CN114295210A - 交叉色散型空间外差光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交叉色散型空间外差光谱仪，包括激光器、汇聚透镜、准直透镜、光学滤光片组、反射镜、纵向色散光栅、分束棱镜、横向色散光栅、柱面透镜、成像透镜组以及面阵探测器。本发明提出在传统空间外差光谱仪前倾斜放置一个纵向色散光栅，在产生干涉光前将不同波长的光束纵向分开，再通过柱面透镜纵向压缩干涉图，最终在面阵探测器的不同像素行接收不同波长的独立干涉图，从而避免了传统空间外差光谱仪中谱图重叠以及相互干扰导致的信噪比低、弱信号探测不到等问题。同时某波长强光导致的探测器强度饱和不会影响其他波长的信号探测。同时所述交叉色散型空间外差光谱仪还具有无运动部件、光通量大、分辨率高、结构紧凑、测量波段范围广等优点。

Description

交叉色散型空间外差光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种交叉色散型空间外差光谱仪。

背景技术

空间外差光谱仪是傅里叶变换光谱仪中的一种，广泛用于大气观测、矿物学分析、天体物理学、化学成分识别等领域。空间外差光谱仪在光栅的衍射极限下工作，产生依赖于波数的Fizeau条纹，其光谱分辨率由引起探测器上条纹图案半条纹周期变化的波数(或波长)的最小位移决定，因此相比分辨率与焦距的狭缝宽度成正比的色散型光谱仪具有高光通量的优点。

然而，作为多路复用的傅里叶变换光谱仪，空间外差光谱仪在探测器上的可用观察区域必须在所有光谱元素之间共享。这意味着当宽波段光谱进入空间外差光谱仪时，不同波长的干涉图会相互干扰，降低空间外差光谱仪的信噪比，导致空间外差光谱仪在多光谱特征信号及弱光谱特征信号探测时受限。而且如果某一波段有光强超过探测器上像素的饱和阈值的高亮度光，干涉图会出现过饱和现象，干扰光谱信息的空间傅立叶变换复原。

为了克服上述缺点，亟需一种新的交叉色散型空间外差光谱仪。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种交叉色散型空间外差光谱仪，由面阵探测器的不同像素行接收不同波长的独立干涉图、具有高信噪比、宽测量波段、光通量大、分辨率高、结构紧凑等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的交叉色散型空间外差光谱仪，包括：激光器、汇聚透镜、准直透镜、光学滤光片组、反射镜、纵向色散光栅、分束棱镜、第一横向色散光栅、第二横向色散光栅、柱面透镜、成像透镜组和面阵探测器；其中，激光器用于发出激光；汇聚透镜用于将激光汇聚至样品激发出含有光谱特征的待测散射光束；准直透镜用于将待测散射光束准直为平行光后射入光学滤光片组；光学滤光片组用于滤除非待测波段的光以及杂散光后射向反射镜；反射镜用于将滤光后的待测散射光束反射至纵向色散光栅；纵向色散光栅用于将滤光后的待测散射光束进行纵向色散后入射至分束棱镜；分束棱镜用于将纵向色散后的待测散射光束分成两路，一路反射至第一横向色散光栅，另一路透射至第二横向色散光栅；第一横向色散光栅与第二横向色散光栅分别用于将各自入射的待测散射光束进行横向散射后反射回分束棱镜，在干涉形成干涉光后射向柱面透镜；柱面透镜用于对干涉光进行纵向压缩；成像透镜组用于将纵向压缩后的干涉光进行成像；面阵探测器用于接收纵向压缩后的干涉光；其中，面阵探测器的不同行像素接收不同波长的干涉光，获得光谱信息完全分离的外差干涉信号。

优选地，纵向色散光栅的刻线方向与反射镜的入射方向空间垂直，纵向色散光栅相对于平面镜的法线偏转预设角度，将不同波长的待测散射光束沿纵向展开。

优选地，第一横向色散光栅与第二横向色散光栅的刻线密度和刻线方向相同，且刻线方向与反射镜的入射方向空间垂直；第一横向色散光栅的法线与第二横向色散光栅的法线分别相对于分束棱镜的反射方向和透射方向偏转利特罗角，实现待测散射光束的横向色散。

优选地，第一横向色散光栅与第二横向色散光栅均为拼接光栅，拼接光栅由至少两个刻线密度不同的光栅拼接而成。

与现有技术相比，本发明能够取得如下技术效果：

1、本发明采用纵向色散光栅与横向色散光栅组合的方式同时实现纵向色散以及横向色散的空间外差干涉测量，提高光谱仪的信噪比，某波长强光导致探测器的强度饱和不会影响其他波长的信号探测。

