CN115165100A - 一种微型光谱仪和光谱检测方法 - Google Patents

一种微型光谱仪和光谱检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115165100A
CN115165100A CN202210818666.2A CN202210818666A CN115165100A CN 115165100 A CN115165100 A CN 115165100A CN 202210818666 A CN202210818666 A CN 202210818666A CN 115165100 A CN115165100 A CN 115165100A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mirror
angle
diffraction grating
cylindrical mirror
angle value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210818666.2A
Other languages
English (en)
Inventor
周哲海
吴婧仪
赵爽
李慧宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Information Science and Technology University
Original Assignee
Beijing Information Science and Technology University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Information Science and Technology University filed Critical Beijing Information Science and Technology University
Priority to CN202210818666.2A priority Critical patent/CN115165100A/zh
Publication of CN115165100A publication Critical patent/CN115165100A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/021—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or particular reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0216—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using light concentrators or collectors or condensers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明涉及一种微型光谱仪，微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列延光路方向依次设置。本申请可纠正扫描中心波长处的散光，抑制宽光谱范围内的散光，从而提高图像质量和分辨率，且本申请中的微型光谱仪设计简单。本发明还涉及一种光谱检测方法。

Description

一种微型光谱仪和光谱检测方法
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种微型光谱仪和光谱检测方法。
背景技术
光谱仪是用于测量光线不同波长位置处的光强度的装置，目前，构成光谱仪的元器件，通常都具有较大的尺寸，使得光谱仪体积大、不方便携带，不利于与成像系统集成，严重限制了光谱仪的应用领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种微型光谱仪和光谱检测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种微型光谱仪，所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置；
所述第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
所述第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
所述柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，所述第三角度值是根据所述柱面镜在矢状视图的物距、所述柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、所述柱面镜的中心厚度、所述准直镜的半径、所述会聚反射镜的半径、所述会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在所述探测阵列上的扩散距离计算得到的；
光源发出的原始光经过所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的衍射光，使得所述不同波长值的衍射光以对应的入射角入射至所述第二衍射光栅后，经所述会聚反射镜会聚到所述柱面镜后，再会聚到所述探测阵列。
本方法发明的有益效果是：提出了一种微型光谱仪，所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置。本申请实现了纠正扫描中心波长处的散光，并可通过调整柱面镜和图像平面之间的相对角度抑制宽光谱范围内的散光，从而提高了图像质量和分辨率，且能够在不扩大空间尺寸的前提下，提高系统的光学分辨率，并且本申请中的光谱仪设计简单。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，将光线的波长、刻痕间距、入射角和光谱级次输入公式
Figure 280850DEST_PATH_IMAGE001
，得到波长的光线对应的衍射角；
根据所述衍射角和所述第一角度值，得到所述第二角度值。
