CN109974852A - 快照式光栅光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱仪器技术，提出了一种在相同探测器面积下，单次曝光能同时提高光谱分析仪器的波长范围、分辨率和光能利用率，且工艺性好，性价比高的快照式光栅光谱仪结构。本发明采用的技术方案是，快照式光栅光谱仪，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光。本发明主要应用于光谱仪器设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪器技术领域，具体讲，涉及采用像切分器的快照式光栅光谱仪。
背景技术
在相同探测器尺寸下，同时提高分辨率，光谱范围和衍射效率是光谱仪器发展追求的主要目标。常规光栅光谱仪利用探测器接收一维方向上的色散光谱，所得光谱图的分辨率和光谱范围难以同时达到测量要求。若使用单块闪耀光栅覆盖宽光谱范围势必造成衍射效率损失。为了获得宽波段光谱，常采用更换多块光栅或机械扫描的方法，则不能满足实时测量的要求。
专利ZL98225262.5提出了一种采用组合光栅和面阵CCD的光谱仪结构，其中组合光栅是由不同光栅常数、不同闪耀角的子光栅构成的平面闪耀光栅。它通过在相同入射角下，改变光栅常数，来获得不同的波段和分辨率。该专利在一次曝光中覆盖整个测量光谱范围。该专利的优点是可以对较宽范围内的光谱实时测量，缺点是光栅常数的变化直接影响分辨率，在长波部分的极限分辨率小于短波部分，而且衍射效率低。
专利ZL02260755.2提出了另一种采用多光栅一次曝光成像的光谱仪结构，如附图1所示，其光路主要部分包括光源S，球面反射镜M3，组合光栅G，柱面反射镜M1和探测器D。其中组合光栅由多个子光栅构成，子光栅沿x轴倾角可调，光栅常数也可以不同，可以控制衍射角大小，控制每组衍射光的波长范围。它通过在不同子光栅间引入特定的偏角，达到改变各子光栅入射角、获得不同子波段和分辨率的目的。优点是实现无机械位移的实时测量，缺点是组合光栅结构复杂不易加工，衍射光路中色散器件不易装调，装置稳定性差，更换维护光栅器件操作困难，系统价格昂贵。
Yuhang Wan在其论文“Compact characterization of liquid absorption andemission spectra using linear variable filters integrated with a CMOS imagingcamera”中提出了使用线性可调谐滤波器(LVF)代替光谱仪结构中的光栅的方法，优点是实现了小型化，价格低廉，可以快速测量，缺点是需要针对测量波段更换LVF器件，相比于光栅光谱仪的光通量也较低。
另外，像差是光路成像分辨率的重要影响因素。慧差出现在光谱色散方向，影响分辨率；像散出现在垂直色散方向，使狭缝像变长。像差分析在设计光谱仪器中非常重要，但上述光谱仪器的设计并未考虑分析像差。
目前，快照式光栅光谱仪不能同时满足宽谱测量、高光通量和高分辨率的要求。采用新型色散元件替换普通光栅，则要求对衍射光路的精确调整，且器件的加工复杂，成本较高。因此，需要一种能通过单次曝光，在相同探测器面积下同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种在固定探测器尺寸下，单次曝光能同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。为此，本发明采用的技术方案是，快照式光栅光谱仪，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，但在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光，光栅的衍射输出经成像镜投射到探测器进行接收。
所述的快照式光栅光谱仪中，光栅是复合闪耀光栅，所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出，由多块子光栅沿x方向组合而成，子光栅的尺寸和数量与像切分器的子镜一一对应；所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述成像镜由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，子镜的数量与用作准直镜的像切分器的子镜数量相同，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整探测器上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，中心波长主光线对所述准直镜的离轴角α，对所述成像镜的离轴角β，中心波长主光线对所述光栅的入射角i和衍射角θ应满足以下cos3关系式：
