CN118032126A

CN118032126A - 立体光谱仪

Info

Publication number: CN118032126A
Application number: CN202410090232.4A
Authority: CN
Inventors: 张达; 方伟
Original assignee: Shanghai Jiguang Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Jiguang Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2024-01-22
Filing date: 2024-01-22
Publication date: 2024-05-14

Abstract

一种立体光谱仪，包括：入光部件，配置为接收并传输探测光束，将所述探测光束引入立体光谱仪内；准直反射镜，接收来自入光部件的探测光束并对其进行准直反射，使得所述探测光束准直为基本平行光束；反射光栅，接收所述基本平行光束并反射，将所述基本平行光束在空间上按波长色散成为多条光束；聚焦反射镜，接收所述多条光束并反射，在所述聚焦反射镜的焦平面上形成分别对应多条光束的多个光斑；以及探测器，设置在聚焦反射镜的焦平面上，配置为接收所述多个光斑并生成电信号，所述准直反射镜的光学面中心、反射光栅的光学面中心以及聚焦反射镜的光学面中心位于第一平面上，入光部件的光学面中心与所述探测器的光学面中心分别位于所述第一平面两侧。

Description

立体光谱仪

技术领域

本公开涉及光谱仪技术领域，具体而言，涉及一种光谱仪。

背景技术

使用普通平面反射光栅作为色散元件的微型光纤光谱仪中，通常采用切尔尼-特纳(Czerny-Turner，以下简称为C-T光路)结构的光谱光路，在微型光纤光谱仪中使用传统的C-T光路有如下不利后果：

典型的微型光纤光谱仪中用的探测器敏感面的纵向高度较小，而弥散的竖条形光斑的高度往往远大于探测器灵敏面的纵向高度，导致相当一部分光照射到非感光区中，不能形成有效信号，导致光谱仪的响应降低，并增加杂散光。

传统的C-T结构光谱光路中，因为准直镜的入射角α和聚焦镜的入射角β由Rosendahl条件所限定，聚焦镜的入射角β的优选值与准直镜的入射角α、光栅入射角i、光栅出射角r有关，而后两者又与光谱仪光谱范围有关。对不同的光谱范围，最优化的β值不同。如果采取不同的β值，会导致聚焦镜和探测器的几何位置发生相应的变化，即同一个光路结构不能适应不同的光谱范围的要求。不同的光谱范围的要求，须设计制造使用不通用的机械位置结构才能满足Rosendahl条件以抵消彗差，即光路结构不通用。

发明内容

本公开一些实施例提供一种立体光谱仪，包括：

入光部件，配置为接收并传输探测光束，将所述探测光束引入立体光谱仪内；

准直反射镜，接收来自入光部件的探测光束并对其进行准直反射，使得所述探测光束准直为基本平行光束；

反射光栅，接收所述基本平行光束并反射，将所述基本平行光束在空间上按波长色散成为多条光束；

聚焦反射镜，接收所述多条光束并反射，在所述聚焦反射镜的焦平面上形成分别对应多条光束的多个光斑；以及

探测器，设置在聚焦反射镜的焦平面上，配置为接收所述多个光斑并生成电信号，

其中，所述准直反射镜的光学面中心、反射光栅的光学面中心以及聚焦反射镜的光学面中心位于第一平面上，所述入光部件的光学面中心与所述探测器的光学面中心分别位于所述第一平面两侧。

可选地，以所述反射光栅的光学面中心为原点构建三维坐标系，所述反射光栅的光学面的法线方向在x＝0的平面内，与Z轴正方向的夹角为i，其中i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角；

所述准直反射镜的光学面为球面，所述准直反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角为a；

所述聚焦反射镜的光学面为球面，所述聚焦反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角为a，与y＝0平面的夹角为r-i，其中r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角；

所述入光部件的光学面的法线方向与x＝0平面的夹角为2a，并与y＝0平面平行；以及

所述探测器的光学面的法线方向与x＝0平面的夹角为2a，与y＝0平面的夹角为r-i。

可选地，反射光栅的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0，tla＝i，tlb＝0，tlc＝0)；

准直反射镜的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0.843*f，tla＝0，tlb＝a,tlc＝0)；

