的类型和布置。如果首先只考虑最简单的光学结构和只考虑在所述光学结构中的中心色散元件，可得出两种光谱仪：棱镜光谱仪和光栅光谱仪。在第一种情况下，棱镜光谱仪的设计总是可透射的，而在第二种情况下，反射阵列也是可能的(见图2)。

棱镜光谱仪的角色散由棱镜材料的折光指数n的波长依存性造成。运用斯涅耳定律(Snell’s Law)以及用棱镜的入射角α、相关的反射角γ、棱镜的反射角β、波长λ和棱镜角ε，在以下方给出棱镜的光束偏转：

通式1:棱镜的偏转公式

通式2:棱镜的色散公式

根据光栅公式以及用偏转角β、衍射级μ和光栅常数g，光栅光谱仪的角色散为：

通式3:光栅的色散公式

如果从色散特性方面分析通式2和通式3，波长与偏转之间的非线性关系很快变得明显。当使用光栅和根据所选择的定义，色散(因此成像位置)与波长之间的线性关系仅存在于非常窄的范围内，β大约为0。由于输入了多个非线性参数，当使用棱镜时更难建立色散与波长之间的线性关系。然而通过适当地组合光学部件，整个系统可产生近似线性的波长(见例如专利文献US 6,661,513，Granger，2003)。

然而，波长的线性色散行为不是对每种应用都是有利的。在一些测量技术中，例如彩色共焦测距和白光干涉，测得的变量或更确切地说基础信号的波长就其本质而言被非线性编码。如果调节光谱仪的成像时不考虑这种关系，则在实际分析信号之前需要转换信号，这可以是相当复杂的过程。该中间步骤具有两个不可忽视的缺点。一方面需要额外的资源，而另一方面几乎总是导致额外的误差。即使有成功的和无误差的重新调节，仍有测量值方面的限制。白光干涉技术是这方面的一个显著的例子。根据奈奎斯特判据(Nyquistcriterion)(以及因此邻近的检测器元件的圆波数k的最大变化)，通过这些技术，最大可测量频率已由成像限制。随后的重新调节无论如何也不能改变这种情况。

一些发明尝试通过使用额外的光学部件或通过光栅和棱镜的组合，以类似于波长线性化的方式来解决这问题。在JOSA A杂志，第7卷，第9期，第1779-1791页(1990)，W.A.Traub的文献“Constant-dispersion grism spectrometer for channeled spectra”描述了早期的方案。基本构思是通过光栅和棱镜(棱栅)的组合并且利用不同色散行为来补偿非线性。然而，该提案是基于棱镜的材料色散，光栅的角度传递变化的影响，至少对于弱色散棱镜是这样。专利文献US 6,816,258，Hutchin，2004描述了更近期的圆波数线性化的应用。该发明使用了透射棱栅进行线性化，其中所述光栅可与棱镜的不同侧(面)成一体。专利文献US 7,929,134，Hu等人，2011是类似构造的一个例子，但基于光栅和棱镜在空间上分离。专利文献US 2012024298，Saxer等人，2012描述了一种延伸方法，其目的同样是使圆波数线性化。此外，该结构设计成具有足够的灵活性，使得可在应用期间改变光谱仪的特性。

在Optics and Spectroscopy杂志，2009，第106卷，第3号，第459-465页，Gelikonov等人的文献“Linear-Wavenumber Spectrometer for High-Speed Spectral-Domain Optical Coherence Tomography”编制了实现k线性光谱仪(具有m个检测器元件，100％/检测器元件)的最大剩余线性偏差度的最低要求。作者表明由于除了别的东西以外，还使用了具有大量检测器元件(像素)的检测器，使工作的难度增加。最初，在上述应用中使用256个元件。这个数字后来增加到512个，现在1024个或2048个元件也不罕见。当考虑到所使用的波长范围的位置和宽度时，剩余非线性的要求很快再次变得关键。