进一步地，所述第三角度值
Figure 666832DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 446569DEST_PATH_IMAGE004
其中，所述柱面镜相对于矢状焦平面的倾斜角度
Figure 435253DEST_PATH_IMAGE005
有以下关系式：
tan
Figure 984046DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 806509DEST_PATH_IMAGE007
Figure 73542DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 272442DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 410163DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 403526DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，
Figure 485752DEST_PATH_IMAGE012
是像散，
Figure 222764DEST_PATH_IMAGE013
是所述柱面镜在矢状视图的物距，
Figure 480570DEST_PATH_IMAGE014
是所述柱面镜在矢状视图的焦距，n是折射率，t是所述柱面镜的中心厚度，
Figure 910414DEST_PATH_IMAGE015
是所述准直镜的半径，
Figure 152040DEST_PATH_IMAGE016
是所述会聚反射镜的半径，
Figure 20638DEST_PATH_IMAGE017
是所述会聚反射镜的离轴入射角， H是不同波长的衍射光在所述探测阵列的扩散距离。
进一步地，所述准直镜是带单模光纤的非球面准直镜，焦距18.75mm，有效孔径为5.5mm。
进一步地，所述会聚反射镜是离轴非球面反射镜，其中曲率半径是-113.06mm，离轴角是33度，有效焦距是66.2mm。
进一步地，所述柱面镜的柱面曲率半径是28.670mm，有效焦距是64.568637mm，工作距离是20mm，中心厚度：3mm，倾斜角度：2.443°。
进一步地，所述第一衍射光栅是940.07line/mm，入射角为46.5度，尺寸为24x14x0.675mm。
进一步地，所述第二衍射光栅是940.07line/mm，入射角为46.5度，尺寸为24x14x0.675mm。
进一步地，所述探测阵列的感光面积为12.8mm×0.5mm，像素尺寸是为50μm×500μm，像素个数是256pixels。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种光谱检测方法，基于上述技术方案中任一项所述的微型光谱仪实现，
所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置；
所述第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
所述第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
所述柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，所述第三角度值是根据所述柱面镜在矢状视图的物距、所述柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、所述柱面镜的中心厚度、所述准直镜的半径、所述会聚反射镜的半径、所述会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在所述探测阵列上的扩散距离计算得到的；
所述光谱检测方法包括：
光源发出的原始光经过所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的光，使得所述不同波长值的光以对应的入射角入射至所述第二衍射光栅后，经所述会聚反射镜会聚到所述柱面镜后，再会聚到所述探测阵列。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种微型光谱仪的结构示意图；
图2为本发明中一种微型光谱仪中第一衍射光栅和第二衍射光栅角度的示意图；
图3为本发明在探测器之前放置圆柱形透镜的切向视图和矢状视图中散光校正的示意图；
图4为本发明通过倾斜一定角度的柱面镜在切向视图中进行宽带光谱散光校正的示意图。
图示例如下：
1-准直镜，2-第一衍射光栅，3-第二衍射光栅，4-会聚反射镜、5-柱面镜6-探测阵列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种微型光谱仪，所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列延光路方向依次设置。
第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，第三角度值是根据柱面镜在矢状视图的物距、柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、柱面镜的中心厚度、准直镜的半径、会聚反射镜的半径、会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在探测阵列上的扩散距离计算得到的；
光源发出的原始光经过准直镜后形成平行光，平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的光，使得不同波长值的光以对应的入射角入射至第二衍射光栅后，经会聚反射镜会聚到柱面镜后，再会聚到探测阵列。
进一步地，将衍射波长值、刻痕间距、入射角和光谱级次输入公式
Figure 664109DEST_PATH_IMAGE001
，得到衍射波长值对应的衍射角；
根据衍射角和所述第一角度值，得到第二角度值，其中，i是入射角，
Figure 468117DEST_PATH_IMAGE018
是所述衍射角，m是光谱级次，
Figure 56094DEST_PATH_IMAGE019
是衍射波长值。