根据cos3公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率；同时成像镜(4)在子午面内圆心到光栅中心的距离OG满足平场条件：
根据该公式使得像面为一平面，以便探测器采集。
所述的快照式光栅光谱仪，光栅为复合闪耀光栅，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，每个波段下的中心波长主光线对用作准直镜的像切分器子镜的离轴角αn，对用作成像镜的像切分器子镜的离轴角βn，每个波段下的中心波长主光线对所述光栅的入射角in和衍射角θn应满足以下关系式：
通过调节像切分器子镜的离轴角，达到针对不同波段分别控制慧差的目的。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述准直镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。
所述的快照式光栅光谱仪中，在光源和准直镜之间，设置狭缝供光线射入，狭缝为物方，狭缝尺寸影响分辨率。
像切分器由多片不同二维偏向角的球面反射条状子镜组成，将条状子镜放回原始完整的球反射面镜中，以球面镜顶点为轴心，条状子镜的短边和长边分别为x和y方向，形成坐标系，Dx和Dy分别是子镜中心的x和y坐标，则偏向角δx和δy表示为：
为保证后方光路结构简单，保持主光线对光栅的出射角不变，只改变入射角来切分各个波段，根据光栅方程和具体的结构参数确定每个子镜的二维偏向角。
准直镜和成像镜的离轴角根据主光线光路的消慧差条件
以及平场条件
计算得到。
成像镜可以是球面镜，也可以是柱面镜、超环面镜、抛物面镜或自由曲面，还可以是像切分器；所述成像镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。
本发明的特点及有益效果是：
用于准直镜(2)的像切分器输出多组不同角度的平行光，用以切分波段，在相同探测器尺寸下提高了分辨率，实现无机械移动、高采集速率的宽光谱测量；复合闪耀光栅保证全波段的衍射效率；用于成像镜(4)的像切分器进一步控制像面分布，减小所需探测器的尺寸。本发明综合以上方法，提供了一种快照式光栅光谱仪，在相同探测器面积下，单次曝光同时提高了光谱分析仪器的波长范围、分辨率和光能利用率，相比于其他光谱仪工艺性好，性价比高。
附图说明：
图1是专利ZL02260755.2光路结构图。
图2是本发明系统整体结构示意图；
图3是像切分器子镜的二维偏向角原理示意图；
图4是复合闪耀光栅的光栅面结构图；
图5是复合闪耀光栅原理图；
图6是例一的系统仿真结构图；
图7是例一的仿真谱线图；
图8是600nm和600.25nm点列图；
图9是例一的分辨率仿真图；
图10是200nm，400nm，600nm，800nm，1000nm的LSF曲线图。
图11是例二的系统仿真结构图；
图12是例二的仿真谱线图；
图13是例三的系统仿真结构图；
图14是例三的仿真谱线图。
具体实施方式
本发明要解决的技术问题是提供一种在固定探测器尺寸下，单次曝光能同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。
为此目的，本发明提出了一种快照式光栅光谱仪，包括光源(1)，准直镜(2)，光栅(3)，成像镜(4)和探测器(5)。其中，所述准直镜(2)是像切分器，
所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度。每个子镜的偏向角决定每组平行光入射到光栅上的入射角，达到切分波段的目的。所述像切分器接收光源(1)发出的入射光并向光栅(3)反射输出多组不同角度的平行光。将整波段切分为多个子波段的优点是充分利用探测器面积，提高每个波段的分辨率，同时去除机械运动元件，提高采集速率。
所述的快照式光栅光谱仪中，光栅(3)可以是复合闪耀光栅。
所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜(4)衍射输出，由多块子光栅沿x 方向组合而成，子光栅的尺寸和数量与像切分器的子镜一一对应。每个子光栅的闪耀角可以相同，也可以不同。由光栅方程可知，当光栅的闪耀角及入射角确定时，一级闪耀波长是唯一的，在闪耀波长附近的波段的衍射效率损失较低，当波长与闪耀中心波长之差超过中心波长的25％时，衍射效率明显降低，通过设置闪耀角使得闪耀波长等于每个波段的中心波长，保证系统在不同波段范围内的衍射效率。每个子光栅的光栅常数可以相同，也可以不同，以达到调整每个波段的光谱分辨率的目的。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述成像镜(4)可以是像切分器。