聚焦反射镜的位置及形态表示为(x＝0,y＝0.843*f*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i),tla＝r-i，tlb＝-a,tlc＝0)；

入光部件的位置表示为(x＝-f/cos(a)*cos(2*a),y＝0,z＝0.843*f-f/cos(a)*cos(2*a),tla＝0,tlb＝2*a,tlc＝0)；以及

探测器的位置及形态表示为(x＝f/cos(a)*sin(2*a),y＝0.843*f*sin(r-i)-(f/cos(a)*cos(2*a))*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i)-(f/cos(a)*cos(2*a))*cos(r-i)，tla＝r-i，tlb＝-2*a，tlc＝0)，

其中，x，y，z表示各光学组件的光学面中心在所述三维坐标系中的位置，tla表示各光学组件相对于以其光学面中心为原点的辅助坐标系的第一辅助轴逆时针偏转的角度，tlb表示各光学组件相对于以其光学面中心为原点的辅助坐标系的第二辅助轴逆时针偏转的角度，tlc表示各光学组件相对于以其光学面中心为原点的辅助坐标系的第三辅助轴顺时针偏转的角度，

所述三维坐标系包括第一坐标轴、第二坐标轴以及第三坐标轴，所述各光学组件相对于以其光学面中心为原点的辅助坐标系第一辅助轴、第二辅助轴以及第三辅助轴分别与所述第一坐标轴、第二坐标轴以及第三坐标轴平行，

i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的学光学面上的出射角，f表示所述聚焦反射镜的焦距，所述聚焦反射镜的光学面为球面，a表示所述聚焦反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角。

可选地，i，r满足以下公式：

其中，λ是所述基本平行光束中中心波长主光束的波长，以nm为单位；i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角，n表示衍射级次，lp表示光栅的条纹间距。

可选地，3°≤a≤10°，

3°≤i≤30°。

可选地，所述准直反射镜的光学面为球面，所述准直反射镜的焦距等于所述聚焦反射镜的焦距。

可选地，所述探测器的光学面成长条形，所述探测器的光学面的宽度范围为0.1mm至1.0mm。

可选地，所述探测器包括条形光电探测器。

可选地，所述入光部件包括光纤，所述入光部件的光学面为光纤的出光面。

可选地，所述入光部件还包括狭缝，设置在光纤出光面处。

相对于相关技术，本公开的实施例至少具有以下技术效果：

本公开提供的立体光谱仪，采用了立体光路结构，准直反射镜的光学面中心、反射光栅的光学面中心以及聚焦反射镜的光学面中心位于第一平面上，所述入光部件的光学面中心与所述探测器的光学面中心分别位于所述第一平面两侧，不同波长光线的色散的方向与准直反射镜偏转的方向以及聚焦反射镜偏转的方向均是垂直的，由聚焦反射镜反射的主光线正好通过聚焦反射镜的球心，像散只是由聚焦反射镜的倾斜所引起，且探测器的纵向高度小，其中心位置可以距离反射光栅的中心较近，由此可以获得探测光束的小像散的有利效果，提高探测光束的利用率。

准直反射镜和聚焦反射镜的慧差抵消条件不再是Rosendahl条件，仅与准直反射镜和聚焦反射镜的焦距有关，而与光栅入射角i、光栅出射角r无关，也就是与光谱范围无关，不同光谱范围的光谱仪可以使用同样的几何关系(也就是共用一样的机械结构)，也就是说，一种的机械结构(立体光谱仪结构)可以适配多种光谱范围的测量需求的光路。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本公开的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为相关技术中C-T结构的光谱光路示意图；

图2为相关技术中C-T结构的光谱光路的探测器处接收到的长条形光斑示意图；

图3为本公开一些实施例提供的立体光谱仪的结构示意图；

图4为本公开一些实施例提供的立体光谱仪中的反射光栅的光路图；

图5为本公开一些实施例提供的立体光谱仪的光谱光路的探测器处接收到的长条形光斑示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

相关技术中，使用普通平面反射光栅作为色散元件的微型光纤光谱仪中，通常采用切尔尼-特纳(Czerny-Turner，以下简称为C-T)结构的光谱光路，图1为相关技术中C-T结构的光谱光路示意图。