进一步地，第三角度值
Figure 869329DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 101727DEST_PATH_IMAGE020
其中，柱面镜相对于矢状焦平面的倾斜角度
Figure 607795DEST_PATH_IMAGE005
有以下关系式：
tan
Figure 417488DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 34414DEST_PATH_IMAGE021
Figure 121319DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 63867DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 501801DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 984735DEST_PATH_IMAGE011
；
其中，
Figure 50780DEST_PATH_IMAGE012
是像散，
Figure 164230DEST_PATH_IMAGE013
是柱面镜在矢状视图的物距，
Figure 89460DEST_PATH_IMAGE014
是柱面镜在矢状视图的焦距，n是折射率，t是柱面镜的中心厚度，
Figure 517031DEST_PATH_IMAGE015
是准直镜的半径，
Figure 437582DEST_PATH_IMAGE016
是会聚反射镜的半径，
Figure 456354DEST_PATH_IMAGE017
是会聚反射镜的离轴入射角，H是不同波长的衍射光在探测阵列的扩散距离。
进一步地，准直镜是带单模光纤的非球面准直镜，焦距18.75mm，有效孔径为5.5mm。
进一步地，会聚反射镜是离轴非球面反射镜，其中曲率半径是-113.06mm，离轴角是33度，有效焦距是66.2mm。
进一步地，柱面镜的柱面曲率半径是28.670mm，有效焦距是64.568637mm，工作距离是20mm，中心厚度：3mm，倾斜角度：2.443°。
进一步地，第一衍射光栅是940.07line/mm，入射角为46.5度，尺寸为24x14x0.675mm。
进一步地，第二衍射光栅是940.07line/mm，入射角为46.5度，尺寸为24x14x0.675mm。
进一步地，探测阵列的感光面积为12.8mm×0.5mm，像素尺寸是为50μm×500μm，像素个数是256pixels。
应理解，以下是对本申请中微型光谱仪的详细的结构参数的说明，微型光谱仪包括以下结构：
1.光源：光纤ASE宽带光源，FC/APC接口。
2.准直镜：带单模光纤的非球面准直镜，焦距18.75mm，有效孔径为5.5mm，NA=0.15，FC/APC接口，使用带单模尾纤的准直镜，降低设计的复杂性。
3.衍射光栅：一体全息透射式衍射光栅，高衍射效率（>94% 绝对值）和低散射；偏振无关和单偏振优化光栅；坚固的无机材料，具有出色的功率处理能力和可靠性，选用940.07line/mm，入射角为46.5度，尺寸大小为24x14x0.675mm。
由光栅公式：
Figure 603301DEST_PATH_IMAGE022
，其中d为刻痕间距，通常称为光栅常数，i为入射角，
Figure 365721DEST_PATH_IMAGE018
为衍射角，m为光谱级次，
Figure 547304DEST_PATH_IMAGE019
为波长值。
当m=1时，光栅公式可以转变成
Figure 736977DEST_PATH_IMAGE023
本设计波长范围为1525-1565nm，则分为
Figure 964696DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 530806DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 566895DEST_PATH_IMAGE026
.
i=46.5度，经过计算第一片衍射光栅的衍射角为
Figure 927469DEST_PATH_IMAGE027
=45.06
Figure 32697DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 402499DEST_PATH_IMAGE029
=46.61
Figure 620991DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 152466DEST_PATH_IMAGE030
=48.20
Figure 761302DEST_PATH_IMAGE028
;则第一片衍射光栅出射光束衍射角的范围为
Figure 403636DEST_PATH_IMAGE031
为使
Figure 414317DEST_PATH_IMAGE025
的光能够以入射角为
Figure 382273DEST_PATH_IMAGE032
=46.5°入射至第二片衍射光栅，在
Figure 399777DEST_PATH_IMAGE033
ACB=43.5°，
Figure 580222DEST_PATH_IMAGE034
ABC=
Figure 445410DEST_PATH_IMAGE035
，所以
Figure 177743DEST_PATH_IMAGE036
同理可得出
Figure 761171DEST_PATH_IMAGE037
=48.05°，
Figure 479728DEST_PATH_IMAGE038
=45.09°，由此可得第二片衍射光栅的衍射角为
Figure 465002DEST_PATH_IMAGE039
=43.59
Figure 368236DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 173381DEST_PATH_IMAGE040
=46.61
Figure 226787DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 535409DEST_PATH_IMAGE041
=49.70
Figure 16069DEST_PATH_IMAGE028