所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，子镜的数量与用作准直镜(2)的像切分器的子镜数量相同，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整探测器(5)上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述准直镜(2)子午方向的曲率半径R1，成像镜(4)子午方向的曲率半径R2，中心波长主光线对所述准直镜(2)的离轴角α，对所述成像镜(4)的离轴角β，中心波长主光线对所述光栅(3)的入射角i和衍射角θ应满足以下cos3关系式：
根据cos3公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率。同时成像镜(4)在子午面内圆心到光栅中心的距离OG满足平场条件：
根据该公式可以使得像面为一平面，以便探测器采集。
所述的快照式光栅光谱仪，光栅(3)为复合闪耀光栅，成像镜(4)为像切分器；所述准直镜(2)子午方向的曲率半径R1，成像镜(4)子午方向的曲率半径R2，每个波段下的中心波长主光线对用作准直镜(2)的像切分器子镜的离轴角αn，对用作成像镜(4)的像切分器子镜的离轴角βn，每个波段下的中心波长主光线对所述光栅(3)的入射角in和衍射角θn应满足以下关系式：
通过调节像切分器子镜的离轴角，达到针对不同波段分别控制慧差的目的。
所述的快照式光栅光谱仪中，所述成像镜(4)可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。
所述的快照式光栅光谱仪中，用于准直镜(2)的像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。使用不同面型的准直镜和成像镜是控制甚至消减像差的一种有效方法。如采用离轴抛物面镜用于准直汇聚，采用超环面镜代替球面镜控制像散，还可以根据系统的实际需要设计自由曲面反射镜来控制像差。
所述的快照式光栅光谱仪中，在光源(1)和准直镜(2)之间，可以设置狭缝供光线射入，狭缝为系统的物，狭缝尺寸影响分辨率。
本发明提供的光路，如附图2所示，包括光源(1)，用作准直镜(2)的像切分器，光栅(3)，成像镜(4)和探测器(5)。其中像切分器由多片具有相同曲率半径，相同尺寸，不同二维偏向角的球面反射镜组成。将条状子镜放回原始完整的球反射面镜中，以球面镜顶点为轴心，平行子镜的短边和长边分别为x和y方向，形成坐标系，如附图3所示。Dx和Dy分别是子镜中心的x和y坐标，则偏向角δx和δy可以表示为：
为保证后方光路结构简单，本发明保持主光线对光栅的出射角不变，只改变入射角来切分各个波段，根据光栅方程和具体的结构参数确定每个子镜的二维偏向角。
当狭缝光入射到像切分器时，由于每条镜子的角度不同，对应的光束将以不同的角度出射，达到改变入射到光栅时光束的入射角不同的目的。
光路中准直镜和成像镜的离轴角根据主光线光路的消慧差条件
以及平场条件
计算得到。
可供选用的一种结构采用复合闪耀光栅，多个子光栅沿x方向排列，如附图4所示，每个子光栅可以具有不同闪耀角θBn，使得闪耀波长对应每个波段的中心波长，保证全波段的衍射效率。每个子光栅的光栅常数d可以相同，也可以不同，以达到调整每个波段的光谱分辨率的目的。
成像镜可以是像切分器，通过改变二维偏向角控制探测器上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。
应当指出，成像镜可以是球面镜也可以是柱面镜、超环面镜、抛物面镜或其他适用回转体形状，还可以是像切分器，用于成像镜(4)的像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜，这样的变换均落在本发明的保护范围之内。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：
本实施例中采用像切分器(21)作为准直镜，球面镜(41)作为成像镜，色散元件为普通平面闪耀光栅(31)，光栅常数为600lp/mm，闪耀角为10.37°，探测器为面阵CCD(51)，系统仿真结构图如图6所示。
将像切分器的球面子镜个数n设置为5，针对波长范围为200-1000nm。
一种可以采用的方法是将波段均分，将该波长分为五组，中心波长分别为：280nm(200– 360nm),440nm(360–520nm),600nm(520–680nm),720nm(680–840nm),920nm(840–1000nm)。
