CN110736541A - 一种光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光谱仪，包括依照光线入射顺序设置的第一狭缝，准直单元，第一色散单元，聚焦单元，第二狭缝，第二色散单元及二维阵列探测器；入射光经所述第一色散单元和所述第二色散单元的二次色散后，成像至所述二维阵列探测器接收面，其中，所述第一色散单元的主截面和所述第二色散单元的主截面为相互垂直的。本发明可以使得不同波长的光在二维阵列探测器接收面的平面上呈倾斜分离，消除了相近波长光在测试过程中反射到目标波长区域带来的误差，进一步剔除杂散光对测试结果的影响。

Description

一种光谱仪
技术领域
本发明涉及光电测试领域，具体涉及一种光谱仪。
背景技术
光谱仪用来测量分析光谱辐射功率分布和光谱组成的设备，广泛应用于光源辐射测量、颜色测量、元素鉴定、化学分析等领域。采用阵列探测器，如CCD、二极管阵列等作为探测元件的快速光谱仪可在毫秒级的时间内迅速测量被测光源的光谱功率分布，近几十年来得到了快速发展和广泛应用。杂散光控制水平是评价快速光谱仪最重要指标之一，针对快速光谱仪，杂散光是指照射在某个特定波长点所对应的象元上的其他光谱成分，其大小决定着阵列光谱仪的测量准确度。杂散光主要由于周围环境的光辐射、不同级次光谱的重叠和光学元件缺陷或非光学元件的反射等原因产生的。
现有的基于阵列探测器的快速光谱仪即一次测量即可获得整个待测波段的光谱功率分布，这种测量方法虽然测试速度快，成本也较低，但杂散光较大，准确度相对较低。此外，光栅作为色散元件时，由于光栅的零级光谱能量最大但不能发生色散，光谱仪实际测量的是光栅发生色散的一级光谱，但由于其能量较低，限于探测器的灵敏度，往往需要较大能量的入射光，才能保证一级光谱被探测器探测到；但入射光能量增大，其零级光谱以及其它级次的光谱的能量也更大，光谱仪内部的杂散光也更多，影响测量的准确度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种光谱仪，旨在解决现有技术中杂散光较大，准确度相对较低的问题。
本发明公开一种光谱仪，包括依照光线入射顺序设置的第一狭缝，准直单元，第一色散单元，聚焦单元，第二狭缝，第二色散单元及二维阵列探测器；入射光束经所述第一色散单元和所述第二色散单元的二次色散后，成像至所述二维阵列探测器接收面，其中，所述第一色散单元的主截面和所述第二色散单元的主截面为相互垂直的。本发明提供的第一狭缝限制进入光谱仪的光束，同时对于后续光学系统而言，成为了替代的、实际的光源；经第一狭缝的光束由准直单元准直为平行光束后，进入第一色散单元；第一色散单元使光在其主截面按照波长分散；聚焦单元用于聚焦色散后的光，使光在焦平面上形成一系列第一狭缝的像；第二狭缝具有与第一狭缝相似的功能，设置于第二色散单元前，第二色散单元对入射光束进行二次色散，使光在其主截面进一步按波长分散。
主截面对于色散元件是重要的特征平面。棱镜的主截面一般指光线在垂直于两折射平面的截面；光栅的主截面一般指垂直光栅刻痕的平面。被测光是沿着主截面按波长色散开来的。对于，传统的二级分光的光谱仪，例如双单色仪光谱仪，其两个色散元件的主截面一般是共面或者平行的，以通过二级分光以获得比较高的分辨率并抑制杂散光。但这种方法经过二级分光后信号比较小，测量信噪比较低。
本发明公开的光谱仪，通过第一色散单元主截面和第二色散单元主截面的垂直设置，可以使得光源在经过第一色散单元后光线按波长色散排列的方向和经过第二色散单元后光线按波长色散排列的方向是相互垂直的，促成光谱在二维阵列探测器接收面的平面上产生分离，当投射至二维阵列探测器的接收面，可得到按波长在垂直方向均匀分开，水平方向倾斜分离的光谱图像。通过以上对入射光的二次色散步骤，投射到光学探测器接收面的光谱分布图像与现有技术产生区别，本发明提供的光谱仪可以使得不同波长的光在二维阵列探测器接收面的平面上呈倾斜分离，消除了相近波长光在测试过程中反射到目标波长区域的误差，进一步剔除杂散光对测试结果的影响；而且由于色散方向不一样，色散光的能量相对比较大，能够保证较高的信噪比。
在一些可选的实施例中，所述第一色散单元和所述第二色散单元为棱镜和光栅的任意组合。包括所述第一色散单元和所述第二色散单元分别为棱镜和棱镜、棱镜和光栅、光栅和棱镜、光栅和光栅。需要说明的是，此处色散元件列举了棱镜及光栅，但是并不以其为限，其他类型的色散元件也可作为替代。
可选的，所述第一色散单元为棱镜，所述第二色散单元为光栅。通过位置摆放调整，使得棱镜和光栅的主截面相互垂直。
在一些可选的实施例中，所述第一狭缝设置于所述准直单元的物面焦点上或附近，所述第二狭缝设置于聚焦单元的像面焦点上或附近。
