CN107677368A - 线色散率可调滤光型光谱仪 - Google Patents

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吴鹤
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Abstract

本发明涉及一种线色散率可调的滤光型光谱仪，光源发出光束进入到会聚透镜，会聚透镜将光束会聚到位于准直透镜的焦点位置的狭缝处，从狭缝出来光束经过准直透镜后变为平行光，并且入射到线性渐变滤光片的表面，经线性渐变滤光片分光后得到的光谱信息，用线阵CCD探测器探测得到分光光谱并传入计算机进行处理。线阵CCD探测器固定在旋转可调支架上，以滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，旋转线阵CCD探测器，使得探测器长度方向与基准方向有一定夹角，对滤光片的透射光进行探测，可达到改变线色散率的目的。线阵CCD探测器可以在二维方向移动，实现对不同波长范围的光的测量。本发明具有结构简单、使用方便、线色散率可调的优点。

Description

线色散率可调滤光型光谱仪
技术领域
本发明涉及一种线色散率可调滤光型光谱仪，属于可调滤光型光谱仪技术领域。
背景技术
光谱仪是一种将复色光分解成光谱的光学仪器，利用光谱仪能够获得物体的空间光谱信息，实现对目标的空间探测。光谱仪在航空航天、资源勘测、环境监测、医学成像等众多领域都有非常重要的应用。
光谱仪根据分光原理的不同，可以大致分为色散型、干涉型和滤光型。基于色散原理的光谱仪主要是通过色散元件(如棱镜、光栅等)对光束进行色散分光；基于干涉原理的光谱仪利用迈克尔逊干涉原理，通过改变两束光的光程差得到相应的干涉光，然后通过傅里叶变换得到原光谱信息；而基于滤光原理的光谱仪是通过对不同波长的光具有不同的滤光特性实现分光的目的。随着技术的发展，对光谱仪的尺寸、结构及精度等要求不断提高，小型化、结构简单、高精度是光谱仪发展的目标与方向。
线性渐变滤光片是一种带通滤光片，其谐振腔层的厚度是沿着一个方向呈线性变化的，具有不同厚度处透射不同波长光束的特性，与棱镜、光栅等传统的分光元件相比具有体积小、多通带、通带位置可以任意设计等优点。但是在滤光型光谱仪中，线性渐变滤光片的应用方向一般都是与其厚度变化最快的方向相一致，因此，光谱仪的线色散率不可调。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种线色散率可调的滤光型光谱仪，可以实现光谱线色散率可调的目的；同时也可以通过位移台调节线阵CCD探测器相对滤光片的探测位置探测不同的光波长范围。
为实现上述目，本发明的技术方案是：一种线色散率可调的滤光型光谱仪，包括光源、会聚透镜、狭缝、准直透镜、线性渐变滤光片、线阵CCD探测器，光源发出光束进入到会聚透镜，会聚透镜将光束会聚到位于准直透镜的焦点位置的狭缝处，从狭缝出来光束经过准直透镜后变为平行光，并且入射到线性渐变滤光片的表面，经线性渐变滤光片分光后得到的光谱信息，由线阵CCD探测器探测，并传入计算机进行分析。
所述线阵CCD探测器固定在旋转可调支架上，以沿着滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，通过旋转可调支架旋转线阵CCD探测器，使得线阵CCD探测器长度方向与基准方向形成一夹角θ对线性渐变滤光片透射光进行探测，通过改变旋转的角度可以改变单位长度的线阵CCD探测器探测到的光波长范围，从而改变光谱仪的线色散率，实现线色散率可调。
所述旋转可调支架固定在可沿x轴、y轴二维移动的位移台上，使得线阵CCD探测器可以在二维方向移动位置，实现对不同波长的光的探测。
线性渐变滤光片在不同谐振腔层厚度的相应中心透射波长为：
其中：n为谐振腔层的折射率；d为谐振腔层厚度；m为条纹级次。
本发明的有益效果是：
本发明的线性渐变滤光片是系统的分光元件，每一位置处根据谐振腔层的厚度能透过相应的波长的光。线阵CCD探测器放置在滤光片后，并且与滤光片之间的距离尽可能小，用来探测滤光片的透射光得到分光光谱。线阵CCD探测器固定在一个旋转可调支架上，使其可以旋转使用，以滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，旋转线阵CCD，使线阵CCD长度方向与基准方向有一定的夹角，然后对滤光片的透射光进行探测。旋转可调支架固定在一个可沿x轴、y轴二维移动的位移台上，使得线阵CCD探测器可以沿x轴、y轴移动位置。
本发明通过使线阵CCD探测器以滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，旋转线阵CCD，使线阵CCD长度方向与基准方向有一定夹角，然后对滤光片透射光进行探测，可以实现光谱线色散率可调的目的；同时也可以通过位移台调节线阵CCD探测器相对滤光片的探测位置探测不同的光波长范围。本发明提供的技术方案结构简单、使用方便、可调谐，易于实现光谱仪小型化、紧凑化，提高光谱仪的稳定性、实用性。
附图说明
图1为本发明的实施例中线色散率可调滤光型光谱仪的结构示意图；
图2为线性渐变滤光片示意图；
图3为线阵CCD探测器以不同角度探测时的情况示意图；
(a)线阵CCD探测器以沿滤光片厚度变化最快的方向为基准方向对滤光片透射光进行探测的情况；
(b)在基准方向的基础上旋转线阵CCD探测器，使线阵CCD探测器长度方向与基准方向有一定夹角θ后对滤光片透射光进行探测的情况；
图4为线阵CCD探测器、旋转可调支架、二维位移台组合结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如1所示，一种线色散率可调的滤光型光谱仪，包括：光源1、会聚透镜2、狭缝3、准直透镜4、线性渐变滤光片5、线阵CCD探测器6。
光源1发出光束进入到会聚透镜2，会聚透镜2将光束会聚到狭缝3处，狭缝3位于准直透镜4的焦点位置处，从狭缝3出来的光束经过准直透镜4后变为平行光，并且入射到线性渐变滤光片5的表面，经线性渐变滤光片5分光后得到的光谱信息用线阵CCD探测器6探测，然后传入计算机相关分析软件进行分析。
如图2所示，线性渐变滤光片的谐振腔层厚度沿着某一方向线性变化，不同位置处根据不同厚度，相应中心透射波长为：
其中：n为谐振腔层的折射率；d为谐振腔层厚度；m为条纹级次。
线性渐变滤光片根据其滤光特性对入射光束进行分光，用线阵CCD探测器来探测相应的分光光谱信息。对于单位长度的线阵CCD探测器，以沿着滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，旋转线阵CCD使得线阵CCD长度方向与基准方向有一定夹角θ，然后对滤光片透射光进行探测，探测到的光谱范围也会改变，根据线色散率公式:
对于单位长度的线阵CCD探测器，当θ变大时，L变小，即当探测的光波长范围变小时，线色散率也减小，根据这一原理可以达到线色散率可调的目的。
举例说明：如图3所示，在图3(a)中，单位长度的线阵CCD探测器在基准方向探测分光光谱，探测到的光波长范围为λ1～λ4，其线色散率为：
将线阵CCD旋转一定角度θ，如图3(b)所示，探测到的光波长范围为λ2～λ3，其线色散率为：
显然，旋转一定角度后探测得到的分光光谱线色散率变小。
如图4所示，将线阵CCD探测器6固定在旋转可调支架7上，使得线阵CCD探测器6可以旋转使用，以沿着滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，旋转线阵CCD探测器6使得线阵CCD探测器6长度方向与基准方向有一定夹角θ，然后对滤光片透射光进行探测，通过改变旋转的角度可以改变单位长度的线阵CCD探测器6探测到的光波长范围，进而改变光谱仪的线色散率，实现线色散率可调。将旋转可调支架7固定在可沿x轴、y轴二维移动的位移台8上，使得线阵CCD探测器6可以在二维方向移动位置，实现对不同波长的光的探测。

