CN106289525B - 一种宽光谱高分辨率的光谱仪 - Google Patents

一种宽光谱高分辨率的光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱高分辨率的光谱仪，包括步进电机、多孔圆屏、滤光片、狭缝、准直镜、平面反射镜、滤光片阵列、光栅、柱面反射镜、聚焦镜和线阵CCD芯片。本发明将光谱仪工作光谱范围划分为几个子波段，并利用光栅的空分复用技术，将各个子波段的光谱依次投射在线阵CCD芯片上，再根据所有子波段的光谱图拼接出整个工作光谱范围的光谱图，具有结构紧凑、体积较小、造价低等特点，可以有效的增大光谱仪的分辨率和灵敏度，实现宽光谱高分辨率的光谱测量。

Description

一种宽光谱高分辨率的光谱仪
技术领域
本发明涉及一种光谱测量和分析仪器，广泛应用于生物医学、食品安全、环境监测、天文观测、地矿勘探和石油化工等领域。
背景技术
光谱测量和分析仪器，主流的技术方案有两类，第一类是以单色仪进行波长扫描，以单通道光探测器逐个波长接收，绘出光谱图；第二类是以光栅将所有波长同时色散展开，以一个线阵光探测器同时接收所有波长的光功率，绘出光谱图。第一类光谱仪采用串行信号处理方式，光谱分辨率较高，但绘制一张光谱图需要较长时间，不能满足实时快速处理的需求，并且为了实现宽光谱测量范围，往往需要采用多级波长扫描装置，结构复杂且可靠性差；第二类光谱仪采用并行信号处理方式，光谱分辨率较低，但光谱分析速度快，可以满足实时快速光谱分析的需求，并且具有结构简单和可靠性高的优势。
基于光栅和线阵光探测器的第二类光谱仪，一般采用Czerny-Turner型光学系统，从狭缝入射的光信号，首先被一个准直镜准直为平行光，入射在一个反射式光栅上，不同波长的光信号被色散展开为不同衍射角，再由一个聚焦镜将不同波长的光信号聚焦到线阵光探测器上的不同位置，从而检测各个波长的光信号强度，绘出光谱图。为了矫正光学系统的像散(光学像差的一种)，往往在光路系统中加入一个凹形柱面反射镜。
除光学系统的像差之外，从原理上影响第二类光谱仪分辨率的主要因素有两个。其一，为了保证一定的入射光通量，光谱仪的入射狭缝应有一定的进光宽度，因此经准直之后不能得到理想的平行光，导致同一个波长的光信号最终在线阵光探测器上不能聚焦为一个理想线谱，而是存在一定的谱线弥散效应。其二，线阵光探测器，通常采用CCD(电荷耦合元件，以下将第二类光谱仪称为线阵CCD型光谱仪)，都是由一个个像素构成，每个像素都有一定的尺寸，因此靠得很近的两条谱线，会聚焦在同一个像素上，不能完全分辨开。
对于线阵CCD型光谱仪，在保证光谱测量范围的情况下，为了提高波长分辨率，在对光学系统的像差进行优化之外，从原理而言有两个技术途径：其一是采用尽可能窄的入射狭缝，但是会降低系统的光通量，影响光谱灵敏度；其二是采用像素数量尽可能多的线阵CCD芯片，但受限于制作工艺和成本，不能无限增加像素数量，尤其是近红外和红外线阵CCD芯片，目前常用的像素数量只有256和512。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种宽光谱高分辨率的光谱仪，用于解决现有的线阵CCD型光谱仪存在的波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种宽光谱高分辨率的光谱仪，包括步进电机(1)、多孔圆屏(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、准直镜(5)、平面反射镜(6)、滤光片阵列(7)、光栅(8)、柱面反射镜(9)、聚焦镜(10)和线阵CCD芯片(11)；
所述步进电机(1)转轴与多孔圆屏(2)相连，用于驱动其同轴转动；
