CN109084895A - 一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，包括光纤(1)、圆形狭缝(2)、第一凹面反射镜(3)、第一光栅(41)、第二光栅(42)、第二凹面反射镜(5)和面阵探测器(6)。入射光由光纤导入，经圆形狭缝及第一凹面反射镜后变为平行光束，投射到两块光栅表面。两光栅竖直排列，分别调整各自的偏转和俯仰角度，使各自光学谱段的光线发生色散，经第二凹面反射镜聚焦后形成两条彼此分开的光谱带，最终被同一个面阵探测器接收。本发明通过使用两块光栅，将整个光谱范围分为两个谱段，并被一个探测器同时接收，有效解决了宽光谱范围与探测器光敏面尺寸有限之间的矛盾，结构紧凑，研制成本较低，加工装配相对简单。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量领域，具体涉及一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪。
背景技术
光谱仪是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。传统的Cznerny-Turner型(C-T)结构是用两块小球面反射镜分别作为准直镜和聚焦镜来代替Ebert-Fastie型结构中的大凹面反射镜，两块反射镜曲率中心重合，中间分开。该结构可通过合理的设计两块反射镜的口径，不仅可以避免二次衍射和多次衍射，同时也方便反射镜的加工和装调，从而得到广泛应用。
当所需测量的光谱范围很宽，而采用的面阵探测器光敏面尺寸有限会造成测量光谱无法被完全接受的问题。如果减少光栅刻线密度，会严重影响光谱分辨率；而购买光敏面更大的探测器不仅增加仪器重量，还可能大大增加仪器研制成本，同时探测器在空间维的很多象元可能还无法利用到。为解决这一矛盾，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所曾于2013年公开了三项中国发明专利，分别为：
(1)公开号为102928077A，名称为“双通道共光路小型化宽波段成像光谱仪光学系统”。同一目标出射的光束经两块宽带滤光片分成两个通道，被准直后的光束经一块平面光栅色散后经聚焦成像在同一探测器像面上。这种方式需使用两块离轴非球面准直镜，平面光栅的两个不同区域需刻划成不同的刻线密度，制造成本高。
(2)公开号为103389159A，名称为“棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统”。宽光谱经棱镜预色散后，利用一块分色片将两段光谱分离到两个独立通道中，经光栅二次色散并透镜组汇聚后分别成像至各自探测器中。这种方式需采用两组光栅和两组探测器分别成像，研制成本高，结构复杂，给光路装调提出了更高要求。
(3)公开号为102967560A，名称为“双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪系统”。该系统使用了两个面阵探测器接收不同波段的光线，同时增加了一块平面折转镜，光机结构较为复杂。
发明内容
为了解决宽光谱范围和面阵探测器光敏面有限尺寸之间的矛盾及弥补现有技术的缺陷，在对称式C-T结构基础上提供一种利用两块光栅进行谱段分离的双光栅光谱仪，两段光谱被同一探测器接收。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，包括有光纤、圆形狭缝、第一凹面反射镜、第一光栅、第二光栅、第二凹面反射镜和面阵探测器。入射光由光纤导入，经圆形狭缝及第一凹面反射镜准直后变为平行光束，投射到第一光栅、第二光栅表面，第一光栅、第二光栅使各自光学谱段的光线发生色散，经第二凹面反射镜聚焦后形成两条彼此分开的光谱带，最终被面阵探测器接收。
第一光栅、第二光栅均为参数相同的平面反射式闪耀光栅。
第一光栅、第二光栅竖直排列，通过调整各自的偏转和俯仰角度，使两光谱段得到分离。
第一凹面反射镜、第二凹面反射镜为焦距相同的凹面反射镜。
两光栅的偏转和俯仰角度及各自分离光学谱段的计算方法：
a)推导色散公式将中心波长与入射角、衍射角的关系换算为中心波长与光栅偏转角的关系，如公式(1)所示，
其中，m为衍射级次；λ0为中心波长；d为光栅常数；α0和β0分别为中心波长对应的入射角和衍射角；为入射光线与中心光轴的夹角；为中心波长对应的光栅偏转角；
b)根据公式(2)-(4)计算得到边缘波长衍射角与光谱带尺寸的关系，
D≈f'·(tanβ1+tanβ2) (4)
其中，λn和βn分别为边缘波长和对应的衍射角，n＝1或2；f'为第二凹面反射镜焦距；D为光谱带在像面上的光谱维方向尺寸；
c)当尺寸D大于探测器光敏面的光谱维方向尺寸D0时，整个光谱范围无法被全部接收。首先确定两条光谱带尺寸D1和D2(D1≤D0，D2≤D0)，根据公式(1)-(4)反推出两块光栅分别对应的λ0，λ1，λ2和光栅偏转角φ1和φ2，从而确定了两段光谱范围和两光栅对应的偏转角度；