.则第二片衍射光栅出射光束衍射角的范围为
Figure 308510DEST_PATH_IMAGE042
由
Figure 759083DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 187790DEST_PATH_IMAGE044
比较可知，该结构通过两片透射式衍射光栅有效的扩大了衍射角的最大差值，这样能够在不扩大系统空间尺寸的前提下，提高系统的光学分辨率。由于分辨率使光谱仪分开波长极为接近的两条谱线的能力，衍射角度扩大，即分辨率提升。
4.会聚反射镜：离轴非球面反射镜，曲率半径：-113.06mm，离轴角：33度，有效焦距: 66.2mm，在1510-1580nm宽带范围内，平均反射效率大于99%，聚焦已准直的光束，且不会产生球差和色差。
5.柱面镜：柱面曲率半径：28.670mm，有效焦距：64.568637mm，工作距离：20mm，中心厚度：3mm，倾斜角度：2.443°
如图3所示，图3为在探测器之前放置柱面镜的散光校正光路图。其中（i）为切向视图、（ii）为矢状视图。
由两个离轴非球面镜产生的散光焦点的差异公式可以表示为：
Figure 573772DEST_PATH_IMAGE045
(1)
其中
Figure 478143DEST_PATH_IMAGE015
是准直透镜的半径，
Figure 873352DEST_PATH_IMAGE016
是会聚反射镜的半径，
Figure 156566DEST_PATH_IMAGE046
是准直镜的离轴入射角，
Figure 979029DEST_PATH_IMAGE017
是会聚反射镜的离轴入射角。
当满足下面条件时，散光被消除：
Figure 246062DEST_PATH_IMAGE047
(2)
其中
Figure 444962DEST_PATH_IMAGE048
是矢状视图柱面镜的像距，
Figure 441737DEST_PATH_IMAGE013
是矢状视图柱面镜的物距，
Figure 700680DEST_PATH_IMAGE014
是矢状视图柱面镜的焦距，
Figure 455009DEST_PATH_IMAGE049
是切向视图柱面镜的像距，
Figure 395283DEST_PATH_IMAGE050
是切向视图柱面镜的物距。
根据柱面镜的性质有以下公式：
Figure 777723DEST_PATH_IMAGE051
(3)
Figure 207568DEST_PATH_IMAGE052
(4)
其中n是折射率，t是柱面镜的中心厚度。
将方程（3）、（4）代入方程（2），可得
Figure 183614DEST_PATH_IMAGE053
（5）
移向：
Figure 724317DEST_PATH_IMAGE054
（6）
求解方程可得
Figure 571050DEST_PATH_IMAGE055
：
Figure 906216DEST_PATH_IMAGE056
(7)
则柱面镜与会聚反射镜的相对位置可以通过以下关系式确定：
Figure 228613DEST_PATH_IMAGE057
（8）
由衍射光栅的性质可知，不同的衍射波长对应于不同的衍射角，而衍射波长又会引起会聚反射镜离轴角
Figure 307428DEST_PATH_IMAGE058
2的变化。根据以上分析，离轴角
Figure 539826DEST_PATH_IMAGE058
2的变化随之也会引起像散
Figure 780314DEST_PATH_IMAGE012
的变化。
如图4所示，通过倾斜柱面镜的优化角度来进行散光矫正。
根据图4所示以及位置关系可得：
tan
Figure 996532DEST_PATH_IMAGE006
（9）
其中，
Figure 472513DEST_PATH_IMAGE059
其中
Figure 824997DEST_PATH_IMAGE005
为柱面镜与探测阵列的倾斜角度，H为不同波长的衍射光在探测阵列上的扩散距离，
Figure 767545DEST_PATH_IMAGE018
为衍射光栅的衍射角，
Figure 674321DEST_PATH_IMAGE019
为衍射波长。
由公式（1）有：
Figure 953993DEST_PATH_IMAGE009
（11）
由图4的几何关系有：
Figure 160983DEST_PATH_IMAGE010
（12）
Figure 8853DEST_PATH_IMAGE060
为O、M的距离。
由光栅的角色散公式有：
Figure 934084DEST_PATH_IMAGE011
（13）
图4中柱面镜相对于垂直于光学平面的倾斜角度
Figure DEST_PATH_IMAGE061
，可以计算如下：
Figure 627234DEST_PATH_IMAGE002
(14)
其中，
Figure 547785DEST_PATH_IMAGE062
由此计算再通过分析测得圆柱面的倾斜角度为2.443°
图4为通过倾斜圆柱透镜在切向视图中的宽带散光校正。
6.探测器：感光面积为12.8mm
Figure 832136DEST_PATH_IMAGE063
0.5mm，像素尺寸为50
Figure 244663DEST_PATH_IMAGE064
，像素个数为256pixels。
光纤发出，经过准直镜发出平行光，以平行光束入射至第一片衍射光栅，经过衍射光栅的散射，不同波长的光以不同角度入射至第二片光栅，衍射角的差值得到二次扩大，这样能够在不扩大空间尺寸的前提下，提高系统的光学分辨率。然后光线从离轴会聚反射镜经柱面镜会聚至探测器阵列。
适用波长：1525nm-1565nm
本申请中的微型光谱仪通过在会聚反射镜和探测器阵列之间增加一个柱面镜来纠正扫描中心波长处的散光，并通过调整柱面镜和图像平面之间的相对角度来抑制宽光谱范围内的散光，提高了图像质量和分辨率。
使用两片衍射光栅，能够在不扩大空间尺寸的前提下，提高系统的光学分辨率。使用带单模尾纤的准直镜，降低设计的复杂性。此外，采用离轴非球面镜的会聚反射镜，聚焦已准直的光束，能够减少球差且校正像场弯曲等离轴像差。
本申请还提供一种光谱检测方法，基于上述技术方案中任一项所述的微型光谱仪实现，
所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置；