如图1所示，入射光例如经过光纤导入，其可以为点状光斑，亦可以为窄长条光斑，。这个光斑传播形成的光束入射至准直镜11，被准直镜11，例如为一个球面反射镜反射，其被准直为接基本平行光的光束，随后该光束入射至平面反射光栅12并被平面反射光栅12反射和色散。经过色散的出射光束的反射角r取决于入射角i、光栅线对数lp和光的波长λ。经过色散的光入射至聚焦镜13，例如为另一个球面反射镜，被聚焦镜13反射会聚到探测器14的感光面上，不同波长的光在平面反射光栅处的反射角r不同，导致不同波长的光投射到探测器感光面上的不同空间位置。

在C-T结构光谱光路中，狭缝的几何中心，两个球面反射镜(准直镜11与聚焦镜13)的球面中心，平面反射光栅12的反射面的几何中心和探测器14感光面的中心位置共面(在同一个平面内)。一般组成微型光纤光谱仪光路中的两个球面反射镜的焦距较小(一般在150mm以内)，平面反射光栅12的面积也较小(一般在30mm以内)。因此，对微型光纤光谱仪来说，造成主要影响的像差主要包括像散(astigmatism)、场曲(field curvature)和彗差。一般微型光纤光谱仪光路中的球差(spherical aberration)的影响较小，畸变可以通过非线性的波长校准解决。

在C-T结构光谱光路中，两个球面反射镜在光栅法线两侧，它们所引起的彗差可以在相当程度上被抵消，如果满足Rosendahl条件(G.R.Rosendahl,J.Opt.Soc.Am.,52(1962),412.):

则对一个波长的光的彗差被完全抵消，其余波长处的彗差一般也会被显著地减小。上式中α和β分别表示主光线在准直镜11和聚焦镜13上的入射角，i和r分别表示主光线在平面反射光栅12上的入射角和反射角。

综上所示，对微型光纤光谱仪来说，使用Rosendahl条件后，剩余的影响最大的像差是像散和场曲。像散和场曲所造成的典型效果是形成长条形的光斑，即如果入射的光纤的芯径很小，以至于光纤的光斑光学面可以近似为一个点光源的话，在探测器平面上形成的光斑并不是一个点(理想情况下应该是一个点)，而是一个窄长条状光斑，如图2所示。

图2为相关技术中C-T结构的光谱光路的探测器处接收到的长条形光斑示意图，其中不同的窄长条的线状光斑对应不同的波长的光线。

图2中示出了光线追迹的结果，以入射光为点光斑为例，如果从光纤入射光谱仪的光有三种波长(500nm、600nm以及700nm)，在探测器平面上会形成三个竖条形光斑，光斑的宽度远小于其高度。在上图中，左侧光斑的全高度接近1mm，右侧光斑的全高度也有约0.6mm。

上述竖条形光斑的高度与两个球面反射镜的焦距以及光束入射到这两个球面反射镜的入射角有关，如果采用三级像差的近似，竖条形光斑的高度可以表示为：

其中，h_ray是光束在聚焦镜上的高度(近似等于光栅的高度)，f₂是聚焦镜的焦距，f₁是准直镜的焦距，α和β分别是主光线在准直镜和聚焦镜上的入射角，i和r分别是主光线在光栅上的入射角和反射角。其中h_ray、f₁、f₂、i、r受光谱仪的分辨率，光谱范围，光栅的线对数所限制，往往不易改动。为了减小彗差，一般通过改变主光线在准直镜入射角α和主光线聚焦镜上的入射角β来实现，令其这满足Rosendahl条件(公式2)。

但是这两个值会受到结构的限制。其中，β是聚焦镜的入射角(也就是反射角)，对传统的CT结构光谱光路来说，为了要避免探测器14和平面反射光栅12在结构上干涉，β有结构上的限制，即平面反射光栅12的中心与探测器14的中心之间的距离D(如图1所示)大于平面反射光栅12及探测器14长度和的一半。