所述多孔圆屏(2)为圆盘形，其表面等角度设有多个圆孔，圆孔上覆盖有一个滤光片(3)，各圆孔上滤光片工作波长范围递增或递减，用于选择性通过一个子波段的光；各子波段的波长范围可以部分交叠，但全部子波段应覆盖所测对象光谱范围；
所述狭缝(4)设在入射光路上，用于挡住杂散光，其狭缝中心与准直镜中心重合；
所述准直镜(5)的反射面正对狭缝(4)，用于将通过狭缝(4)的各子波段光准直后，反射到平面反射镜(6)；
所述平面反射镜(6)与所述准直镜(5)错位相对设置，用于折叠光路，将准直镜(5)反射来的光，反射到滤光片阵列(7)；
所述滤光片阵列(7)由多个不同波长的条形滤光片组成，其数量与多孔圆屏的开孔数量相同；各滤光片的一端互不相连，各滤光片角间距由子波段中心波长确定；各滤光片阵列的滤光片波长选择与多孔圆屏上各孔滤光片按顺序相对应，各滤光片的工作波长从光入射方向开始依次递增或递减；
所述光栅(8)设在滤光片阵列(7)反射光路上，用于将滤光片阵列(7)反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的柱面反射镜(9)，在空间上将不同波长的入射光予以分离；
所述柱面反射镜为凹柱面镜(9)，用于矫正光谱仪光学系统的像散，将光栅反射来的光投射到与其相对设置的聚焦镜(10)的反射面；
所述聚焦镜(10)为一球面反射镜，用于将柱面反射镜反射来的光，反射聚焦于所述CCD芯片(11)；
工作时，入射光经过步机电机(1)驱动的多孔圆屏(2)，由于各孔覆盖有不同波长的滤光片(3)，随着步进电机(1)转动，不同子波段的光束依次通过其上等角距排列的孔，经准直镜(5)准直后，反射在用于折叠光路的平面反射镜(6)上，由其反射到滤光片阵列(7)上；由于滤光片阵列(7)处的滤光片与多孔圆屏处的滤光片阵列相对应，因此不同子波段的光束将打在相对应的滤光片上；并以不同的角度被反射在光栅(8)的反射表面，由其反射并在空间上分离后，以相同的角度反射到柱面反射镜(9)，由柱面反射镜(9)反射并通过聚焦镜(10)聚焦，投射在线阵CCD芯片(11)上；随着多孔圆屏(2)转动，入射光谱的各子波段的光束逐一投射在线阵CCD芯片(11)上，从而实现了宽光谱高分辨率的光谱测量。
进一步的，所述多孔圆屏(2)之前或之后，设有一个狭缝(4)，用于挡住杂散光。
进一步的，所述光栅(8)是闪耀光栅。
进一步的，所述滤光片阵列(7)中，各滤光片角间距按各滤光片中心波长衍射角相等的原则确定。
本发明将光谱仪工作波段分割为数个子波段，然后让不同子波段的光束以不同的倾角入射在反射光栅上，根据光栅的衍射特性，通过适当的参数设计，可以让这些以不同倾角入射的不同子波段的光束，其中心波长具有相同的衍射角，因而每个子波段的衍射角范围相近，都能在聚焦之后，依次被线阵CCD芯片接收。因此在线阵CCD芯片的像素数量相同的情况下，为单位宽度的光谱分配的像素数量增加，光谱仪的分辨率得到大幅提升；同时，由于采用了波段分割技术，可以选用色散较大、线数较多的光栅，从而提高光谱仪的灵敏度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用光谱的波段分割技术及光栅的空分复用技术，克服传统线阵CCD型光谱仪波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题，大幅提升了光谱仪的分辨率和灵敏度。
附图说明
图1是现有的线阵CCD型光谱仪结构；
图2是本发明的线阵CCD型光谱仪结构；
图3是光栅的空分复用原理；
图4是光谱仪空分复用光路结构；
图5是分割波段方法-总体结构图；
图6是分割波段方法-五孔圆屏结构图；
图7是入射模块处滤光片透射光谱—高、低通滤光片组合；
图8是入射模块处滤光片透射光谱—带通滤光片；
