CN108106729A - 一种双光栅共ccd光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光栅共CCD光谱仪。所述双光栅共CCD光谱仪包括：双狭缝、光阑、准直镜、光栅、平面折转镜、聚焦镜和CCD探测器；所述双狭缝用来放置双谱段的光纤，且所述双狭缝置于所述准直镜的焦平面上；所述光阑，用来对所述双谱段的光纤发出的光束的口径进行限制；所述准直镜，将所述双狭缝上的光纤发出的光束准直为平行光；所述光栅，对所述准直镜准直后的平行光进行分色；所述平面折转镜，用于反射分色后的光束；所述聚焦镜，对反射后的光束进行聚焦；所述CCD探测器，对聚焦后的光束进行成像。本发明提供的双光栅共CCD光谱仪能避免了机械运动部件的使用，增加了仪器的稳定性，缩小了仪器体积。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测仪器技术领域，特别涉及一种双光栅共CCD光谱仪。
背景技术
在传统的光谱探测领域，为了获得两个不同谱段的超精细光谱，通常需要两台光谱仪分别对这两个波段进行探测。或者采用切换光栅的方式，使用不同光栅、先后对某个谱段进行探测。这两种探测方式均存在一定的缺陷。首先，采用不同光谱仪分别探测，会增加光谱仪器的使用成本，不利于探测仪器的普及和发展。并且不同光谱仪探测所得的图像不在同一像面上，难以进行直观对比。切换光栅进行分波段探测的方式，必须在光谱仪器中增加机械运动部件，这会增加光谱仪的体积和质量，同时降低了仪器的稳定性，不利于仪器的长期使用。并且采用切换光栅进行分波段探测的光谱仪无法对目标同时进行双波段探测成像，从而限制了该方法的使用和发展。为了更好的对目标进行光谱分析，需要探测目标不同谱段的超精细光谱，但传统光谱仪器难以实现这种要求，从而限制了光谱分析技术的发展。因此，迫切需要一种能同时探测不同波段超精细光谱的仪器，以促进光谱探测技术的发展。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
本发明实施例提供了一种双光栅共CCD光谱仪。所述双光栅共CCD光谱仪包括：双狭缝、光阑、准直镜、光栅、平面折转镜、聚焦镜和CCD探测器；
所述双狭缝用来放置双谱段的光纤，且所述双狭缝置于所述准直镜的焦平面上；
所述光阑，用来对所述双谱段的光纤发出的光束的口径进行限制，避免光谱混叠现象；
所述准直镜，将所述双狭缝上的光纤发出的光束准直为平行光；
所述光栅，包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅分别对所述准直镜准直后的平行光进行分色；
所述平面折转镜，用于反射通过所述第一光栅和第二光栅分色后的光束；
所述聚焦镜，对经过所述平面折转镜反射后的光束进行聚焦；
所述CCD探测器，对经所述聚焦镜聚焦后的光束进行成像。
在一些实施例中，所述聚焦镜为超环面聚焦镜。
在一些实施例中，所述光阑为蓝宝石光阑。
在一些实施例中，所述双狭缝在宽度方向上错开。
在一些实施例中，所述双狭缝在长度方向上错开。
在一些实施例中，所述第一光栅和所述第二光栅具有不同的光栅常数。
在一些实施例中，所述双狭缝包括第一狭缝和第二狭缝，所述光阑只保留所述第一狭缝发出光束的上半部分和所述第二狭缝发出光束的下半部。
在一些实施例中，所述第一光栅和所述第二光栅之间具有一个倾斜夹角。
在一些实施例中，所述反射镜的中心轴与通过所述第一光栅和第二光栅分色后的光束的传播方向不重合。
在一些实施例中，所述超环面聚焦镜在垂直的两个方向具有不同的光焦度。
本发明的技术效果：本发明公开的双光栅共CCD光谱仪，利用双狭缝放置不同谱段的光纤；利用两块不同光栅对不同波段的光谱分色；利用光阑限制光束的口径，避免光谱混叠；使用同一光路和CCD探测器进行双波段同时成像，避免了机械运动部件的使用，增加了仪器的稳定性，缩小了仪器体积。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的双光栅共CCD光谱仪的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的双光栅共CCD光谱仪在双狭缝上的光纤痕迹图；
图3是根据本发明一个实施例的光阑对双狭缝上的光纤发出的光束口径起限制作用的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的双谱段的光纤像点在CCD像面上的分布图。