所述第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
所述第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
所述柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，所述第三角度值是根据所述柱面镜在矢状视图的物距、所述柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、所述柱面镜的中心厚度、所述准直镜的半径、所述会聚反射镜的半径、所述会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在所述探测阵列上的扩散距离计算得到的；
所述光谱检测方法包括：
光源发出的原始光经过所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的衍射光，使得所述不同波长值的衍射光以对应的入射角入射至所述第二衍射光栅后，经所述会聚反射镜会聚到所述柱面镜后，再会聚到所述探测阵列。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置；
所述第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
所述第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
所述柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，所述第三角度值是根据所述柱面镜在矢状视图的物距、所述柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、所述柱面镜的中心厚度、所述准直镜的半径、所述会聚反射镜的半径、所述会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在所述探测阵列上的扩散距离计算得到的；
光源发出的原始光经过所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的衍射光，使得所述不同波长值的衍射光以对应的入射角入射至所述第二衍射光栅后，经所述会聚反射镜会聚到所述柱面镜后，再会聚到所述探测阵列。
2.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
将衍射波长值、刻痕间距、入射角和光谱级次输入公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，得到所述衍射波长值对应的衍射角；
根据所述衍射角和所述第一角度值，得到所述第二角度值，其中，i是所述入射角，
Figure 815844DEST_PATH_IMAGE002
是所述衍射角，m是所述光谱级次，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是所述衍射波长值。
3.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述第三角度值
Figure 528585DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 124782DEST_PATH_IMAGE006
其中，所述柱面镜相对于矢状焦平面的倾斜角度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
有以下关系式：
tan
Figure 555764DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 387454DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 79335DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 705488DEST_PATH_IMAGE014
是像散，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
是所述柱面镜在矢状视图的物距，
Figure 764711DEST_PATH_IMAGE016
是所述柱面镜在矢状视图的焦距，n是折射率，t是所述柱面镜的中心厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是所述准直镜的半径，
Figure 400092DEST_PATH_IMAGE018
是所述会聚反射镜的半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是所述会聚反射镜的离轴入射角，H是不同波长的衍射光在所述探测阵列的扩散距离。
4.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述准直镜是带单模光纤的非球面准直镜，焦距是18.75mm，有效孔径是5.5mm。
5.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述会聚反射镜是离轴非球面反射镜，其中曲率半径是-113.06mm，离轴角是33度，有效焦距是66.2mm。
6.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述柱面镜的柱面曲率半径是28.670mm，有效焦距是64.568637mm，工作距离是20mm，中心厚度是3mm，倾斜角度是2.443°。
7.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述第一衍射光栅是940.07line/mm，入射角是46.5度，尺寸是24x14x0.675mm。
8.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述第二衍射光栅是940.07line/mm，入射角是46.5度，尺寸是24x14x0.675mm。
9.根据权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，