然而，成像特性的分析只能作为对光谱仪的综合评价的一部分。不被低估的额外的评价因素在许多应用中起作用。但是，至少在工业应用中，关于系统的价格的问题很快成为一个因素，其他因素仅在进一步调查后才变得明显。这样的因素是光谱仪的效率，即是入射光的什么部分依然会被检测器记录。这对于确定光源的必要输出或者如果光源的输出不受影响时确定检测器的敏感度发挥实质性的作用。两个部件均对系统的设计和价格有影响。另一个不被低估的因素是系统的空间要求。这问题必不可被低估，尤其是在使用几个或多个光谱仪的情况下不可被低估。在标准布置中，k线性化所需要的光学配件元件大大增加了空间要求。一当前的应用(专利文献US 8,102,537，Akishiba，2012)为了节省空间，甚至全面试行了光学k线性化，并通过重新调节光谱来进行校正。这个系统显然是针对工业用途而设计的，相当显著地强调光谱仪特性中的空间要求特性的重要性。

用于优化光栅-棱镜组合的标准方法，在第一步骤中设立或多或少简化了的部件公式。根据信息的可用性和考虑可用的计算机能力来选择简化的程度。根据想要的部件的布置，从部件公式计算系统公式并且一起代入自由参数以进行模拟或优化。然后可从这程序的结果得到对应于自由参数的最佳值。这些值整体上限定了目标值的全局最小值，例如来自色散的k线性递进的剩余偏差的全局最小值。在大多数情况下，根本不能获得或仅能困难地获得该确定值。因此，仍需寻找实际可用并且具有尽可能接近确定的最佳参数的特性的部件，见Gelikonov等人；和在Optics Letters杂志，2007，第32卷，第24号，第3525-3527页，Hu等人的文献“Fourier domain optical coherence tomography with a linear-in-wave number spectrometer”。

对标准方法的已知应用进行仔细研究后，可发现能透射的方案(据作者所知)一直在实行。虽然从来没有排除使用反射光栅，具有反射光栅的k线性光谱仪是未知的。事实上，透射光栅的重要优点在于入射光线和反射光线被自动分开。结果，其他光学部件可易于在光束方向上定位在其上游和/或其下游。然而，必须要接受经济方面的缺点。一方面，透射光栅(至少在接近红外线范围内)是比较昂贵的，而另一方面，它们在技术参数方面仅有几个变型是可用的。相反地，反射光栅更为经济，还有广泛的种类可用。然而，它们仅以利特罗(Littrow)模式或以近似于利特罗模式的模式运作时才真正有效率。在反射光栅中，利特罗模式的特征在于入射光线和反射光线是重叠的。最初好像只有可能通过利特罗模式大幅度偏离或通过使用额外的分束器来分开光线。然而，这两种方法对于光谱仪的效率显然是不利的，且在实务中几乎没有任何重要性(见专利文献US 6,661,513，Granger，2003；US 6,816,258，Hutchin，2004；US 7,929,134，Hu等人，2011)。

以下所述的本发明要解决的问题可大致上概括为已在上文描述的要求和附加限制的组合。需要找到一种方法可将光谱仪设计成结构尽可能紧凑并且达到以下条件：首先，光学的k线性化应该已经发生和达到Gelikonov等人所编制的判据。为此，需要提供2048个检测器像素。其二，应当使所需的光学元件的数目最小化。此外，应当使空间要求和调节工作最小化以及最后，还应当减小部件的成本。另外，整个结构应当设计成尽可能是抗热效应。

如果与已知的解决方案一起考虑它们整体的提出的需求，很快变得明显的是一些需求(特别是高紧凑度和足够的k线性化)显然是互斥，或至少对彼此有不利影响。大量检测器的敏感元件使这些问题恶化。为了解决所提出的问题，当考虑到一些要点时，有必要远远偏离已知的方法。

