CN106441581A - 一种高分辨率的线阵ccd直读型光谱仪 - Google Patents

一种高分辨率的线阵ccd直读型光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪，包括入射模块、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵CCD芯片；准直镜设置在入射模块的出射光路上，光栅设置在所述准直镜的出射光路上，聚焦镜设置在光栅的出射光路上，线阵CCD芯片设置在所述聚焦镜的出射光路上；入射模块用于将光谱仪的工作波段分割为数个子波段，并控制每次只有一个子波段的光束出射；准直镜用于将所述入射模块的出射光准直后以不同倾角入射在光栅上，以不同倾角入射的不同子波段的光束的中心波长具有相同的衍射角，经所述光栅反射的光再经所述聚焦镜后投射在线阵CCD芯片上。本发明通过光谱的波段分割技术及光栅的空分复用技术可以大幅提升光谱仪的分辨率和灵敏度。

Description

一种高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪。
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)，往往在聚焦镜与线阵光探测器之间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。
现有的线阵CCD型光谱仪结构一般采用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。然而，现有的线阵CCD光谱仪存在波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宽光谱高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪，旨在解决现有的线阵CCD光谱仪存在的波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题。
本发明提供了一种高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪，包括：入射模块、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵CCD芯片；所述准直镜设置在所述入射模块的出射光路上，所述光栅设置在所述准直镜的出射光路上，所述聚焦镜设置在所述光栅的出射光路上，所述线阵CCD芯片设置在所述聚焦镜的出射光路上；入射模块用于将光谱仪的工作波段分割为数个子波段，并控制每次只有一个子波段的光束出射；所述准直镜用于将所述入射模块的出射光准直后以不同倾角入射在所述光栅上，以不同倾角入射的不同子波段的光束的中心波长具有相同的衍射角，经所述光栅反射的光再经所述聚焦镜后投射在所述线阵CCD芯片上。
更进一步地，所述入射模块与所述准直镜之间的距离为所述聚焦镜与所述线阵CCD芯片的距离为其中，f1为准直镜焦距，α1为准直镜离轴角，f2为聚焦镜焦距，α2为聚焦镜离轴角。
更进一步地，所述入射模块包括：狭缝阵列、滤光片阵列和活动光阑；所述狭缝阵列设置在垂直于光轴的方向上；所述滤光片阵列设置于所述狭缝阵列之前或之后，且所述滤光片阵列中每个子滤光片与所述狭缝阵列中的每个狭缝一一对应；所述活动光阑设置于所述滤光片阵列之后。
更进一步地，所述入射模块包括：狭缝阵列、滤光片阵列和活动光阑；所述狭缝阵列设置在垂直于光轴的方向上；所述滤光片阵列设置于所述狭缝阵列之前或之后，且所述滤光片阵列中每个子滤光片与所述狭缝阵列中的每个狭缝一一对应；所述活动光阑设置于所述狭缝阵列之前。
更进一步地，所述滤光片阵列中子滤光片的数量与所述狭缝阵列中狭缝的数量相同。
更进一步地，每个子滤光片的带通范围对应一个子波段范围。
更进一步地，所述狭缝阵列中各个狭缝与光轴的距离按其子波段中心波长衍射角相等的原则确定。
更进一步地，所述准直镜为透镜式准直镜，所述透镜式准直镜与所述狭缝阵列共光轴设置。
更进一步地，所述准直镜为反射式准直镜，所述反射式准直镜的反射面正对所述狭缝阵列的中心。
更进一步地，所述活动光阑用于控制每个子波段的光束依次进入光学系统；活动光阑包括：光阑和步进电机，所述步进电机用于控制所述光阑的运动方向及距离。
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，采用了一个狭缝阵列+带通滤光片+活动光阑组合结构代替单个狭缝，将工作波段分割成数个子波段，实现了光谱的波段分割技术；设计使不同子波段光线以不同的入射角入射、以相同的衍射角出射，实现了光栅的空分复用技术。本发明通过光谱的波段分割技术及光栅的空分复用技术克服了传统线阵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为本发明实施例提供的透射式的线阵CCD型光谱仪结构示意图；
图2为本发明实施例提供的反射式的线阵CCD型光谱仪结构示意图；
图3为光栅的空分复用原理；
图4为光谱的波段分割方法—透射式；
图5为光谱的波段分割方法—反射式；
图6为现有的光纤输入方式；
图7为本发明的光纤输入方式；