Claims (4)

1.一种线色散率可调的滤光型光谱仪，包括光源(1)、会聚透镜(2)、狭缝(3)、准直透镜(4)、线性渐变滤光片(5)、线阵CCD探测器(6)，其特征在于：所述光源(1)发出光束进入到会聚透镜(2)，会聚透镜(2)将光束会聚到位于准直透镜(4)的焦点位置的狭缝(3)处，从狭缝(3)出来光束经过准直透镜(4)后变为平行光，并且入射到线性渐变滤光片(5)的表面，经线性渐变滤光片(5)分光后得到的光谱信息，由线阵CCD探测器(6)探测，并传入计算机进行分析。
2.根据权利要求1所述的线色散率可调的滤光型光谱仪，其特征在于：所述线阵CCD探测器(6)固定在旋转可调支架(7)上，以沿着滤光片谐振腔层厚度变化最快的方向为基准方向，通过旋转可调支架(7)旋转线阵CCD探测器(6)，使得线阵CCD探测器(6)长度方向与基准方向形成一夹角θ，对线性渐变滤光片(5)透射光进行探测，通过改变旋转的角度可以改变单位长度的线阵CCD探测器(6)探测到的光波长范围，从而改变光谱仪的线色散率，实现线色散率可调。
3.根据权利要求2所述的线色散率可调的滤光型光谱仪，其特征在于：所述旋转可调支架(7)固定在可沿x轴、y轴二维移动的位移台(8)上，使得线阵CCD探测器(6)可以在二维方向移动位置，实现对不同波长的光的探测。
4.根据权利要求2所述的线色散率可调的滤光型光谱仪，其特征在于：所述线性渐变滤光片(5)在不同谐振腔层厚度的相应中心透射波长为：
<mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> </mrow>
其中：n为谐振腔层的折射率；d为谐振腔层厚度；m为条纹级次。
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