图9是滤光片阵列处透射光谱；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-步进电机、2-多孔圆屏、3-滤光片、4-狭缝、5-准直镜、6-平面反射镜、7-滤光片阵列、8-光栅、9-柱面反射镜、10-聚焦镜、11-线阵CCD芯片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
现有的线阵CCD型光谱仪结构如图1所示，一般采用Czerny-Turner型光学系统，从狭缝入射的光信号，首先被一个准直镜准直为平行光，入射在一个反射式光栅上，不同波长的光信号被色散展开为不同衍射角，再由一个聚焦镜将不同波长的光信号聚焦到线阵CCD上的不同位置，从而检测各个波长的光信号强度，绘出光谱图。为了矫正光学系统的像散(光学像差的一种)，往往在聚焦镜与线阵CCD之间加入一个凹形柱面反射镜。图中λs、λc和λl分别为光谱仪工作波段的短波端、中波和长波端，聚焦后在线阵CCD芯片上色散展开。
波长分辨率是光谱仪最关键的技术指标之一，对于线阵CCD型光谱仪，除了光学系统的像差之外，从工作原理上影响波长分辨率的主要因素有两个：其一是线阵CCD芯片上的像素数量是有限的，波长非常靠近的两支谱线聚焦在同一个像素上，不能完全分辨开；其二是考虑入射光通量，狭缝总有一定宽度，因此准直之后不能得到理想平行光，最终在线阵CCD芯片上不能聚焦为一个理想线谱，而是存在一定的弥散效应。针对这两个影响因素，提高“像素数量/单位谱宽”这个比值，总是能够提高光谱仪的分辨率。
通过周期为d的光栅将谱宽为Δλ的复色光色散展开之后，经过焦距为f的聚焦镜，投射在线阵CCD芯片上，线阵CCD芯片上的像素间距为P，像素数量为N，则各参数之间存在关系式(1)，其中θc为中心波长的衍射角。
一般而言，聚焦在线阵CCD芯片上两个相邻像素上的两条谱线，能够被完全分辨开，而聚焦在同一个像素上的两条谱线，只要不是靠得太近，通过一定的算法处理，也可能被分辨开。假如通过算法处理，能够分辨的最小谱线间距为δx＝αP，其中α为小于1的小数，这两条谱线对应的波长间隔为δλ，也就是光谱仪的波长分辨率，则各参数之间存在关系式(2)。
结合式(1-2)，得到：
注意其中Δλ为入射光信号的谱宽，δλ为光谱仪的波长分辨率，N为线阵CCD芯片的像素数量，α为通过算法处理之后能够分辨的谱线间距(以像素间距归一化之后)。
由此可知，基于现有的线阵CCD型光谱仪技术方案，光信号的谱宽Δλ与波长分辨率δλ为正比关系，要想提高光谱仪的工作谱宽，就必须牺牲波长分辨率(δλ越小越好)。
因此，本发明提出一种宽光谱高分辨率的光谱仪结构，采用光谱的波段分割技术和光栅的空间复用技术，在保证宽光谱工作的条件下，可以大幅提高光谱仪的波长分辨率。图2为本发明的线阵CCD型光谱仪结构，与图1所示的现有结构不同的是，此处以一个入射狭缝+带通滤光片组+五孔圆屏+步进电机的组合结构(为方便叙述，后面简称入射模块)代替单个狭缝，作为光谱仪的入射端。入射模块将光谱仪的工作波段分割为数个子波段，各个子波段与滤光片阵列一一对应，每次只让一个子波段的光束从狭缝入射。每个子波段的光束经准直镜准直之后入射在一个平面镜(用平面镜折叠光路以减小光谱仪结构)上，由于每个滤光片与光轴夹角不同，因此，每个子波段的光束经不同偏角的滤光片反射后以特定倾角入射在光栅上，再经聚焦镜投射在线阵CCD芯片上，绘出该子波段的光谱图。之后通过入射模块选择下一个子波段的入射光束，被准直之后以另一个特定倾角入射在光栅上，而衍射角范围与其他子波段相同，被线阵CCD芯片检测之后，绘出下一个子波段的光谱图。如此继续，绘出所有子波段的光谱图之后，拼接出整个工作波段的光谱图。