2、采用柱面透镜纵向压缩不同波长的干涉光，由成像透镜组成像后，面阵探测器不同的像素行接收不同波长的独立干涉光，从而获得光谱信息完全分离的外差干涉信号。

3、通过调节纵向色散光栅的倾斜角度、纵向色散光栅与分束棱镜的间距以及柱面透镜与分束棱镜的间距，可以在进行多特征光谱测量时调节干涉图的分布位置与大小，保证各个特征光谱干涉图分布均匀且干涉面积足够大，获得足够的光谱信息。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的交叉色散型空间外差光谱仪的俯视图；

图2是根据本发明实施例提供的交叉色散型空间外差光谱仪的正视图；

图3是根据本发明实施例提供的面阵探测器接受多光谱特征的干涉图。

其中的附图标记包括：激光器1、汇聚透镜2、样品3、准直透镜4、光学滤光片组5、反射镜6、纵向色散光栅7、第一横向色散光栅801、第二横向色散光栅802、分束棱镜9、柱面透镜10、成像透镜组11以及面阵探测器12。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

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。

图1和图2分别从俯视方向和正视方向示出了根据本发明实施例提供的交叉色散型空间外差光谱仪的结构。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的交叉色散型空间外差光谱仪，包括：激光器1、汇聚透镜2、准直透镜4、光学滤光片组5、反射镜6、纵向色散光栅7、第一横向色散光栅801、第二横向色散光栅802、分束棱镜9、柱面透镜10、成像透镜组11以及面阵探测器12。

激光器1用于发出激光。

汇聚透镜2用于将激光器1发出的激光聚焦至样品3，样品3受激散射出含有光谱特征的待测散射光束。

准直透镜4用于将待测散射光束准直为平行光后射入光学滤光片组5。

光学滤光片组5用于滤除非待测波段的光以及杂散光后射向反射镜6。

反射镜6用于将滤光后的待测散射光束反射至纵向色散光栅7。

纵向色散光栅7用于将滤光后的待测散射光束进行纵向色散后入射至分束棱镜9。纵向色散光栅7的刻线方向与反射镜6的入射光方向空间垂直，即与空间坐标系的Z轴方向平行。纵向色散光栅7相对于平面镜6的法线绕空间坐标系的y轴偏转预设角度，起到折叠光路的作用，实现待测散射光束的纵向色散，将不同波长的待测散射光束在纵向(Y轴方向)上以不同的角度展开。

分束棱镜9用于将纵向色散后的待测散射光束分成两路，一路反射至第一横向色散光栅801，另一路透射至第二横向色散光栅802。

第一横向色散光栅801与第二横向色散光栅802的参数完全相同，且第一横向色散光栅801与第二横向色散光栅802的刻线方向与反射镜6的入射光方向空间垂直，即与空间坐标系的Y轴方向平行。第一横向色散光栅801的法线相对于空间坐标系的Y轴偏转利特罗角，第二横向色散光栅802的法线相对于空间坐标系的X轴偏转利特罗角，实现待测散射光束的横向色散，将不同波长的待测散射光束在横向(X轴方向)上以不同的角度展开。

第一横向色散光栅801与第二横向色散光栅802可以分别换为拼接光栅，拼接光栅由至少两个刻线密度不同的光栅拼接而成，实现多波段测量。

待测散射光束经第一横向色散光栅801与第二横向色散光栅802横向色散后反射回分束棱镜9进行干涉，形成的干涉光射向柱面透镜10。

柱面透镜10用于对干涉光进行纵向(Y轴方向)压缩。需要说明的是，柱面透镜10实际为平凸柱面透镜，只在纵向上压缩干涉光，在横向(X轴方向)上对光束不产生影响(在柱面透镜10的圆柱高度方向上不折射光线)，进而保证面阵探测器12的不同像素行能够接收到不同波长的独立干涉图。

对于进入柱面透镜10的同一高度的光线，此时柱面透镜10相当于一个透镜，实现会聚效果(光线通过屈光力子午线会出现聚散度的改变)；对于进入柱面透镜10的不同高度的光线，此时柱面透镜10相当于一个平行平板，不起到改变光线方向的作用(光线通过轴向子午线不会出现聚散度的改变)。

成像透镜11组用于将纵向压缩后的干涉光进行成像。

面阵探测器12用于接收纵向压缩后的干涉光；其中，面阵探测器12的不同行像素接收不同波长的干涉光，获得光谱信息完全分离的外差干涉信号。

交叉色散型空间外差光谱仪的工作流程为：激光器1发射的激光经过汇聚透镜2聚焦在样品3产生带有光谱特征的待测散射光束，待测光束经准直透镜4准直成平行光后透射过光学滤光片组5，在滤掉非待测波段的光以及杂散光后射向反射镜6，被反射镜6反射到纵向色散光栅7，纵向色散光栅将待测光束按波长纵向分开后入射到分束棱镜9被分成两路，两路光分别经过第一横向色散光栅801与第二横向色散光栅802衍射后射回分束棱镜9；两路光在分束棱镜9干涉后射向柱面透镜10，经由柱面透镜10纵向压缩后再由成像透镜组11成像到面阵探测器12上，获得不同波段干涉图分离的交叉色散空间外差干涉信号。