另外，由于微型光纤光谱仪所用的探测器一般为长条形(如图1所示)，长度方向L为色散方向，而α与β又通过Rosendahl条件相关联。因此，如果在结构上限制了距离D的最小值，会限制α与β的取值范围，进而导致不能进一步地降低竖条形光斑的高度。

当入射光的光斑为窄长条光斑时，其可以通过狭缝做空间滤波，截取圆形光纤芯径的光斑中心部分而形成，窄长条光斑的延伸方向例如垂直图1中的纸面，与像散和场曲形成的成像后竖条形光斑方向相同，其可以看做是多个点光斑经过像散和场曲形成的成像后竖条形光斑的叠加。

综上所述，对于微型光纤光谱仪，传统的C-T结构光谱光路有如下不利后果：

相关技术中的微型光纤光谱仪中用的探测器敏感面的纵向高度(宽度)通常较小，例如为0.2mm，而弥散的竖条形光斑的高度往往远大于探测器灵敏面的纵向高度，导致有一些光照射到非感光区中。例如，图2中左侧的光斑高度为接近1mm，只有中心附近的0.2mm会照射到敏感面上，剩余的接近0.8mm会照射到非感光区上，不能形成光电流，这会导致光谱仪的响应降低，并增加杂散光。

相关技术中，CT结构光谱光路中，因为准直镜的入射角α和聚焦镜的入射角β由Rosendahl条件所限定，聚焦镜的入射角β的优选值与准直镜的入射角α、光栅入射角i、光栅出射角r有关，而后两者又与光谱仪光谱范围有关。对不同的光谱范围，最优化的β值不同。如果采取不同的β值，会导致聚焦镜和探测器的几何位置发生相应的变化，也就是说，同一个光路结构不能适应不同的光谱范围的要求----同一个几何结构在一个光谱范围内满足了Rosendahl条件，则在另一个光谱范围时一般不满足Rosendahl条件，即同一个光路结构不能适应不同的光谱范围的要求。不同的光谱范围的要求，须设计制造使用不通用的机械位置结构才能满足Rosendahl条件以抵消彗差，即光路结构不通用。

为了克服上述问题，本公开提供一种立体光谱仪，包括：入光部件，配置为接收并传输探测光束，将所述探测光束引入光谱仪内；准直反射镜，接收来自入光部件的探测光束并对其进行准直反射，使得所述探测光束准直为基本平行光束；反射光栅，接收所述基本平行光束并反射，将所述基本平行光束在空间上按波长色散成为多条光束；聚焦反射镜，接收所述多条光束并反射，在所述聚焦反射镜的焦平面上形成分别对应多条光束的多个光斑；以及探测器，设置在聚焦反射镜的焦平面上，配置为接收成像的多个光斑并生成电信号，其中，所述准直反射镜的光学面中心、反射光栅的光学面中心以及聚焦反射镜的光学面中心位于第一平面上，所述入光部件的光学面中心与所述探测器的光学面中心分别位于所述第一平面两侧。

本公开采用的立体光谱仪中，不同波长光线的色散的方向与准直反射镜偏转的方向以及聚焦反射镜偏转的方向均是垂直的，由聚焦反射镜反射的主光线正好通过聚焦反射镜的球心，对其的像散只是由聚焦反射镜的倾斜所引起，且探测器的纵向高度小，其中心位置可以距离反射光栅的中心较近，由此可以获得探测光束的小像散的有利效果，提高探测光束的利用率。

准直反射镜和聚焦反射镜的慧差抵消条件不再是Rosendahl条件，仅与准直反射镜和聚焦反射镜的焦距有关，而与光栅入射角i、光栅出射角r无关，也就是与光谱范围无关，不同光谱范围的光谱仪可以使用同样的几何关系(也就是共用一样的机械结构)，也就是说，一种的机械结构(立体光谱仪结构)可以适配多种光谱范围的测量需求的光路

以下对本公开中的光谱仪进行具体介绍。

图3为本公开一些实施例提供的立体光谱仪的结构示意图，图3为立体结构示意图。如图3所示，本公开一种立体光谱仪20，立体光谱仪20包括入光部件25，准直反射镜21、反射光栅22、聚焦反射镜23以及探测器24。