在一些可选的实施例中，所述第一狭缝垂直于所述第一色散单元的主截面，所述第二狭缝垂直于第二色散单元的主截面，所述第一狭缝和所述第二狭缝相互垂直。第一狭缝和第二狭缝的设置一方面可以与第一色散单元和第二色散单元的色散特性相匹配，达到最佳的分光效果；另一方面也可以滤除测试波长范围外的光线，优化测试结果。
需要说明的是，所述第一色散单元和所述第二色散单元在测试过程中不需要发生移动或旋转，固定测试即可。若测试条件或环境有所变化，所述第一色散单元、所述第二色散单元件以及其他元部件可根据需求进行调整。
在一些可选的实施例中，所述第一色散单元和\或所述第二色散单元为等边三棱镜，等边三棱镜由两个直角棱镜分别是由左旋和右旋的顶角为30°的直角棱镜胶合而成，即等边三棱镜。
可选的，所述等边三棱镜的材质为石英。由于石英为各向异性晶体，故石英棱镜有双折射和旋光的缺陷。而通过左旋棱镜和右旋棱镜的组合，可以消除双折射，且晶体光轴平行于底边。
以上可选的实施例中，尤其适用于近紫外光谱的测量。
在一些可选的实施例中，所述第二狭缝的光路前还设置有光纤束，其中，所述光纤束的入光口设置于所述聚焦单元的像方焦点上或附近，所述光纤的出光口与所述第二狭缝对接。光纤束可以优化光的接收效率，同时通过尺寸限定也可滤除测试范围外的波长的光。
可选的，光纤束中包括多根光纤，可根据测试需求组合成任意形状。
在一些可选的实施例中，第二狭缝是由光纤束组成的。光纤束内的多根光纤组合成狭长型的光纤束，形状类似于狭缝，替代狭缝的功能。
在一些可选的实施例中，所述准直单元和\或聚焦单元为石英透镜，但并不以此为限。
在一些可选的实施例中，所述二维阵列探测器前的光路中还设有滤色片。设置滤色片可滤除待测波段外的波长的光，更加优化测量结果。需要说明的是，本发明实施例不对滤色片的类型和设置位置做具体说明，本领域技术人员可根据测试需求自行调整。
在一些可选的实施例中，所述准直单元和\或所述聚焦单元集成在所述第一色散单元中。可选的，第一色散单元为凹面光栅。凹面光栅将平面光栅的色散作用和凹面反射镜的聚焦成像结合起来，利于光谱测量系统的简化，且在小于195nm的远紫外光谱测量有格外益处。其中，凹面光栅的主截面一般指通过凹面光栅中心且垂直于光栅刻痕的平面。
附图说明
附图1为现有技术中一种双单色仪的结构示意图；
附图2 为本发明实施例提供的一种光谱仪的光路示意图；
附图3为本发明实施例提供的光谱仪主截面示意图;
附图4为本发明实施例提供的另一种光谱仪的光路示意图；
附图5为本发明实施例提供的一种第一色散单元的结构示意图；
附图6为本发明实施例提供的一种光谱仪的二次色散过程示意图；
附图7为本发明实施例提供的一种光谱仪的光谱图像示意图； 1—第一狭缝； 2—准直单元；3—第一色散单元；4—聚焦单元；5—第二狭缝；6—第二色散单元；7—二维阵列探测器；71—接收面；8—光纤束。
具体实施方式
附图1为现有技术中一种双单色仪的结构示意图。包括入射狭缝S1，第一准直单元O1，第一色散单元P1，第一成像单元O2，中间狭缝S2，第二准直单元O3，第二色散单元P2，第二成像单元O4，和出射狭缝S3。其中第一色散单元P1和第二色散单元P2皆为棱镜，且两者具有相同的色散方向。以上提供的双单色仪在扫描时，即由一个光谱区转到另一个光谱区时，必须使第一色散单元P1和第二色散单元P2同时转动。
实施例1
如图2、图3（a）（b）所示，本发明提供了一种光谱仪，包括依次设置的第一狭缝1，准直单元2，第一色散单元3，聚焦单元4，第二狭缝5，第二色散单元6及二维阵列探测器7；入射光经第一色散单元3和第二色散单元6的二次色散后，成像至二维阵列探测器7接收面71。其中，第一色散单元3为棱镜，第二色散单元6为光栅，且第一色散单元3的主截面（图3（a））和第二色散单元6（图3（b））的主截面是相互垂直的。第一狭缝1设置于准直单元2的物面焦点上，第二狭缝5设置于聚焦单元4的像面焦点上。第一狭缝1垂直于第一色散单元3的主截面，第二狭缝5垂直于第二色散单元6的主截面，且第一狭缝1和第二狭缝5相互垂直。
如图6所示，由于不同波长光束的不同折射特性，入射光经过第一色散单元3，即棱镜，沿其主截面纵向发生色散，随后色散后的各光线经过第二色散单元6，即光栅，沿其主截面横向进一步色散，使得各单色光按波长在二维阵列探测器接收面71的平面上呈垂直方向均匀分开，水平方向倾斜分离，入射二维阵列探测器接收面71接收到按波长倾斜分布的光谱图像，以达到去除杂散光对测量结果影响、优化测试准确性的效果。
图7为本发明实施例提供的一种光谱仪的光谱图像示意图。当光线经过第一色散单元3和第二色散单元6后，使得入射光中不同波长的光线在二维阵列探测器接收面的平面上倾斜分离。例如，光谱仪针对200-400nm的光进行测量，在二维阵列探测器的接收面处，光谱按波长在垂直方向均匀分开，水平方向倾斜分离。如200nm和400nm光分别在对角聚集，中间波长的光在对角连线上或附近倾斜分离。