图8为带通滤光片的透射谱。
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。
由于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)和(2)可以得到：
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)。
本发明提供的宽光谱高分辨率的光谱仪可以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。
本发明提出的宽光谱高分辨率的光谱仪包括：狭缝阵列、滤光片阵列、活动光阑、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵CCD芯片；其中，狭缝阵列在垂直于光轴的方向上排列，滤光片阵列紧贴置于狭缝阵列后，每个子滤光片与每个狭缝一一对应，活动光阑置于滤光片阵列之后(或狭缝阵列之前)，光线经狭缝阵列+带通滤光片阵列+活动光阑组成的入射模块后入射至准直镜，入射模块与准直镜距离由准直镜焦距及其离轴角度决定，光线经准直镜后入射至光栅，经光栅后入射至聚焦镜，使光线聚焦在CCD芯片上，聚焦镜与CCD的距离由聚焦镜焦距及其离轴角度决定。狭缝阵列的各狭缝与光轴的距离按其子波段中心波长衍射角相等的原则确定；滤光片阵列由多个不同波长的滤光片组成，其数量与狭缝数量相同，每个滤光片的带通范围对应一个子波段范围；每个滤光片设在一个狭缝之后，用于选择性的通过各个子波段的光；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；活动光阑由一个电子机械元件控制其运动方向，用于控制每个子波段的光束依次进入光学系统；对于透射式结构，球面准直透镜与狭缝阵列共光轴，用于将通过活动光阑的光准直后入射至光栅，光栅设在准直镜透射光路上，用于将准直后的入射光，反射到设置在光栅衍射光路上的的球面聚焦透镜上，在空间上将不同波长的入射光予以分离，聚焦镜将光栅反射来的光束聚焦于所述CCD芯片；对于反射式结构，球面准直反射镜的反射面正对狭缝阵列中心，用于将通过活动光阑的光准直后，反射到光栅；光栅设在准直镜反射光路上，用于将准直镜反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的聚焦镜，所述聚焦镜为一球面反射镜，用于将光栅反射来的光束，反射聚焦于所述CCD芯片。
本发明提出一种光栅的空分复用技术以及光谱的波段分割技术。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，采用了一个狭缝阵列+带通滤光片+活动光阑组合结构代替单个狭缝，将工作波段分割成数个子波段，实现了光谱的波段分割技术；设计使不同子波段以不同的入射角入射、以相同的衍射角出射，实现了光栅的空分复用技术。因此，本发明克服了传统线阵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。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪，现结合附图详述如下：
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1为本发明的线阵CCD型光谱仪之透射式结构，与现有结构不同的是，此处以一个狭缝阵列+带通滤光片+活动光阑组合结构(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，各个子波段与狭缝一一对应，每次只让一个子波段的光束从其中一个狭缝入射。由于每个狭缝的离轴距离不同，因此每个子波段的光束经准直镜准直之后，以不同倾角入射在光栅上，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1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。
图2为本发明的线阵CCD型光谱仪之反射式结构，与图1不同之处仅在于准直镜和聚焦镜均由透镜更换为凹面反射镜，反射式光学系统的结构更加紧凑。
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3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(1)和(2)，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展示的是实现波段分割的透射式结构，为方便显示，图中只画出了狭缝阵列中的两个狭缝。每个狭缝之前或者之后紧贴一个带通滤光片，每个滤光片的通带范围各不相同，将光谱仪的工作波段划分为数个子波段，各滤光片的带通范围即为各子波段的波长范围；在狭缝阵列之前或者之后安装一个活动光阑，可以沿狭缝正交方向平移，一次只让一个狭缝的入射光通过，其他狭缝的入射光则被阻挡。通过狭缝阵列、带通滤光片和活动光阑组成的入射模块，可以将光谱仪的工作波段划分为数个子波段，每次只让其中一个子波段的光束通过其中一个狭缝，入射到光谱仪的光学系统中。图中λ1和λ2分别为两个子波段的中心波长，可以看到，由于二者入射狭缝的离轴距离不同，经过准直镜准直之后，成为不同倾角的平行光。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反射式结构，与图4不同之处仅在于准直镜由透镜更换为凹面反射镜，反射式光学系统的结构更加紧凑。