发明内容

上述的问题由具有权利要求1所述的特征的光谱仪解决。因此，光谱仪被配置和进一步发展成在至少一个棱镜中使用全反射，以获得紧凑结构的光谱仪。

从属权利要求描述了光谱仪的有利的实施例。

在这些实施例中，可使用反射光栅作为光栅。

以全反射为特征的棱镜的一侧能将光栅的入射光线和反射光线分开。

在又一个有利的方式中，通过反射光栅与棱镜之间的角度来进一步优化光谱仪的特性。

在又一个有利的方式中，光谱仪的圆波数特性呈线性。

在另一个有利的配置中，光谱仪可补偿波长与彩色共焦测量系统的焦点之间的色散导致的非线性关系，使得物距的整体特性变为线性。

在又一个有利的方式中，光谱仪的波长特性呈线性。

在一个确实的实施例中，可将棱镜和光栅彼此相对定位成使得光线穿过所述棱镜两次。

为了获得特别可靠和精确的测量，光栅被定位和定向成能够以利特罗模式操作。

在又一个有利的方式中，所述光谱仪包括用于把光束聚焦到检测器上的透镜阵列，以调节k线性。

在又一个有利的方式中，在所述光谱仪中折叠光路，优选地通过折叠式反射镜折叠光路。

根据本发明的光谱仪的发展以标准方法作为起点，即是从搜索能够达到k线性的严格要求的有利的光栅-棱镜组合开始。仅发现解决方案几乎总是接近实际布置的全局最优值，除了别的东西以外，所述实际布置的全局最优值的特征在于光栅与棱镜面之间的实际角度。如前面所述，通常会选择具有透射光栅的结构。根据光谱分束所需的光束导引，使有关的部件之间的光程大大增加。因此，只有使用额外的光学部件(例如折叠式反射镜)才可减小几何距离，并因而不利于问题的解决方案。本发明通过引入两个重要的变化克服了上述挑战。首先，以反射光栅取代透射光栅并将棱镜定位成使光线透过所述棱镜两次。为此，使用在棱镜的内侧上的全反射的精确限定的作用点将入射到光栅的光路和从光栅反射的光路分开。因此，所述反射光栅可定向成以利特罗模式操作并且使得效率不会损害到任何明显程度。在根据本发明所述的形式的光栅之后棱镜被光线第二次透过，因而棱镜可定位成非常接近光栅，甚至与光栅接触。其二，k线性的优化包括需要以任何方式再聚焦的透镜系统。这步骤是必须的，因为虽然使用反射光栅-棱镜阵列可形成非常有效和紧凑的光束导引，根据标准条件(Gelikonov等人)，单独使用反射光栅-棱镜阵列并不能达到k线性要求。因此，选择性地使用再聚焦透镜的畸变效应，能吸收非主阵列施加的必要的线性化的那一部分。

附图说明

现有用于以有利的方式发展和实行本发明的教导的各种选择。为了这个目的，本文一方面参考从属权利要求，而另一方面参照附图参考以下本发明教导的示例性实施例的说明。还通过附图连同优选的示例性实施例的说明解释一般优选的实施例和教导的提升。附图示出了：

图1是标准的光谱仪的示意图；

图2是棱镜和光栅的典型光路的示意图；以及

图3是根据本发明的光谱仪的示例性实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了标准的光谱仪的布局的示意图，所述光谱仪具有准直光学单元、色散光学单元、和具有检测器和光源的聚焦光学单元。

图2示出了在棱镜中的光路和具有入射光线和反射光线的相应角关系的光栅的光路的示意图。

图3示出了根据本发明的光谱仪的示例性实施例的示意图。概括地说，平行的入射光束以限定的角度接触第一棱镜面，使得在棱镜2中行进了第一距离之后，在第二棱镜面3上确实地以全反射反射所述光束。所述光束在棱镜2中行进了第二距离后，在第三侧面离开并且落到反射光栅1上。在这里，光束的光线根据各自的波长被折射并以不同于先前的反射角的角度再次落到棱镜2的所述第三侧面上。所述光线在棱镜2中行进了第三距离后于第二棱镜面3再离开。这些光线然后通过最后的透镜系统，该系统根据光束的波长将光束聚焦在检测器上。整体而言，该光栅-棱镜阵列最初提供的k线性化仍是不理想，并且只能与聚焦光学单元组合才可进行适当的校正。

就更高紧凑度而言，根据本发明的结构的另一个优点在于个别部件之间的几何距离，所述几何距离比标准棱镜和光栅组合(见例如专利文献US 6,661,513，US 6,816,258，US 7,929,134等)的几何距离短得多。除了别的东西以外，由于必要的光路在所述光栅-棱镜组合中重叠导致这些距离缩短。所需距离缩短还对连续的元件的所需尺寸发挥正面影响。总的来说，这意味着即使使用元件目录，只需要较小的光学部件(例如透镜)。购买所述元件目录通常更节省，因而减小了光谱仪的总成本。