实施例2
如图4所示，本发明提供了一种光谱仪，包括依次设置的第一狭缝1，准直单元2，第一色散单元3，聚焦单元4，第二狭缝5，第二色散单元6及二维阵列探测器二维阵列探测器7；光经所述第一色散单元3和所述第二色散单元6的二次色散后，成像至所述二维阵列探测器二维阵列探测器7接收面71。其中，第一色散单元3为棱镜，第二色散单元6为光栅，且第一色散单元3的主截面（图3（a））和第二色散单元6（图3（b））的主截面是相互垂直的。第一狭缝1设置于所述准直单元2的物面焦点上。第一狭缝1垂直于第一色散单元3的主截面，第二狭缝5垂直于第二色散单元6的主截，且第一狭缝1和第二狭缝5相互垂直。第二狭缝5前还设置有光纤束8，光纤束8位于聚焦单元4的像方焦点上或附近，其中，光纤束8一端接收出射自聚焦单元4的光线，另一端与所述第二狭缝5对应设置。准直单元2和聚焦单元4为石英透镜。二维阵列探测器二维阵列探测器7前的光路中还设有滤色片（未示出）。
实施例3
如图5所示，本发明的提供的实施例与以上实施例的不同在于，第一色散单元和\或第二色散单元为等边三棱镜，其中，等边三棱镜由两个顶角为30°的直角棱镜胶合而成，其中两个直角棱镜分别为左旋和右旋的。而通过左旋棱镜和右旋棱镜的组合，可以消除双折射，且光轴平行于底面。该实施例适用于紫外光谱测量。
实施例4
如图3（c）所示，本发明的提供的实施例与以上实施例的不同在于，准直单元和/或聚焦单元集成在第一色散单元30中。具体的，第一色散单元30为凹面光栅。凹面光栅的主截面为通过凹面光栅中心O且垂直于光栅刻痕的平面xOy。凹面光栅的主截面与第二色散单元的主截面相互垂直。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但本领域技术人员应当理解，以上实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域技术人员应当理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的保护范围由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于，包括
依照光线入射顺序设置的第一狭缝，准直单元，第一色散单元，聚焦单元，第二狭缝，第二色散单元及二维阵列探测器；
入射光经所述第一色散单元和所述第二色散单元的二次色散后，成像至所述二维阵列探测器接收面，其中，所述第一色散单元的主截面和所述第二色散单元的主截面为相互垂直的。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一色散单元和所述第二色散单元为棱镜和光栅的任意组合。
3.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一狭缝设置于所述准直单元的物面焦点上或附近；所述第二狭缝设置于所述聚焦单元的像面焦点上或附近。
4.如权利要求1或3所述所述的光谱仪，其特征在于，所述第一狭缝垂直于所述第一色散单元的主截面，所述第二狭缝垂直于所述第二色散单元的主截面，且所述第一狭缝和所述第二狭缝相互垂直。
5.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第一色散单元和\或所述第二色散单元为等边三棱镜，其中，所述等边三棱镜由两个顶角为30°的直角棱镜胶合而成，其中，所述两个直角棱镜分别为左旋和右旋的。
6.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第二狭缝的光路前还设置有光纤束，其中，所述光纤束的入光口设置于所述聚焦单元的像方焦点上或附近，所述光纤的出光口与所述第二狭缝对接。
7.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述第二狭缝是由光纤束组成的。
8.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述准直单元和\或聚焦单元为石英透镜。
9.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述二维阵列探测器前的光路中还设有滤色片。
10.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述准直单元和\或所述聚焦单元集成在所述第一色散单元中。
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