d)为了使两段光谱在空间方向上分开，可通过分别调整两光栅的俯仰角度实现。
第一光栅(41)、第二光栅(42)的机械调整机构为分开独立设计，互不干扰。
本发明的有益效果是：本发明使用两块光栅，将整个光谱范围分为两个谱段，经色散并聚焦后形成两条光谱带，被一个探测器同时接收，有效解决了宽光谱范围与探测器光敏面尺寸有限之间的矛盾，结构紧凑，研制成本较低，加工装配相对简单。
附图说明
图1为本发明双光栅光谱仪光学结构示意图。
图2为本发明的光谱仪光路原理示意图。
图3为本发明的两光栅偏转角度示意图。
图4为本发明的面阵探测器成像效果示意图。
图中：1为光纤，2为圆形狭缝，3为第一凹面反射镜，41为第一光栅，42为第二光栅，5为第二凹面反射镜，6为面阵探测器。
图5为优化后的像面全视场点列图。
图6为优化后的各像点RMS半径值随波长的变化关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种用于谱段分离的双光栅光谱仪，包括光纤1、圆形狭缝2、第一凹面反射镜3、第一光栅41、第二光栅42、第二凹面反射镜5和面阵探测器6。
入射光由光纤1导入，经圆形狭缝2及第一凹面反射镜3准直后变为平行光束，投射到第一光栅41、第二光栅42表面。第一光栅41、第二光栅42竖直排列，分别调整各自的偏转和俯仰角度，使各自光学谱段的光线发生色散，经第二凹面反射镜5聚焦后形成两条彼此分开的光谱带，最终被同一面阵探测器6接收。
第一光栅41、第二光栅42均为参数相同的平面反射式闪耀光栅。
第一凹面反射镜3、第二凹面反射镜5为焦距相同的凹面反射镜。
第一光栅41、第二光栅42两光栅的偏转和俯仰角度及各自分离光学谱段的计算方法如下：
a)推导色散公式将中心波长与入射角、衍射角的关系换算为中心波长与光栅偏转角的关系，如公式(1)所示，原理示意图如图2所示。
其中，m为衍射级次；λ0为中心波长；d为光栅常数；α0和β0分别为中心波长对应的入射角和衍射角；为入射光线与中心光轴的夹角；为中心波长对应的光栅偏转角。
b)根据公式(2)-(4)计算得到边缘波长衍射角与光谱带尺寸的关系，
D≈f'·(tanβ1+tanβ2) (4)
其中，λn和βn分别为边缘波长和对应的衍射角，n＝1或2；f'为第二凹面反射镜焦距；D为光谱带在像面上的光谱维方向尺寸。
c)当尺寸D大于探测器光敏面的光谱维方向尺寸D0时，整个光谱范围无法被全部接收。首先确定两条光谱带尺寸D1和D2(D1≤D0，D2≤D0)，根据公式(1)-(4)反推出两块光栅分别对应的λ0，λ1，λ2和光栅偏转角φ1和φ2，从而确定了两段光谱范围和第一光栅41、第二光栅42分别对应的偏转角度。
d)为了使两段光谱在空间方向上分开，可通过分别调整第一光栅41、第二光栅42两光栅的俯仰角度实现。
第一光栅41、第二光栅42两光栅的机械调整机构为分开独立设计，互不干扰。
按上述的步骤a)，根据图2，从所需设计系统要求(光谱范围，光谱分辨率，结构尺寸等)出发，确定各光学元件参数，包括光栅参数d，第二凹面反射镜焦距f’，探测器光敏面光谱维方向尺寸D0等；由计算公式(1)-(4)计算出只用一块相同参数的光栅时对应的光谱带尺寸D，判断是否需要采用谱段分离方法。
若D＞D0，说明光谱无法被全部接收，需进行谱段分离。根据图2-4，首先确定两条光谱带尺寸D1和D2(D1≤D0，D2≤D0)，根据公式(1)-(4)反推出第一光栅41、第二光栅42两块光栅分别对应的λ0，λ1，λ2和光栅偏转角φ1和φ2，从而确定了两段光谱范围和第一光栅41、第二光栅42两光栅对应的偏转角度。
确定探测器光敏面上两光谱带在空间维方向上的中心距，通过计算得到第一光栅41、第二光栅42两光栅的俯仰角度δ1和δ2。
光谱仪初始结构确定后，输入到计算机辅助设计程序，如ZEMAX、CODE V等，进行优化设计，直至得到满意结果。
在实际光学装调中，通过分别调节第一光栅41、第二光栅42两光栅的偏转及俯仰角度，可实现两条光谱带在面阵探测器6光敏面上的分离并被全部接收。
实际研制的双光栅光谱仪工作波段为：276nm～700nm，光纤1的芯径为50μm，数值孔径为0.11，第一凹面反射镜3和第二凹面反射镜5的焦距均为200mm，第一光栅41和第二光栅42的刻线密度均为300线/mm。面阵探测器6的像元尺寸为12微米，像元阵列为1392×1040，光敏面有效尺寸为16.7mm×12.5mm。
根据以上具体实施方式，如果只采用一块刻线密度300线/mm的平面光栅，按照以上参数计算得到的光谱带尺寸D为27.3mm，远大于面阵探测器6光敏面的光谱维方向尺寸D0(16.7mm)。因此需要进行谱段分离。双光栅光谱仪的初始各光学数据如表1所示。将这些初始光学数据在光学设计软件中进行多次优化，直到得到满意结果。
表1设计的双光栅光谱仪的初始光学数据
图5为优化后的像面全视场点列图。整个工作谱段(270nm～700nm)被分成了两列光谱带，谱面展宽均约14mm，中心间距约8mm，可以被16.7mm×12.5mm的探测器光敏面全部接收。