为简化起见，图2中只画出了每个子波段中心波长的光路，聚焦于线阵CCD芯片的中心像素上，其他波长的光将沿CCD芯片表面色散展开。
基于本发明提出的光谱的波段分割技术和光栅的空分复用技术，光谱仪的工作波段被分割为数个子波段，式(3)中的Δλ为子波段谱宽而非整个工作波段，因此波长分辨率得到提高(能够分辨的最小波长间隔δλ降为1/M，其中M为分割的子波段数量)。并且，在给定聚焦镜的焦距f和线阵CCD芯片的参数N、P的情况下，采用波段分割技术，谱宽Δλ更小，可以选用线数(光栅上每毫米的刻线数量，是光栅周期d的倒数)更密的光栅。根据光栅的衍射特性，线数更密的光栅，边缘波长的衍射效率更高(光谱仪有一定的工作波段，不能仅考虑中心波长的衍射效率，实际上边缘波长的衍射效率才是短板，决定光谱仪的灵敏度指标)，因此光谱仪的灵敏度得到提高。
前面提到，本发明的线阵CCD型光谱仪采用了光栅的空分复用技术，每个子波段的光束，经准直镜准直之后，将以不同的特定倾角入射在光栅上，而衍射角范围相近，聚焦之后，均能被线阵CCD芯片接收。图4所示为光栅的空分复用技术原理，波长λ1、λ2的两束光分别以倾角i1、i2入射，而衍射角同样为θ。根据光栅方程(4-5)，给定两束光的波长λ1、λ2，只要适当设计光栅参数d(光栅周期)并选择入射角i1、i2，可以得到相同的衍射角θ。
d(sinθ-sini1)＝λ1 (4)
d(sinθ-sini2)＝λ2 (5)
图3中展示的是两个不同波长的单色光的空分复用情况，而本发明的应用背景是，不同子波段的光束以不同倾角入射在光栅上，根据上述设计原理，让各个子波段的中心波长具有相同的衍射角，则各个子波段的衍射角范围相近(考虑光栅色散特性的非线性，各子波段非中心波长的衍射角会有细微差异)，经过聚焦之后，均能被线阵CCD芯片接收。
图4展示的是具体空分复用的实现方案。入射光束经准直镜准直及平面镜折叠光路之后，入射至滤波片阵列，每个滤波片的截止波长不同，分别为五个子波段的长波长，因此入射光为相应子波段则反射，否则透过。且子滤波片相互间略有偏角，故不同子波段的光以不同的角度入射到光栅上。参考图3，结合光栅的空分复用技术，这些不同子波段、不同倾角的光束入射在光栅上，将产生相近的衍射角范围，聚焦之后投射在线阵CCD芯片上。
图5展示的是实现波段分割的入射模块结构。结合图6，圆屏上等角距排列的五孔处分别贴有五组不同波段的滤光片，每组滤光片的带通范围不同，将工作波段分割成5个子波段。狭缝置于圆屏的某一孔前，由步进电机驱动五孔圆屏旋转。由于每个孔对应一组滤光片，则每一次只能让一个子波段的光入射，从而实现对光谱仪工作波段的分割。
图7所示为本发明所采用的高、低通型滤光片的透射光谱，入射模块处所需滤光片的数量取决于光谱仪工作子波段的个数，并根据对光谱仪工作波段的分割情况，决定每个带通滤光片的中心波长λic及两侧截止波长λis、λil。
图8所示为本发明中滤光片阵列处所采用滤光片的透射光谱。
工作时，入射光经过步机电机驱动的五孔圆屏，由于五孔覆盖有不同波长的滤光片，随着步进电机转动，不同子波段的光束依次通过其上等角距排列的五孔，然后通过狭缝入射到准直镜M1的反射面上。光束经准直镜M1准直并反射后，入射在用于折叠光路的平面反射镜上。经平面反射镜反射的光束打在滤光片阵列上，由于滤光片阵列处的滤光片与五孔圆屏处的滤光片阵列相对应，因此不同子波段的光束将打在不同位置的滤光片上，然后各子波段中心波长光束以不同的角度反射在光栅的反射表面。各子波段的光束经反射光栅反射并分光。各子波段中心波长光束以相同的角度从光栅反射面反射并入射在柱面反射镜的反射面上。由柱面反射镜反射的光束经过聚焦镜M2的反射及聚焦，由于各子波段的光束被五孔圆屏控制依次入射，因此各子波段的光束依次投射在线阵CCD芯片上。