入光部件25配置为接收并传输探测光束，将所述探测光束引入立体光谱仪内；探测光束例如为外界光源发射，或者由外界物体反射，入光部件25输出的探测光束例如为狭缝光束。

准直反射镜21接收来自入光部件25的探测光束并对其进行准直反射，使得所述探测光束准直为基本平行光束，准直反射镜21例如为一球面反射镜，所述入光部件25的出射端例如设置在准直反射镜21的焦平面内。

反射光栅22接收所述基本平行光束并反射，将所述基本平行光束在空间上按波长色散成为多条光束，反射光栅22例如为平面反射光栅。

图4为本公开一些实施例提供的立体光谱仪中的反射光栅的光路图。如图4所示，光在反射光栅22上的入射角i和反射角r满足如下光栅方程：

其中，λ是入射至反射光栅22上的光的波长，以nm为单位；i和r分别是入射至反射光栅22上的光在反射光栅22处的入射角和反射角，单位是弧度；n表示衍射级次，对微型光纤光谱仪来说，一般是1或者-1，即取一级衍射；lp表示光栅的条纹间距，以μm为单位

聚焦反射镜23接收所述多条光束并反射，在所述聚焦反射镜的焦平面上形成分别对应多条光束的多个光斑，聚焦反射镜23例如为另一球面反射镜。

探测器24设置在聚焦反射镜23的焦平面上，配置为接收成像的多条光束对应的多个光斑并生成电信号，探测器24例如为光电探测器，其感光面接收多个光斑，探测器24将接收得到的光信号转化为电信号。基于探测器22生成的电信号，可以确定探测光束中各波长光束的强度分布。

如图3所示，所述准直反射镜21的光学面中心、反射光栅22的光学面中心以及聚焦反射镜23的光学面中心位于第一平面上，所述入光部件25的光学面中心与所述探测器24的光学面中心分别位于所述第一平面两侧。本文中所说的光学面指的是光器件入光面或出光面，光学面中心指的是光器件入光面或出光面的中心，对于准直反射镜21来说，其反射面作为光学面，反射面中心作为光学面中心；对于反射光栅22来说，其反射面作为光学面，反射面中心作为光学面中心；对于聚集反射镜23来说，其反射面作为光学面，反射面中心作为光学面中心；对于探测器24来说，其接受光束的感光面作为光学面，感光面中心作为光学面中心；对于入光部件25来说，其出光面作为光学面，出光面中心作为光学面中心。

在一些实施例中，如图3所示，以所述反射光栅22的光学面中心为原点构建三维坐标系，所述反射光栅22的光学面的法线方向在x＝0的平面内，与Z轴正方向的夹角为i，其中i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅22的光学面上的入射角；所述准直反射镜的光学面为球面，所述准直反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角为a弧度；所述聚焦反射镜的光学面为球面，所述聚焦反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角为a弧度，与y＝0平面的夹角为r-i弧度，其中r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角；所述入光部件的光学面的法线方向与x＝0平面的夹角为2a弧度，并与y＝0平面平行；以及所述探测器的光学面的法线方向与x＝0平面的夹角为2a弧度，与y＝0平面的夹角为r-i弧度。

具体地，在一些实施例中，反射光栅22的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0，tla＝i，tlb＝0，tlc＝0)；准直反射镜21的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0.843*f，tla＝0，tlb＝a,tlc＝0)；聚焦反射镜23的位置及形态表示为(x＝0,y＝0.843*f*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i),tla＝r-i，tlb＝-a,tlc＝0)；入光部件25的位置及形态表示为(x＝-f/cos(a)*cos(2*a),y＝0,z＝0.843*f-f/cos(a)*cos(2*a),tla＝0,tlb＝2*a,tlc＝0)；以及探测器24的位置及形态表示为(x＝

f/cos(a)*sin(2*a),y＝0.843*f*sin(r-i)-(f/cos(a)*cos(2*a))

*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i)-(f/cos(a)*cos(2*a))*cos(r-i)，tla＝r-i，tlb＝-2*a，tlc＝0)，

i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角，f表示所述聚焦反射镜的焦距，所述聚焦反射镜的光学面为球面，a为所述聚焦反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角。