所述探测阵列的感光面积为12.8mm×0.5mm，像素尺寸是为50μm×500μm，像素个数是256pixels 。
10.一种光谱检测方法，其特征在于，基于权利要求1～9中任一项所述的微型光谱仪实现，
所述微型光谱仪包括准直镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅、会聚反射镜、柱面镜和探测阵列，所述准直镜、所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述会聚反射镜、所述柱面镜和所述探测阵列延光路方向依次设置；
所述第一衍射光栅与水平面的夹角是第一角度值；
所述第二衍射光栅和水平面的夹角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根据所述第一角度值计算得到的；
所述柱面镜与垂轴面的夹角是第三角度值，所述第三角度值是根据所述柱面镜在矢状视图的物距、所述柱面镜在矢状视图的焦距、折射率、所述柱面镜的中心厚度、所述准直镜的半径、所述会聚反射镜的半径、所述会聚反射镜的离轴入射角、像散和不同波长的衍射光在所述探测阵列上的扩散距离计算得到的；
所述光谱检测方法包括：
光源发出的原始光经过所述准直镜后形成平行光，所述平行光经所述第一衍射光栅进行散射后，得到不同波长值的衍射光，使得所述不同波长值的衍射光以对应的入射角入射至所述第二衍射光栅后，经所述会聚反射镜会聚到所述柱面镜后，再会聚到所述探测阵列。
CN202210818666.2A 2022-07-13 2022-07-13 一种微型光谱仪和光谱检测方法 Pending CN115165100A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210818666.2A CN115165100A (zh) 2022-07-13 2022-07-13 一种微型光谱仪和光谱检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210818666.2A CN115165100A (zh) 2022-07-13 2022-07-13 一种微型光谱仪和光谱检测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115165100A true CN115165100A (zh) 2022-10-11

Family

ID=83493742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210818666.2A Pending CN115165100A (zh) 2022-07-13 2022-07-13 一种微型光谱仪和光谱检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115165100A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10024716B2 (en) Field lens corrected three mirror anastigmat spectrograph
CN108738335B (zh) 具有二维光谱的光谱仪
US5801831A (en) Fabry-Perot spectrometer for detecting a spatially varying spectral signature of an extended source
US6552852B2 (en) Catoptric and catadioptric imaging systems
EP3084373B1 (en) Spectrometer for generating a two dimensional spectrum
US6628383B1 (en) Imaging spectrograph for multiorder spectroscopy
FR2883987A1 (fr) Systeme optique de formation d'image a reglage de puissance
US7450230B2 (en) Multi-channel imaging spectrometer
US8965193B1 (en) Mirrored lens for wide field of view and wide spectrum
CN112229516A (zh) 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法
RU2327194C2 (ru) Трехзеркальная оптическая система без экранирования
US9677932B2 (en) Field lens corrected three mirror anastigmat spectrograph
CN110553733B (zh) 光谱仪设备
CN105004421A (zh) 以光栅为分界的成像光谱仪
US6965483B2 (en) Imaging system comprising a concave mirror
CN115165100A (zh) 一种微型光谱仪和光谱检测方法
CN109084895A (zh) 一种用于光学谱段分离的双光栅光谱仪
US7333271B2 (en) Dichroic mangin mirror
WO2022095237A1 (zh) 波数线性色散光学系统的设计方法及成像光谱仪
WO1990002928A1 (en) Imaging spectrometer
KR20160143969A (ko) 평면거울 및 렌즈를 이용한 성능개선 분광기
CN220853866U (zh) 一种体相位全息透射式光栅光谱仪
RU2806167C1 (ru) Объектив светосильный инфракрасный
CN111678598B (zh) 一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统
CN209961682U (zh) 宽谱边缘能量提升装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination