CN110926612A

CN110926612A - 一种多通道宽带高分辨光谱仪

Info

Publication number: CN110926612A
Application number: CN201911310139.5A
Authority: CN
Inventors: 陈良尧; 王松有; 赵海斌; 郑玉祥; 张荣君; 杨月梅; 陈剑科; 江岸青
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-03-27
Also published as: US20200348172A1; US11268853B2

Abstract

本发明公开一种多通道宽带高分辨光谱仪，包括沿光源入射或反射路线，依次设置的若干光源入射狭缝、由多个子光栅组成的多通道集成光栅、多通道共用的二维聚焦成像镜，以及二维面阵探测器；入射光沿各光源入射狭缝入射到对应的集成光栅上，经集成光栅衍射后被共用的二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区衍射光入射到二维面阵探测器焦平面检测。无任何机械位移部件，实现多通道全光谱的高速检测和分析，具有很高的光谱分辨率和工作可靠性。

Description

一种多通道宽带高分辨光谱仪

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种多通道宽带高分辨光谱仪。

背景技术

光谱仪又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。

单色仪是一种光子能量和波长选择器，是一种基本的光谱分析和测量仪器，在光学和光电子领域有着广泛的应用，其中应用最广泛的是光栅型单色仪。依据光栅衍射原理：

dsinθ_m＝mλ+g_o

式中d是光栅的槽间距，θ_m是第m级的波长为λ的光子在空间的分布角，g_o是与光学系统设计有关的常数，取m＝1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级高效率衍射光子。

但在传统光栅单色仪设计中，固定入射和出射狭缝位置不变，采用一个机械传动装置，控制光栅的θ角转动，实现对波长进行扫描。这就导致在实际应用中存在一些不足，如：(1)需要机械控制光栅转动，实现光栅扫描。(2)当单色仪在较宽的波长区工作时，为提高仪器的波长分辨率和衍射效率，需依据工作波长区更换光栅。(3)需依据波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤色片，将m≥2高次衍射光滤去。(4)每次仅采用一个光电探测器，难以满足在相同物理和空间条件下对多光谱通道的实时快速测量分析的要求。

因此，在目前大多数商品单色仪结构中，均需要通过独立的机械结构以及采用多个光电探测器给予实现，给应用带来不便。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种无需任何机械传动机构的多通道宽带高分辨光谱仪。

技术方案：本发明所述多通道宽带高分辨光谱仪，包括沿光源入射或反射路线，依次设置的若干光源入射狭缝、由多个子光栅组成的多通道集成光栅、多通道共用的二维聚焦成像镜，以及二维面阵探测器；

每个光源入射狭缝作为一个光谱通道入射口，子光栅按照光谱通道数组合成独立的集成光栅；光源通过狭缝入射到准直反射镜，以垂直于入射面的方向为y方向，各子光栅沿y方向排列，且每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围；

入射光沿各光源入射狭缝入射到对应的集成光栅上，经集成光栅衍射后被共用的二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区衍射光入射到二维面阵探测器焦平面检测。

本发明进一步优选地技术方案为，子光栅的总数为n，n块子光栅按光谱通道数h进行组合，每个独立光谱通道所含的子光栅数为k，且k＝n/h。

作为优选地，各通道子光栅的个数k取决于总的宽光谱区λ和子波长区的宽度△λ_k，即：k＝λ/△λ_k。

优选地，每块子光栅在入射面内沿x方向的衍射张角范围为Δθ，即：

Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_k(Δλ_n) (1)

式中：

Δθ₁＝θ₂-θ₁,Δθ₂＝θ₃-θ₂,……Δθ_k＝θ_k+1-θ_k (2)

Δλ₁＝λ₂-λ₁,Δλ₂＝λ₃-λ₂,……Δλ_k＝λ_k+1-λ_k (3)。

优选地，各子光栅面的法线方向按相应的各光谱区连接的顺序组合排列。

优选地，所述二维面阵探测器的焦平面在衍射波长分布x方向含有p个像元，像元数p与各子光栅所对应子波长数一致，且满足高分辨率波长Δλ＝Δλ_k/p的要求；在y方向含有q个像元，在y方向的像元数被分成h个区，与光谱通道数一致，每一通道区内的像元区分为k个子光谱区，y方向各子光谱区的像元数为t，且t＝q/n。

优选地，所述光源入射狭缝的数量大于或等于2，光源入射狭缝的宽度固定或在0-2mm范围内调节。

优选地，所述二维聚焦成像镜为双焦距轮胎面反射镜，其沿x方向的焦距为f1，沿y方向的焦距为f2，来自多通道集成光栅的衍射光被其聚焦在二维面阵探测器的焦平面上。

优选地，在光源入射狭缝与多通道集成光栅之间还置有若干与光源入射狭缝一一对应的球面镜，光源经光源入射狭缝入射后被球面镜反射，成为平行光。

优选地，所述球面镜与多通道集成光栅之间还置有滤色片，所述滤色片滤去高次衍射光。

有益效果：本发明采用由多个光栅组成的多通道集成光栅，无需任何元件的机械位移部件，同时测量多个通道的光谱数据，由多通道不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被轮胎面双焦距光学镜聚焦，分通道成像在与不同光栅相对应的二维面阵探测器焦平面上，从而实现多通道的全光谱高分辨率快速成像，本发明简化了仪器的设计和结构，增加了系统的长期工作可靠性和寿命。

附图说明

图1为实施例中光谱仪光源入射或反射路线示意图。

图2为实施例中光谱仪S1通道光学元器件俯视分布图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种多通道宽带高分辨光谱仪，包括若干光源入射狭缝、球面镜、滤色片、多通道集成光栅、二维聚焦成像镜，以及二维面阵探测器。

每个光源入射狭缝作为一个光谱通道入射口，子光栅按照光谱通道数组合成独立的集成光栅；光源从狭缝入射到准直反射镜，以垂直于入射面的方向为y方向，各子光栅沿y方向排列，且每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围。子光栅的总数为n，n块光栅按光谱通道数h进行组合，每个独立光谱通道所含的子光栅数为k，且k＝n/h。各通道子光栅的个数k取决于总的宽光谱区λ和子波长区的宽度△λ_k，即：k＝λ/△λ_k。

每块光栅在入射面内沿x方向的衍射张角范围为Δθ，即：

Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_k(Δλ_n) (1)

式中：

Δθ₁＝θ₂-θ₁,Δθ₂＝θ₃-θ₂,……Δθ_k＝θ_k+1-θ_k (2)

Δλ₁＝λ₂-λ₁,Δλ₂＝λ₃-λ₂,……Δλ_k＝λ_k+1-λ_k (3)。

所述二维面阵探测器的焦平面在衍射波长分布x方向含有p个像元，像元数p与各子光栅所对应子波长数一致，且满足高分辨率波长Δλ＝Δλ_k/p的要求；在y方向含有q个像元，在y方向的像元数被分成h个区，与光谱通道数一致，每一通道区内的像元区分为k个子光谱区，y方向各子光谱区的像元数为t，且t＝q/n。

本实施例中以双通道光源经S1和S2的双通道入射狭缝，宽度约为10μm为例，进行详细说明。

如图1和图2所示，M_h1和M_h2为两块球面镜，分别与S1和S2相对应，焦距为150mm，从而将入射狭缝出来的发散光转换为平行光束，入射到集成光栅上。A1和A2分别为两组滤光片组，其中位置1为空白，不放置滤光片，对应于短波光谱区，其余位置2-4依次为截止波长390nm，450nm和650nm的长波通滤波片。光栅总数n＝8，被分成2个通道，每个通道的集成光栅组为Gx1和Gx2，各含有4个子光栅，对应于200-950nm工作波长区。Mx为双焦距轮胎面反射镜，沿水平衍射x方向的焦距f1＝95mm，与入射面垂直y方向的焦距f2＝130mm，促使8块光栅的衍射光都被聚焦在二维探测器D的焦平面上。在二维CMOS探测器的焦平面上，上半部分为通道1光谱成像区域，含有4个子光谱区，下半部分为信道2光谱成像区，含有4个子光谱区。