具体地，如图3所示，三维坐标系的第一坐标轴、第二坐标轴以及第三坐标轴分别为X轴、Y轴和Z轴，X轴沿竖直方向延伸，Y轴和Z轴均位于水平方向上，且两者相互垂直。

反射光栅22的光学面中心，即反射光栅22的光学面中心在三维坐标系中的位置为(x＝0,y＝0,z＝0)，即反射光栅22的光学面中心位于三维坐标系的原点处。以反射光栅22的光学面中心为原点作辅助坐标系，辅助坐标系的三个坐标轴分别为X’轴，Y’轴和Z’轴，分布平行于三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴。本实施例中，反射光栅22对应的辅助坐标系的X’轴，Y’轴和Z’轴分别与三维坐标系X轴、Y轴和Z轴重合。反射光栅22的形态为(tla＝i，tlb＝0，tlc＝0),也就是说，反射光栅22的光学面，即衍射面，自初始位置相对于反射光栅22对应的辅助坐标系的X’轴逆时针偏转了i弧度，i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角。反射光栅22的光学面的初始位置在反射光栅22对应的辅助坐标系中在z’＝0平面内，且反射光栅22的光学面中心位于反射光栅22对应的辅助坐标系的原点处。

准直反射镜21的光学面中心，即反射面中心在三维坐标系中的位置为(x＝0,y＝0,z＝0.843*f)，即准直反射镜21的光学面中心位于三维坐标系的Z轴上0.843*f处，f表示所述聚焦反射镜的焦距。以准直反射镜21的光学面中心为原点作辅助坐标系，辅助坐标系的三个坐标轴分别为X’轴，Y’轴和Z’轴，分布平行于三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴。准直反射镜21的形态为(tla＝0，tlb＝a,tlc＝0),也就是说，准直反射镜21的光学面，即反射面，自初始位置相对于准直反射镜21对应的辅助坐标系的Y’轴逆时针偏转了a弧度，a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角。准直反射镜21的光学面的初始位置在准直反射镜21对应的辅助坐标系中在z’＝0平面内，且准直反射镜21的光学面中心位于准直反射镜21对应的辅助坐标系的原点处。

聚焦反射镜23的光学面中心，即反射面中心在三维坐标系中的位置为(x＝0,y＝0.843*f*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i))，即聚焦反射镜23的光学面中心位于三维坐标系的x＝0平面内，f表示所述聚焦反射镜的焦距，i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角。以聚焦反射镜23的光学面中心为原点作辅助坐标系，辅助坐标系的三个坐标轴分别为X’轴，Y’轴和Z’轴，分布平行于三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴。聚焦反射镜23的形态为(tla＝r-i，tlb＝-a,tlc＝0),也就是说，聚焦反射镜23的光学面，即反射面，自初始位置相对于聚焦反射镜23对应的辅助坐标系的X’轴逆时针偏转了r-i弧度，相对于Y’轴顺时针偏转了a弧度，a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角。聚焦反射镜23的光学面的初始位置在聚焦反射镜23对应的辅助坐标系中在z’＝0平面内，且聚焦反射镜23的光学面中心位于聚焦反射镜23对应的辅助坐标系的原点处。

入光部件25的光学面中心，即出光面中心在三维坐标系中的位置为(x＝-f/cos(a)*cos(2*a),y＝0,z＝0.85*f-f/cos(a)*cos(2*a))，即聚焦反射镜23的光学面中心位于三维坐标系的y＝0平面内，f表示所述聚焦反射镜的焦距，a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角。以入光部件25的光学面中心为原点作辅助坐标系，辅助坐标系的三个坐标轴分别为X’轴，Y’轴和Z’轴，分布平行于三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴。入光部件25的形态为(tla＝0,tlb＝2*a,tlc＝0),也就是说，入光部件25的光学面，即出光面，自初始位置相对于入光部件25对应的辅助坐标系的Y’轴逆时针偏转了2a弧度，a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角。入光部件25的光学面的初始位置在入光部件25对应的辅助坐标系中在z’＝0平面内，且入光部件25的光学面中心位于入光部件25对应的辅助坐标系的原点处。