附图5显示了复合闪耀光栅的工作原理，其中in为入射角，θbn为衍射角，θBn为闪耀角。为了便于探测器接收，可以使每个子光栅对不同波段中心波长主光线具有相同的衍射角，此时相邻波段的入射角满足以下关系：
其中，in是第n个波段中心波长主光线对复合闪耀光栅的入射角，Δλ是相邻波段中心波长之差，在本例中为160nm，级次m为1。
使用的CCD相机像素尺寸为4.5μm，像素数为4096×4096。为了充分利用光学系统的光谱分辨率，最小可分辨波长差对应的谱线像覆盖4个像素：
考虑遮挡及系统尺寸等问题，像切分器及成像镜的焦距均为100mm，入射狭缝为20μm，主光线对像切分器的二维偏向角(δx，δy)为(0°，7.5°)，主光线对平面光栅的入射角为5°，设计光路的主要参数如表1所示。
表1实施例一光路的主要设计参数
| 波段范围Δλ | 200–360nm | 360–520nm | 520–680nm | 680–840nm | 840–1000nm |
| 光栅入射角i | 16.20° | 10.54° | 5° | –0.56° | –6.03° |
| 偏向角δ<sub>x</sub> | 13.1° | 10.27° | 7.5° | 4.72° | 2.02° |
| 一级闪耀波长λ<sub>b</sub> | 596.9nm | 600.0nm | 597.4nm | 589.1nm | 575.6nm |
实施例一的谱线图如附图7所示，用ZEMAX仿真中只使用了每个波段的中心波长和两个边缘波长，从上到下每一行分别代表200–360nm，360–520nm，520–680nm，680–840nm和840–1000nm五个波段，每个波段内从左到右波长逐渐增长。由于在准直镜(像切分器)处改变了入射角，入射光在光栅上的位置成阶梯状排列，将一维光谱变为二维光谱，充分利用面阵探测器的空间提高分辨率。由于使用了普通平面闪耀光栅，200-360nm波段的子光栅名义闪耀波长为596.9nm，360-520nm波段的子光栅名义闪耀波长为600nm，680-840nm波段子光栅名义闪耀波长为589.1nm，840-1000nm波段子光栅名义闪耀波长为575.6nm，均在本波段范围之外，造成光能利用率的损失。光谱仪的光谱分辨率可以通过点列图表示，附图8显示了600nm及600.25nm波长处的点列图，表明例一所示的光谱仪系统在600nm波长处可分辨波长差为0.25nm谱线，其他波段的分辨率仿真图如附图9所示，在280nm，440nm，760nm， 920nm波长处分辨率均大于0.6nm。
附图10显示了五个波段中某些波长的LSF曲线，工作范围内的所有波长均能够通过面阵CCD探测器进行检测。
实施例二：
本实施例采用像切分器(21)作为准直镜，球面镜(41)作为成像镜，色散元件为复合闪耀光栅(32)，光栅常数为600lp/mm，探测器为面阵CCD(51)，系统仿真结构图如图11 所示。
将像切分器的球面子镜个数n设置为5，针对波长范围为200-1000nm，像切分器及成像镜的焦距均为100mm，入射狭缝为20μm，主光线对像切分器的二维偏向角(δx，δy)为(0°，7.5°)，主光线对复合闪耀光栅的入射角为5°，设计光路的主要参数如表2所示。
表2实施例二光路的主要设计参数
| 波段范围Δλ | 200–360nm | 360–520nm | 520–680nm | 680–840nm | 840–1000nm |
| 光栅入射角i | 16.20° | 10.54° | 5° | –0.56° | –6.03° |
| 偏向角δ<sub>x</sub> | 13.1° | 10.27° | 7.5° | 4.72° | 2.02° |
| 一级闪耀波长λ<sub>bn</sub> | 274.6nm | 439.7nm | 597.4nm | 738.3nm | 852.6nm |
| 闪耀角θ<sub>Bn</sub> | 4.82° | 7.59° | 10.37° | 13.18° | 16.02° |
实施例二的谱线图与实施例一完全一致，如附图12所示。在其他光路结构参数不变的情况下，使用复合闪耀光栅并不改变各个波长在光谱图中对应的坐标位置。复合闪耀光栅的作用是，通过改变闪耀角，使得每个波段下的闪耀波长与中心波长一致，达到提高光能利用率的目的。
实施例三：
本实施例采用像切分器(21)作为准直镜，像切分器(42)作为成像镜，色散元件为复合闪耀光栅(32)，光栅常数为600lp/mm，探测器为面阵CCD(51)，系统仿真结构图如附图13所示。
将像切分器的球面子镜个数n设置为5，针对波长范围为200-1000nm，入射狭缝为20μm，像切分器的子镜为焦距100mm的球面镜，像切分器的二维偏向角参数如表2所示。