光栅总数n＝8，被分成2个通道，每个通道的集成光栅组为G1和G2，各含有4个子光栅，每个光栅对应于一个子光谱区，每通道的子光谱区分别为200-390nm，390-580nm，580-765nm，765-950nm，合计可以覆盖200-950nm的光谱范围。

A1和A2两组滤光片组，每组其中位置1为空白，不放置滤光片，其余位置2-4依次为截止波长390nm，450nm和650nm的长波通滤波片，能够可靠滤去m≥2的高次级衍射光。

采用1200g/mm(每毫米1200线)光栅，在不同子光谱区，选用的光栅闪耀波长分别为250nm(200-390nm)、500nm(390-580nm)、750nm(580-765nm)、750nm(765-950nm)，可获得最高衍射效率。

采用鑫图Dhyana 90UV相机，BSI-CMOS二维探测器结构，每帧图像数据采集时间≤30m，16-bit数据动态范围，工作波长区为200-100nm，具有2048x2048像元，每个像元尺寸为0.011x0.011mm，焦平面尺寸为22.5x22.5mm。双通道光谱在二维探测焦平面的成像区内，各有2048(x)x1024(y)像元，每个通道有4个子光谱区，各子光谱区分别有2048(x)x256(y)个像元。

因此，双通道光谱仪设计中，每个通道的全光谱测量区可有8192x256个像元，衍射x方向可有8192个像元。光谱仪的设计色散率为0.1nm/像元，覆盖200-950nm光谱区的像元数为7500，仍可有692个冗余像元，用于实现各子光谱区间的无缝调试和连接。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims

1.一种多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，包括沿光源入射或反射路线依次设置的若干光源入射狭缝、由多个子光栅组成的多通道集成光栅、多通道共用的二维聚焦成像镜，以及二维面阵探测器；

每个光源入射狭缝作为一个光谱通道入射口，子光栅按照光谱通道数组合成独立的集成光栅；光源从狭缝入射到准直反射镜，以垂直于入射面的方向为y方向，各子光栅沿y方向排列，且每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围；

2.根据权利要求1所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，子光栅的总数为n，n块子光栅按光谱通道数h进行组合，每个独立光谱通道所含的子光栅数为k，且k＝n/h。

3.根据权利要求2所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，各通道子光栅的个数k取决于总的宽光谱区λ和子波长区的宽度△λ_k，即：k＝λ/△λ_k。

4.根据权利要求3所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向的衍射张角范围为Δθ，即：

Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_k(Δλ_n) (1)

式中：

Δθ₁＝θ₂-θ₁,Δθ₂＝θ₃-θ₂,……Δθ_k＝θ_k+1-θ_k (2)

Δλ₁＝λ₂-λ₁,Δλ₂＝λ₃-λ₂,……Δλ_k＝λ_k+1-λ_k (3)。

5.根据权利要求4所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，各子光栅面的法线方向按相应的各光谱区连接的顺序组合排列。

6.根据权利要求4所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述二维面阵探测器的焦平面在衍射波长分布x方向含有p个像元，像元数p与各子光栅所对应子波长数一致，且满足高分辨率波长Δλ＝Δλ_k/p的要求；在y方向含有q个像元，在y方向的像元数被分成h个区，与光谱通道数一致，每一通道区内的像元区分为k个子光谱区，y方向各子光谱区的像元数为t，且t＝q/n。

7.根据权利要求1所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述光源入射狭缝的数量大于或等于2，光源入射狭缝的宽度固定或在0-2mm范围内调节。

8.根据权利要求1所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述二维聚焦成像镜为双焦距轮胎面反射镜，其沿x方向的焦距为f1，沿y方向的焦距为f2，来自多通道集成光栅的衍射光被其聚焦在二维面阵探测器的焦平面上。

9.根据权利要求1所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，在光源入射狭缝与多通道集成光栅之间还置有若干与光源入射狭缝一一对应的球面镜，光源经光源入射狭缝入射后被球面镜反射，成为平行光。

10.根据权利要求9所述的多通道宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述球面镜与多通道集成光栅之间还置有滤色片，所述滤色片滤去高次衍射光。