探测器24的光学面中心，即感光面中心在三维坐标系中的位置为(x＝f/cos(a)*sin(2*a),y＝0.843*f*sin(r-i)-

(f/cos(a)*cos(2*a))*sin(r-i),z＝0.843*f*cos(r-i)-

(f/cos(a)*cos(2*a))*cos(r-i))，f表示所述聚焦反射镜的焦距，

a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角，i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角。以探测器24的光学面中心为原点作辅助坐标系，辅助坐标系的三个坐标轴分别为X’轴，Y’轴和Z’轴，分布平行于三维坐标系的X轴、Y轴和Z轴。探测器24的形态为(tla＝r-i，tlb＝-2*a，tlc＝0),也就是说，探测器24的光学面，即感光面，自初始位置相对于探测器24对应的辅助坐标系的X’轴逆时针偏转了r-i弧度，i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角，r表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的出射角，相对于Y’轴逆时针偏转了2a弧度，a表示所述聚焦反射镜23的光学面中心与球心的连线与三维坐标系中x＝0平面的夹角。探测器24的光学面的初始位置在探测器24对应的辅助坐标系中在z’＝0平面内，且探测器24的光学面中心位于探测器24对应的辅助坐标系的原点处。

在一些实施例中，所述夹角a的取值范围例如为3°≤a≤10°，入射角i的取值范围例如为3°≤i≤30°入射角i和反射角r满足式(3)的光栅方程，反射角r的取值范围与入射角的取值范围相关。

在一些实施例中，所述准直反射镜21的光学面为球面，所述准直反射镜21的焦距等于所述聚焦反射镜23的焦距。

采用上述实施例中的立体光谱仪的优点在于，不同波长光的色散的方向(即平行于x＝0平面的方向)，与准直反射镜21偏转的方向以及聚焦反射镜23偏转的方向是垂直的，因此会带来两个变化：

由色散所引起的光束角度偏转(在x＝0平面内)与准直反射镜21倾斜所引起的光束角度偏转(垂直于x＝0平面)垂直；同时，由色散所引起角度偏转(在x＝0平面内)也与聚焦发射镜23倾斜所引起的光束角度偏转(垂直于x＝0平面)相互垂直。由聚焦反射镜反射的主光线来说，因为从俯视方向来看，此光线正好通过聚焦反射镜的球心，因此根据三级像差理论，对此光束，像散只是由聚焦反射镜的倾斜所引起。而因为探测器的纵向高度较小(横向是色散方向，探测器的长边沿横向放置，短边沿纵向放置)，探测器的中心位置可以距离反射光栅中心较近，这又意味着聚焦反射镜的偏转角度a可以取较小的值。考虑到聚焦反射镜所引起的三阶像差中的像散与聚焦反射镜的偏转角度的平方成正比，这最终会导致小像散的有利效果。

准直反射镜和聚焦反射镜的彗差的抵消条件不再是Rosendahl条件。在三级像差近似下，抵消彗差的条件与反射光栅22上的入射角i和反射角r无关的，仅与两个球面反射镜的焦距有关。如果两个球面反射镜的焦距相等，彗差抵消的条件变为两个反射镜球面中心与球心的连线与x＝0的平面夹角相等，即都等于上节中描述的a弧度。又因为彗差抵消的条件与i和r无关，也就是与光谱范围无关，不同光谱范围的光谱仪可以使用同样的几何关系(也就是共用一样的立体光路结构)，也就是说，一种的立体光路结构可以适配多种光谱范围的测量需求的光路。

在一具体实例中，所述聚焦反射镜的焦距f＝100mm，聚焦反射镜的光学面中心与球心的连线与x＝0平面的夹角a＝5°，反射光栅的线对数为300mm^-1，反射光栅处的入射角i＝5°，根据式(3)的光栅方程，可以确定对于中心波长为600nm的光束，一级衍射的衍射光的出射角度(反射光栅处的反射角)r＝15.5°。