表3实施例三中像切分器的二维偏向角参数
实施例三的谱线图如附图14所示，用ZEMAX仿真中只使用了每个波段的中心波长和两个边缘波长，从上到下每一行分别代表840–1000nm，680–840nm，520–680nm，360–520nm和200–360nm五个波段，每个波段内从左到右波长逐渐增长。采用像切分器作为成像镜可以使谱线整齐排列，将实施例一、二中的阶梯型像面变为矩形像面，避免探测器的像素浪费，而且在每一波段，都可以分别满足消慧差条件及平场条件。
实施例四：
本实施例采用像切分器为准直镜，超环面镜作为成像镜，色散元件为复合闪耀光栅，探测器为面阵CCD。其中超环面镜的作用是校正像散。
Claims (9)
1.一种快照式光栅光谱仪，其特征是，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光，光栅的衍射输出经成像镜投射到探测器进行接收。
2.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，光栅是复合闪耀光栅，所述复合闪耀光栅由多块子光栅沿x方向组合而成，子光栅的尺寸和数量与像切分器的子镜一一对应；所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出。
3.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，所述成像镜由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，子镜的数量与用作准直镜的像切分器的子镜数量相同，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整探测器上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。
4.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，中心波长主光线对所述准直镜的离轴角α，对所述成像镜的离轴角β，中心波长主光线对所述光栅的入射角i和衍射角θ应满足以下cos3关系式：
根据cos3公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率；同时成像镜(4)在子午面内圆心到光栅中心的距离OG满足平场条件：
根据该公式使得像面为一平面，以便探测器采集。
5.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，光栅为复合闪耀光栅，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，每个波段下的中心波长主光线对用作准直镜的像切分器子镜的离轴角αn，对用作成像镜的像切分器子镜的离轴角βn，每个波段下的中心波长主光线对所述光栅的入射角in和衍射角θn应满足以下关系式：
通过调节像切分器子镜的离轴角，达到针对不同波段分别控制慧差的目的。
6.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，所述准直镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜；在光源和准直镜之间，设置狭缝供光线射入，狭缝为物方，狭缝尺寸影响分辨率。
7.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，像切分器由多片具有相同曲率半径，相同尺寸，不同二维偏向角的球面反射条状子镜组成，将条状子镜放回原始完整的球反射面镜中，以球面镜顶点为轴心，条状子镜的短边和长边分别为x和y方向，形成坐标系，Dx和Dy分别是子镜中心的x和y坐标，则偏向角δx和δy表示为：
为保证后方光路结构简单，保持主光线对光栅的出射角不变，只改变入射角来切分各个波段，根据光栅方程和具体的结构参数确定每个子镜的二维偏向角。
8.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，准直镜和成像镜的离轴角根据主光线光路的消慧差条件：
以及平场条件：计算得到。
9.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，成像镜可以是球面镜，可以是柱面镜、超环面镜、抛物面镜或自由曲面，还可以是像切分器；所述成像镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。
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