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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1至图4所示，本发明实施例提供了一种双光栅共CCD光谱仪100。所述双光栅共CCD光谱仪100包括：双狭缝1、光阑2、准直镜3、光栅4、平面折转镜5、聚焦镜6和CCD探测器7；
所述双狭缝1用来放置双谱段的光纤，且所述双狭缝1置于所述准直镜3的焦平面上；
所述光阑2，用来对所述双谱段的光纤发出的光束的口径进行限制，避免光谱混叠现象；
所述准直镜3，将所述双狭缝1上的光纤发出的光束准直为平行光；
所述光栅4，包括第一光栅4a和第二光栅4b，所述第一光栅4a和第二光栅4b分别对所述准直镜3准直后的平行光进行分色；
所述平面折转镜5，用于反射通过所述第一光栅4a和第二光栅4b分色后的光束；
所述聚焦镜6，对经过所述平面折转镜5反射后的光束进行聚焦；
所述CCD探测器7，对经所述聚焦镜6聚焦后的光束进行成像。
在一些实施例中，所述聚焦镜6为超环面聚焦镜。
在一些实施例中，所述光阑2为蓝宝石光阑2。
在一些实施例中，所述双狭缝1在宽度方向上错开。
在一些实施例中，所述双狭缝1在长度方向上错开。
在一些实施例中，所述第一光栅4a和所述第二光栅4b具有不同的光栅4常数。
在一些实施例中，所述双狭缝1包括第一狭缝和第二狭缝，所述光阑2只保留所述第一狭缝发出光束的上半部分和所述第二狭缝发出光束的下半部。
在一些实施例中，所述第一光栅4a和所述第二光栅4b之间具有一个倾斜夹角。
在一些实施例中，所述反射镜的中心轴与通过所述第一光栅4a和第二光栅4b分色后的光束的传播方向不重合。
在一些实施例中，所述超环面聚焦镜6在垂直的两个方向具有不同的光焦度。
本发明的技术效果：本发明公开的双光栅共CCD光谱仪，利用双狭缝1放置不同谱段的光纤；利用两块不同光栅4对不同波段的光谱分色；利用光阑2限制光束的口径，避免光谱混叠；使用同一光路和CCD探测器7进行双波段同时成像，避免了机械运动部件的使用，增加了仪器的稳定性，缩小了仪器体积。
下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。
实施例1：
参考图1至图4所示，本发明实施例提供了一种双光栅共CCD光谱仪100。本发明实施例提供的双光栅共CCD光谱仪100包括双狭缝1、蓝宝石光阑2、准直镜3、第一光栅4a和第二光栅4b、平面折转镜5、超环面聚焦镜6和CCD探测器7。
如图3所示，在狭缝的宽度方向上，放置双狭缝1，所述双狭缝1包括第一狭缝和第二狭缝。两个狭缝上分别放置不同谱段的光纤，例如谱段为758-778nm的氧气A带和谱段为758-880nm的水汽吸收带。
如图2所示，双谱段的光纤在狭缝长度方向上也错开位置，以保证双波段的精细光谱可以在CCD像面上区分开来。在距离狭缝微小距离处放置蓝宝石光阑2，用来限制两个狭缝发出的光束口径。即，所述蓝宝石光阑2放置在靠近所述双狭缝1位置处。
如图3所示，所述蓝宝石光阑2只保留第一狭缝发出光束的上半部分和第二狭缝发出光束的下半部分，以保证特定谱段的光束不会照射到另一谱段的光栅4上，从而在像面上造成光谱的混叠现象。
如图1所示，本实施方式所述的双光栅共CCD光谱仪的采用全反射式结构。其中双狭缝1置于准直镜3的焦平面上，以便准直镜3将狭缝上光纤发出的光束准直为平行光。平行光照射到光栅4上，光栅4由双第一光栅4a和第二光栅4b组成，二者具有一个倾斜夹角，例如夹角为15°。光栅4对光束的衍射遵循光栅4方程：其中d为光栅4常数，为光束入射角，θ为光栅4衍射角，m为衍级次。由于不同谱段和不同分辨率的要求，第一光栅4a和第二光栅4b的光栅4常数d1和d2不同，例如d1＝1.1μm，d2＝3μm。为了满足光学系统共光路共像面的要求，双光栅衍射的光束必须具有相同的出射方向，也就是双谱段中心波长的入射角和衍射角之和相等。即：其中，θ1分别第一谱段中心波长的入射角和衍射角，θ2分别为第二谱段中心波长的入射角和衍射角。
经过光栅4衍射后的光束具有相同的出射方向。为了压缩光学系统的光路，减小光谱仪的体积，使用平面折转镜5反射光栅4色散后的光束。反射镜中心轴与衍射光束的传播方向偏离一定角度，例如偏离22°，用以改变光路传播的方向，便于后续聚焦镜6的安放。
该光谱仪在色散方向上具有较高的像质要求。超环面聚焦镜6在垂直的两个方向具有不同的光焦度。在平面反射镜5对光束反射后，用超环面镜6进行聚焦。超环面镜6在Y-Z平面曲率半径和旋转半径数值相近，例如曲率半径为1016.55mm，旋转半径为1035.08mm。
最后，经超环面聚焦镜6聚焦后的光束成像于CCD探测器7上。此时CCD上呈现两层精细光谱。由于放置不同谱段光纤的狭缝在长度方向上错开了位置，所以分色后的精细光谱在像面上也分为上下两层。