反射光栅22的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0，tla＝5°，tlb＝0，tlc＝0)；准直反射镜21的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝84.3mm，tla＝0，tlb＝5°,tlc＝0)；聚焦反射镜23的位置及形态表示为(x＝0,y＝29.516mm,z＝78.964mm),tla＝10.5°，tlb＝-5°,tlc＝0)；入光部件25的位置表示为(x＝-17.431mm，y＝0，z＝-14.557mm,tla＝0,tlb＝10°,tlc＝0)；以及探测器24的位置及形态表示为(x＝17.431mm，y＝-5.097mm,z＝-13.636mm，tla＝10.5°，tlb＝-10°，tlc＝0)。

准直反射镜21的球面中心与球心连线与x＝0平面的夹角为5°，聚焦反射23镜球面中心与球心连线与x＝0平面的夹角为5°，入光部件25出光面的法线方向与x＝0平面的夹角为10°，探测器24感光面的法线方向与x＝0平面的夹角为10°，反射光栅22衍射面的法线方向平行于x＝0平面。

图5为本公开一些实施例提供的立体光谱仪的光谱光路的探测器处接收到的长条形光斑示意图，其中不同的线状光斑对应不同的波长的光线。图5中示出了光线追迹的结果。如果入光部件的出光面非常小，以至于入光部件的出光面可以近似为一个点光源的话，类比于相关技术中的图2，若使用立体光路的光谱仪，探测光束在探测器感光面上形成的光斑也不是一个点，而是一个长条光斑。入射到立体光谱仪的光是500nm、600nm和700nm三个波长的光，与图2对比，使用立体光路立体光谱仪的光斑的高度约为0.3mm，仅有图2中传统CT光路中光斑高度的大约30％，缩小了近70％。如果探测器感光面的纵向高度仍为0.2mm，对于立体光路，因为光斑高度较小，只会浪费了大约1/3的光。也就是说，使用立体光路的光谱仪的光效率较高。

在一些实施例中，所述探测器的光学面成长条形，所述探测器的光学面的高度范围为0.1mm至1.0mm。

在一些实施例中，所述探测器包括条形光电探测器，例如为线阵CMOS或者CCD传感器。

在一些实施例中，所述入光部件包括光纤，所述入光部件的光学面为光纤的出光面。

在一些实施例中，所述入光部件还包括狭缝，设置在光纤出光面处，通过狭缝对光纤输出的探测光做空间滤波，截取圆形光纤芯径的光斑中心部分，形成窄长条形光斑。具体地，当图3中入射光的光斑为窄长条光斑时，其可以通过狭缝做空间滤波，截取圆形光纤芯径的光斑中心部分而形成，窄长条光斑的延伸方向例如延X方向延伸，与像散和场曲形成的成像后竖条形光斑方向相同，窄长条光斑在探测器感光面上的光强分布可以看做是构成窄长条光斑的多个点光斑经过像散和场曲形成的成像后竖条形光斑的叠加。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种立体光谱仪，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的立体光谱仪，其中，以所述反射光栅的光学面中心为原点构建三维坐标系，所述反射光栅的光学面的法线方向在x＝0的平面内，与Z轴正方向的夹角为i，其中i表示所述基本平行光束中中心波长主光束在所述反射光栅的光学面上的入射角；

3.根据权利要求2所述的立体光谱仪，其中，

反射光栅的位置及形态表示为(x＝0,y＝0,z＝0，tla＝i，tlb＝0，tlc＝0)；

4.根据权利要求2或3所述的立体光谱仪，其中i，r满足以下公式：

5.根据权利要求4的所述的立体光谱仪，其中3°≤a≤10°，

3°≤i≤30°。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的立体光谱仪，其中，所述准直反射镜的光学面为球面，所述准直反射镜的焦距等于所述聚焦反射镜的焦距。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的立体光谱仪，其中，

所述探测器的光学面成长条形，所述探测器的光学面的宽度范围为0.1mm至1.0mm。

8.根据权利要求7所述的立体光谱仪，其中，

所述探测器包括条形光电探测器。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的立体光谱仪，其中，所述入光部件包括光纤，所述入光部件的光学面为光纤的出光面。

10.根据权利要求9所述的立体光谱仪，其中，所述入光部件还包括狭缝，设置在光纤出光面处。