除了前述的本发明的特性，通过适当折叠光路可进一步增加光谱仪的紧凑度或使光谱仪的形状更适应。作为例子，图3包含折叠式反射镜4作示范。

实际上，为了详尽阐述和实行本发明，可假设一种已知的系统，所述已知的系统在下文被用作比较的基础。相关的光谱仪设计成具有2048个像素的成像，包括壳体在内高度约9cm和底面积约340cm²。成像的圆波数呈线性。相关的光学系统是基于在空间上分开的透射光栅和棱镜组合，并已经在尺寸方面被优化。对于具有2048个像素的底面积减小至约130cm²的等效成像，根据上文所述的本发明的新发展系统的高度仅需约4cm。这相当于减小至小于原体积的20％，其中由于底面积的不同形状，必须仔细地说明该比较。

虽然本发明优选实施的紧凑结构的光谱仪的圆波数特性呈线性，但本发明不限于这应用例子。本发明的另一种表达方式可以是波长呈线性，而不是圆波数呈线性。原则上，这是可通过使用适合的光栅直接实现，但随后受上述的线性误差和必要的入射角和反射角限制。为了减少线性误差，根据现有技术的做法通常由易于被光线透过的光学配件，例如棱镜构成。使用根据本发明的结构，即是在棱镜中使用全反射和被光线多次透过，也可构成更紧凑结构的光谱仪。如上文已描述，常常出现部件种类和价格方面的优点。

虽然光栅和棱镜的组合通常求得圆波数或波长呈线性，但并不是所有应用都是可行的。一个已知的例子是彩色共焦测量系统，所述彩色共焦测量系统的距离特性曲线无论波长或圆波数都不是呈线性。通常在这样的系统中使用具有近乎线性的波长特性的光谱仪。为此，通常使用由反射光栅或透射光栅和成像光学元件的组合构成的简单布置。但具有更好的光谱特性的情况下，进一步处理的工作可大大减小。同时，也往往增加成效的质量，例如以减小测量值的线性误差的方式来增加成效的质量。

然而，彩色共焦系统的光谱仪为了相对于物距产生线性特性而需具有不同设计。虽然圆波数特性呈线性将大大优于上述方法(波长呈线性)，它仍然不代表理想的配置。相反，需要考虑根据所使用的波长范围的测量头的色散行为的非线性并通过适当地配置光谱仪中的色散行为来补偿所述非线性。据作者所知，在市场上没有系统使用这种方法。原因大概在于为必要的配件部件的成本以及在于因而产生的较大的光谱仪。另一种可能性是成本效益比率在目前实在不能接受。这个比率可通过使用根据本发明的结构而进一步改善。

取决于光谱仪中色散校正的配置的复杂性，有助于使光栅和棱镜的直接接触分离或者更确切地说光栅和棱镜的集成分离。通过这样做，可在光栅和棱镜之间设置角度而不会损失在棱镜中全反射的基本特性。在牺牲更多调节工作的情况下，额外的角度扩大了用于优化线性误差的自由度。

除了前述的本发明的实施例，该方法可在任何迄今为止所使用的用简单光透射的光栅-棱镜组合中使用。光谱仪的价格和大小经常在工业应用中起主要作用。虽然本发明不适合现有的系统，本发明在工业用光谱仪的新发展方面提供了相当大的优势。

对于根据本发明的光谱仪的进一步有利实施例，出于避免重复的目的，此处引用说明书的一般部分以及所附的权利要求。

最后，明确引用以下事实，即以上描述的根据本发明的光谱仪的示例性实施例仅用于解释所要求保护的教导，但该教导不限于这些示例性实施例。

附图编号列表

1 光栅，反射光栅

2 棱镜

3 侧，第二棱镜面

4 折叠式反射镜

Claims (3)

1.一种光谱仪，包括至少一个光栅(1)和至少一个棱镜(2)的组合，其特征在于，为了产生紧凑结构的光谱仪，在至少一个棱镜(2)中使用全反射，其中反射光栅(1)被用作光栅(1)，其中所述至少一个棱镜(2)被定位成使光束穿过它两次，其中在棱镜内侧上的全反射的作用点被用来确保光栅(1)上的入射光路和出射光路分开，其中所述光谱仪的圆波数特性呈线性，或者所述光谱仪补偿波长与以彩色共焦方式操作的测量系统的焦点之间与色散有关的非线性关系，使得物距的整体特性变为线性，或者所述光谱仪的波长特性呈线性。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅(1)被定位或定向成能够以利特罗模式操作。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其特征在于，在所述光谱仪中折叠光路，优选地通过折叠式反射镜(4)折叠光路。