如图3所示，通过调节纵向色散光栅7的偏转角度、纵向色散光栅7与分束棱镜9的间距以及柱面透镜10与分束棱镜9的间距，可以在进行多特征光谱测量时调节干涉图的分布位置与大小，保证各个特征光谱干涉图分布均匀且干涉面积足够大，获得足够的光谱信息。

本发明实施例提供的交叉色散型空间外差光谱仪由面阵探测器12的不同像素行接收不同波长的独立干涉光、具有高信噪比、宽测量波段、光通量大、分辨率高、结构紧凑等优点。

本发明采用纵向色散光栅以及横向色散光栅组合的方式同时实现纵向色散以及横向色散的空间外差干涉测量，提高光谱仪的信噪比，某波长强光导致的探测器强度饱和不会影响其他波长的信号探测；同时本发明采用柱面透镜纵向压缩不同波长的干涉光，由成像透镜组成像后，面阵探测器的不同像素行接收不同波长的独立干涉光，从而获得光谱信息完全分离的交叉色散空间外差干涉信号。

本发明提出在传统空间外差光谱仪前倾斜放置一个纵向色散光栅，在产生干涉光前将不同波长的光束纵向分开，再通过柱面透镜纵向压缩干涉图，最终在面阵探测器的不同像素行接收不同波长的独立干涉图，从而避免了传统空间外差光谱仪中谱图重叠以及相互干扰导致的信噪比低、弱信号探测不到等问题。同时某波长强光导致的探测器强度饱和不会影响其他波长的信号探测。同时所述交叉色散型空间外差光谱仪还具有无运动部件、光通量大、分辨率高、结构紧凑、测量波段范围广等优点。

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 (4)

1.一种交叉色散型空间外差光谱仪，其特征在于，包括：激光器、汇聚透镜、准直透镜、光学滤光片组、反射镜、纵向色散光栅、分束棱镜、第一横向色散光栅、第二横向色散光栅、柱面透镜、成像透镜组和面阵探测器；其中，

所述激光器用于发出激光；

所述汇聚透镜用于将所述激光汇聚至样品激发出含有光谱特征的待测散射光束；

所述准直透镜用于将所述待测散射光束准直为平行光后射入所述光学滤光片组；

所述光学滤光片组用于滤除非待测波段的光以及杂散光后射向所述反射镜；

所述反射镜用于将滤光后的待测散射光束反射至所述纵向色散光栅；

所述纵向色散光栅用于将滤光后的待测散射光束进行纵向色散后入射至所述分束棱镜；

所述分束棱镜用于将纵向色散后的待测散射光束分成两路，一路反射至所述第一横向色散光栅，另一路透射至所述第二横向色散光栅；

所述第一横向色散光栅与所述第二横向色散光栅分别用于将各自入射的待测散射光束进行横向散射后反射回所述分束棱镜，在干涉形成干涉光后射向所述柱面透镜；

所述柱面透镜用于对所述干涉光进行纵向压缩；

所述成像透镜组用于将纵向压缩后的干涉光进行成像；

所述面阵探测器用于接收纵向压缩后的干涉光；其中，所述面阵探测器的不同行像素接收不同波长的干涉光，获得光谱信息完全分离的外差干涉信号。

2.如权利要求1所述的交叉色散型空间外差光谱仪，其特征在于，所述纵向色散光栅的刻线方向与所述反射镜的入射方向空间垂直，所述纵向色散光栅相对于所述平面镜的法线偏转预设角度，将不同波长的待测散射光束沿纵向展开。

3.如权利要求1所述的交叉色散型空间外差光谱仪，其特征在于，所述第一横向色散光栅与所述第二横向色散光栅的刻线密度和刻线方向相同，且刻线方向与所述反射镜的入射方向空间垂直；所述第一横向色散光栅的法线与所述第二横向色散光栅的法线分别相对于所述分束棱镜的反射方向和透射方向偏转利特罗角，实现待测散射光束的横向色散。

4.如权利要求1所述的交叉色散型空间外差光谱仪，其特征在于，所述第一横向色散光栅与所述第二横向色散光栅均为拼接光栅，所述拼接光栅由至少两个刻线密度不同的光栅拼接而成。

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