为便于应用，线阵CCD型光谱仪常采用光纤采集信号光，现有技术方案中，光信号从光纤进入光学系统的结构如图6所示，光纤端面紧贴狭缝。本发明采用狭缝阵列作为入射端，为保证每个狭缝均有光信号照射，采用图7所示输入结构，在狭缝阵列之前安装一个透镜，而光纤端面位于透镜的前焦面处，光纤输出的光束首先被透镜准直，照射所有狭缝，再由入射模块选择一个狭缝的光信号进入光学系统。
图8所示为本发明所采用的带通型滤光片的透射光谱，所需滤光片的数量取决于狭缝数量，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。且与滤波片对应的子波段波长范围为(λis，λil)。
工作时，入射光经过狭缝阵列进入光谱仪的光学系统，由于狭缝阵列前面或者后面，紧贴一个带通滤光片，随着电子机械元件的控制，不同子波段的光束依次通过活动光阑，经准直镜准直后，反射在光栅上；由于入射光束离光轴的垂直距离不同，因此不同子波段的光束将以不同的入射角被反射在光栅的反射表面，由其反射并在空间上分离后，子波段中心波长以相同的衍射角反射到聚焦镜，由聚焦镜聚焦后，投射在线阵CCD芯片上；随着电子机械元件控制，入射光谱的各子波段的光束逐一投射在线阵CCD芯片上，从而实现了宽光谱高分辨率的光谱测量。
综上所述，本发明基于光谱的波段分割技术和光栅的空分复用技术，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 (10)

1.一种高分辨率的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，包括：入射模块、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵CCD芯片；
所述准直镜设置在所述入射模块的出射光路上，所述光栅设置在所述准直镜的出射光路上，所述聚焦镜设置在所述光栅的出射光路上，所述线阵CCD芯片设置在所述聚焦镜的出射光路上；
所述入射模块用于将光谱仪的工作波段分割为数个子波段，并控制每次只有一个子波段的光束出射；所述准直镜用于将所述入射模块的出射光准直后以不同倾角入射在所述光栅上，以不同倾角入射的不同子波段的光束的中心波长具有相同的衍射角，经所述光栅反射的光再经所述聚焦镜后投射在所述线阵CCD芯片上。
2.如权利要求1所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述入射模块与所述准直镜之间的距离为所述聚焦镜与所述线阵CCD芯片的距离为其中，f1为准直镜焦距，α1为准直镜离轴角，f2为聚焦镜焦距，α2为聚焦镜离轴角。
3.如权利要求1所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述入射模块包括：狭缝阵列、滤光片阵列和活动光阑；
所述狭缝阵列设置在垂直于光轴的方向上；
所述滤光片阵列设置于所述狭缝阵列之前或之后，且所述滤光片阵列中每个子滤光片与所述狭缝阵列中的每个狭缝一一对应；
所述活动光阑设置于所述滤光片阵列之后。
4.如权利要求1所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述入射模块包括：狭缝阵列、滤光片阵列和活动光阑；
所述狭缝阵列设置在垂直于光轴的方向上；
所述滤光片阵列设置于所述狭缝阵列之前或之后，且所述滤光片阵列中每个子滤光片与所述狭缝阵列中的每个狭缝一一对应；
所述活动光阑设置于所述狭缝阵列之前。
5.如权利要求3或4所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述滤光片阵列中子滤光片的数量与所述狭缝阵列中狭缝的数量相同。
6.如权利要求3或4所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，每个子滤光片的带通范围对应一个子波段范围。
7.如权利要求3或4所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述狭缝阵列中各个狭缝与光轴的距离按其子波段中心波长衍射角相等的原则确定。
8.如权利要求1-7任一项所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述准直镜为透镜式准直镜，所述透镜式准直镜与所述狭缝阵列共光轴设置。
9.如权利要求1-7任一项所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述准直镜为反射式准直镜，所述反射式准直镜的反射面正对所述狭缝阵列的中心。
10.如权利要求1-9任一项所述的线阵CCD直读型光谱仪，其特征在于，所述活动光阑包括：光阑和步进电机，所述步进电机用于控制所述光阑的运动方向及距离。
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