如图4所示，对应于图2中所示的谱段1的精细光谱位于像面下层，谱段2的精细光谱位于像面上层。当入射光换成具有一定宽度的连续光谱时，像面上下两层也成为色散开的超精细光谱。
本实施方式可以同时对双谱段进行共像面的超精细光谱分辨率成像，例如对波段758nm-778nm和758nm-880nm两个波段的分辨率分别为0.04nm和0.20nm。这种双谱段、不同分辨率、共光路、共像面的光谱成像方式，极大的减小了光谱仪的体积和质量，减少了光学元件数量，实现了传统上两个光谱仪实现的功能，从而降低了光谱观测成本，有利于促进光谱分析领域的发展。
本发明实施例提供的双光栅共CCD光谱仪100利用双狭缝1放置双谱段的光纤，为了能放置蓝宝石光阑限制双波段的光束口径，使两个狭缝在宽度方向上错开一定距离。此外，放置不同谱段光纤的狭缝在长度方向也错开一定距离，以保证双谱段的精细光谱可以在探测器上分开。在距狭缝微小距离的位置上放置蓝宝石光阑2，用来限制两个狭缝发出的光束口径，保证某一谱段的光束不会投射到另一谱段的光栅上。使用同一块准直镜3对双狭缝的光束进行准直。准直后的双谱段光束分别照射到与其对应的第一光栅4a或第二光栅4b上。第一光栅4a和第二光栅4b具有不同的光栅常数，以分别实现对两个谱段光束的分色。分色后的光束具有相同的出射方向，为了压缩光谱仪的体积，使用一个平面折转镜对衍射后的光束进行反射。接着使用一面超环面聚焦镜对双谱段的光束进行聚焦成像。最终，在CCD探测器上同时呈现双谱段的超精细光谱。
本发明所述的双光栅共CCD光谱仪光学系统，利用双狭缝放置不同谱段的光纤；利用两块不同光栅对不同波段的光谱分色；利用蓝宝石光阑限制光束的口径，避免光谱混叠；使用同一光路和CCD探测器进行双波段同时成像，避免了机械运动部件的使用，增加了仪器的稳定性，缩小了仪器体积。本发明采用双光栅共光路共像面的探测方式，可以同时探测两个谱段的超精细光谱，具有了传统上两台光谱仪的作用，减小了光谱仪器的体积和使用成本。同时，双谱段的光谱可以进行比对，从而促更精确的确定所测物质的特性。
本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述双光栅共CCD光谱仪包括：
双狭缝、光阑、准直镜、光栅、平面折转镜、聚焦镜和CCD探测器；
所述双狭缝用来放置双谱段的光纤，且所述双狭缝置于所述准直镜的焦平面上；
所述光阑，用来对所述双谱段的光纤发出的光束的口径进行限制，避免光谱混叠现象；
所述准直镜，将所述双狭缝上的光纤发出的光束准直为平行光；
所述光栅，包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅分别对所述准直镜准直后的平行光进行分色；
所述平面折转镜，用于反射通过所述第一光栅和第二光栅分色后的光束；
所述聚焦镜，对经过所述平面折转镜反射后的光束进行聚焦；
所述CCD探测器，对经所述聚焦镜聚焦后的光束进行成像。
2.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述聚焦镜为超环面聚焦镜。
3.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述光阑为蓝宝石光阑。
4.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述双狭缝在宽度方向上错开。
5.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述双狭缝在长度方向上错开。
6.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅具有不同的光栅常数。
7.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述双狭缝包括第一狭缝和第二狭缝，所述光阑只保留所述第一狭缝发出光束的上半部分和所述第二狭缝发出光束的下半部。
8.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅之间具有一个倾斜夹角。
9.根据权利要求1所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述反射镜的中心轴与通过所述第一光栅和第二光栅分色后的光束的传播方向不重合。
10.根据权利要求2所述的双光栅共CCD光谱仪，其特征在于，所述超环面聚焦镜在垂直的两个方向具有不同的光焦度。
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