图6为优化后的各像点RMS半径值随波长的变化关系曲线，该曲线全面的反映了系统的设计评价结果。各波长对应的像点RMS半径值几乎相同，均小于13μm，在宽谱段内获得了良好的成像质量。
Claims (6)
1.一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于：包括有光纤(1)、圆形狭缝(2)、第一凹面反射镜(3)、第一光栅(41)、第二光栅(42)、第二凹面反射镜(5)和面阵探测器(6)；入射光由光纤(1)导入，经圆形狭缝(2)及第一凹面反射镜(3)准直后变为平行光束，投射到第一光栅(41)、第二光栅(42)表面，第一光栅(41)、第二光栅(42)使各自光学谱段的光线发生色散，经第二凹面反射镜(5)聚焦后形成两条彼此分开的光谱带，最终被面阵探测器(6)接收。
2.根据权利要求1所述的一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于：第一光栅(41)、第二光栅(42)均为参数相同的平面反射式闪耀光栅。
3.根据权利要求1所述的一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于：第一光栅(41)、第二光栅(42)竖直排列，通过调整各自的偏转和俯仰角度，使两光谱段得到分离。
4.根据权利要求1所述的一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于：第一凹面反射镜(3)、第二凹面反射镜(5)为焦距相同的凹面反射镜。
5.根据权利要求1所述的一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于：两光栅的偏转和俯仰角度及各自分离光学谱段的计算方法：
a)推导色散公式将中心波长与入射角、衍射角的关系换算为中心波长与光栅偏转角的关系，如公式(1)所示，
其中，m为衍射级次；λ0为中心波长；d为光栅常数；α0和β0分别为中心波长对应的入射角和衍射角；为入射光线与中心光轴的夹角；为中心波长对应的光栅偏转角；
b)根据公式(2)-(4)计算得到边缘波长衍射角与光谱带尺寸的关系，
D≈f'·(tanβ1+tanβ2) (4)
其中，λn和βn分别为边缘波长和对应的衍射角，n＝1或2；f'为第二凹面反射镜焦距；D为光谱带在像面上的光谱维方向尺寸；
c)当尺寸D大于探测器光敏面的光谱维方向尺寸D0时，整个光谱范围无法被全部接收。首先确定两条光谱带尺寸D1和D2(D1≤D0，D2≤D0)，根据公式(1)-(4)反推出两块光栅分别对应的λ0，λ1，λ2和光栅偏转角φ1和φ2，从而确定了两段光谱范围和两光栅对应的偏转角度；
d)为了使两段光谱在空间方向上分开，可通过分别调整两光栅的俯仰角度实现。
6.根据权利要求1所述的一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪，其特征在于，第一光栅(41)、第二光栅(42)的机械调整机构为分开独立设计，互不干扰。
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| CN201810727801.6A CN109084895A (zh) | 2018-07-05 | 2018-07-05 | 一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪 |
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| CN (1) | CN109084895A (zh) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109669270A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-23 | 贝耐特光学科技（昆山）有限公司 | 一种光谱选择装置及光学设备 |
-
2018
- 2018-07-05 CN CN201810727801.6A patent/CN109084895A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109669270A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-04-23 | 贝耐特光学科技（昆山）有限公司 | 一种光谱选择装置及光学设备 |
| CN109669270B (zh) * | 2018-12-29 | 2021-10-29 | 贝耐特光学科技（昆山）有限公司 | 一种光谱选择装置及光学设备 |
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