综上所述，本发明基于光谱的波段分割技术和光栅的空间复用技术，将光谱仪的工作波段分割为数个子波段，逐个将这些子波段的光信号导入光学系统，绘出每个子波段光谱图，并最终拼接出整个工作波段的光谱图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽光谱高分辨率的光谱仪，其特征在于，包括步进电机(1)、多孔圆屏(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、准直镜(5)、平面反射镜(6)、滤光片阵列(7)、光栅(8)、柱面反射镜(9)、聚焦镜(10)和线阵CCD芯片(11)；
所述步进电机(1)转轴与多孔圆屏(2)相连，用于驱动其同轴转动；
所述多孔圆屏(2)为圆盘形，其表面等角度设有多个圆孔，圆孔上覆盖有一个滤光片(3)，各圆孔上滤光片工作波长范围递增或递减，用于选择性通过一个子波段的光；各子波段的波长范围允许部分交叠，但全部子波段应覆盖所测对象光谱范围；
所述狭缝(4)设在入射光路上，用于挡住杂散光，其狭缝中心与准直镜中心重合；
所述准直镜(5)的反射面正对狭缝(4)，用于将通过狭缝(4)的各子波段光准直后，反射到平面反射镜(6)；
所述平面反射镜(6)与所述准直镜(5)错位相对设置，用于折叠光路，将准直镜(5)反射来的光，反射到滤光片阵列(7)；
所述滤光片阵列(7)由多个不同波长的条形滤光片组成，其数量与多孔圆屏的开孔数量相同；各滤光片的一端互不相连，各滤光片角间距由子波段中心波长确定；各滤光片阵列的滤光片波长选择与多孔圆屏上各孔滤光片按顺序相对应，各滤光片的工作波长从光入射方向开始依次递增或递减；
所述光栅(8)设在滤光片阵列(7)反射光路上，用于将滤光片阵列(7)反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的柱面反射镜(9)，在空间上将不同波长的入射光予以分离；
所述柱面反射镜为凹柱面镜(9)，用于矫正光谱仪光学系统的像散，将光栅反射来的光投射到与其相对设置的聚焦镜(10)的反射面；
所述聚焦镜(10)为一球面反射镜，用于将柱面反射镜反射来的光，反射聚焦于所述CCD芯片(11)。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，工作时，入射光经过步进电机(1)驱动的多孔圆屏(2)，由于各孔覆盖有不同波长的滤光片(3)，随着步进电机(1)转动，不同子波段的光束依次通过其上等角距排列的孔，经准直镜(5)准直后，反射在用于折叠光路的平面反射镜(6)上，由其反射到滤光片阵列(7)上；由于滤光片阵列(7)处的滤光片与多孔圆屏处的滤光片阵列相对应，因此不同子波段的光束将打在相对应的滤光片上；并以不同的角度被反射在光栅(8)的反射表面，由其反射并在空间上分离后，以相同的角度反射到柱面反射镜(9)，由柱面反射镜(9)反射并通过聚焦镜(10)聚焦，投射在线阵CCD芯片(11)上；随着多孔圆屏(2)转动，入射光谱的各子波段的光束逐一投射在线阵CCD芯片(11)上，从而实现了宽光谱高分辨率的光谱测量。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述多孔圆屏(2)之前或之后，设有一个狭缝(4)，用于挡住杂散光。
4.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光栅(8)是闪耀光栅。
5.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述滤光片阵列(7)中，各滤光片角间距按各滤光片中心波长衍射角相等的原则确定。
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