CN1204382C - 多光栅光谱成像仪设计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多光栅光谱成像仪。在传统采用光栅和阵列探测器结合光谱成像仪结构中，受探测器的像素尺寸和数目的限制，难以兼顾光谱覆盖宽度和分辨率的矛盾，因此，仍需采用机械传动控制光栅的办法，限制了光谱检测速度。本发明采用由多个子光栅和多个线阵探测器构成的组合式光栅和探测器系统，无任何光学部件的机械位移，即可实现全光谱的快速检测和分析，具有很高的光谱分辨率和工作可靠性。

Description

多光栅光谱成像仪设计

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种多光栅光谱成像仪设计。

背景技术

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，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收、光反射光谱、红外遥感、光通讯光谱、生物芯片光谱和调制光谱等众多光谱分析仪器的核心光学器件。其中，在近紫外至近红外区，应用最广泛的是光栅型单色仪，这是利用了波动性的光子在光栅上产生衍射的原理。光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米1200条或每毫米1800条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求。光子落在这些细槽上，由于衍射的作用，将引起各光波的振幅和相位发生叠加，反射后的光子便会按能量或波长在空间有规则地排列起来，其关系式为：

dsinθ_m＝mλ+g。    (1)

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。是与光学系统设计有关的常数，(θ_m被定义为反射衍射光方向与光栅法线之间的夹角)。因此，如取m＝1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级衍射光子。在传统光栅单色仪的设计中，固定光子的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，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子。

采用上述结构的光栅单色仪，在实际使用中需要具备控制功能：

1.机械控制光栅转动，实现光栅扫描。

2.置换光栅。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获得最佳的信噪比质量，需要根据所工作的光谱波长区更换光栅。例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，方能较好地满足光谱线精确测量的要求。

3.置换滤色片。由公式(1)可知，在某θ角位置，m＝1的较长波长和m＝2(或更高次)较短波长的衍射光会同时出现。因此，根据实际的波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤光片，将m＝2(或更高次)的高次衍射光滤去，方能满足被检测光子单色性的要求。

在目前大多数商品单色仪结构中，上述三个控制功能(光栅扫描、置换光栅、置换滤色片)均通过独立的机械传动结构进行。[参考文献1.光栅单色仪产品说明书，OrielCorporation，250 Long Beach Blvd.Stratford，CT，06497-0872，USA。参考文献2.光栅单色仪产品说明书，Scientific Measurement Systems，Inc.2527 Foresight CircleJunction，CO 81505-1007，USA。]这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，尤其是置换光栅时，需对系统的波长位置进行重新精确定标和调整，十分费时和麻烦。

为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，可取代单一光子探测器，在较宽的光谱范围对波长进行快速扫描。由于受到由公式(1)所决定的光栅衍射张角结构和探测器尺寸的限制，即使采用面阵式CCD探测器，因其在一维方向有限的像素和尺寸，仍难于用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描。因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤光片，方能实现高质量和高精度的波长扫描[参考文献3.Acton Research Co.USA，SpectroPro300型单色仪]。在上述商品CCD光栅单色仪设计中，其结构模式如下：

光源→光栅G_x→成像镜M_x→探测器D_x

光栅G_x为一块或多块光栅组成，并由步进马达等机械传动机构控制，由光栅出射的衍射光经单个球面反射成像镜M_x，聚焦在面阵式CCD探测器上，形成光谱，实现对波长的分波长区扫描和测量。由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式CCD探测器的优点，限制了光谱测量速度。

另外，当控制光栅转动时，在机械位移极限位置长短波长的两端，需采用专门的限位开关，以防止机械位移过头而对单色仪造成损坏。这也增加了系统设计和结构的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无需任何机械传动机构，系统工作可靠、寿命长的多光栅光谱成像仪。

本发明提出的多光栅光谱成像仪是在上述结构模式基础上，对其缺点进行改进，在本发明中，采用由多块子光栅组合的G_x、组合式柱面镜光学聚焦系统M_x和组合式线阵或面阵探测器D_x，无需任何元件的机械位移和传动机构，光栅固定，其法线方向按应用要求作组合排列，由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被组合式柱面光谱成像镜M_x聚焦，成像在与不同光栅相对应的组合式线阵或面阵探测器D_x上。从而在全光谱区实现波长快速高分辨率成像，可免去设置机械限位开关的需要，从而极其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。其全光谱数据检测分析的速度仅取决于线阵光电探测器的响应时间和后继数据传输、处理的时间，不超过0.01秒，同时全光谱区的分辨率可达0.08nm，这是传统光谱成像仪所不具备的优点。

按公式(1)，可采用多块光栅，每块光栅的槽间距为d，(也可采用不同d的槽间距)，对于一级衍射光，n＝1，不同波长对应的衍射角分布为：

Δλ₁＝λ₂-λ₁＝d(sinθ₂-sinθ₁)

Δλ₂＝λ₃-λ₂＝d(sinθ₃-sinθ₂)

Δλ_n＝λ_n+1-λ_n＝d(sinθ_n+1-sinθ_n)                       (2)

因此，可将n块光栅按n个波长区Δλ₁，Δλ₂……Δλ_n沿垂直于入射面的y方向排列，调整每块光栅的法线方向，使得与每个波长区对应，每块光栅在入射面内(x方向)具有相同的衍射张角范围，即：

      Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_n(Δλ_n)       (3)

式中：Δθ₁＝θ₂-θ₁，Δθ₂＝θ₃-θ₂，…Δθ_n＝θ_n+1-θ_n

      Δθ＝θ₂-θ₁＝θ₃-θ₂＝……＝θ_n+1-θ_n              (4)

入射光经n块光栅衍射，在与入射面垂直方向，可形成n个子波长首尾相连的波长区，构成覆盖λ₁至λ_n+1波长的全波长区。这n个具有相同衍射张角的单色平行光，经焦距为f₁的柱面反射镜M₁沿x方向聚集，将光谱成像在置于焦点f₁上的由n个线阵探测器D组成(或面阵探测器)的焦平面上。线阵探测器的探测像素沿x方向排列。由于M₁的作用是将光谱沿波长分布方向聚焦，在与入射面垂直的y方向无聚集作用，仍保留n个波长区的分布空间，而线阵探测器的像素尺寸在y方向是有限的，仅占很小的比例。为了充分利用n个波长区在y方向的光强分布，采用n个子柱面反射镜M₂，焦距为f₂，(f₂＜f₁)，将它们置于M₁至探测器D的光路中。这n个柱面镜沿y方向作平行排列，其作用是对各分波长区的光沿y方向聚焦，将每个波长区的光聚焦集中在与之对应的线阵探测器上，提高光的被探测效率。采用这种方法，就可免除任何机械传动装置，通过像素数目有限的n个线阵探测器，实现对由nxΔλ构成的全光谱区进行高光谱分辨测量和分析。

根据上述设计方法，本发明的多光栅光谱成像仪的结构模式如下：

光源→光栅Gx→成像镜Mx→探测器Dx

其中，Gx由多块子光栅组成，Mx为组合式柱面光学聚焦系统，Dx为组合式线阵或面阵探测器。光栅固定，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区连接的顺序排列，由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被组合式柱面光谱成像镜M_x聚焦，成像在与不同光栅相对应的组合式线阵或面阵探测器D_x上。

本发明中，光源与光栅Gx之间放置有宽度为0-2mm的可调狭缝S₁，供光源射入，中间还设有平面镜M₄和球面反射镜M₃，使光源经S₁、M₄到M₃，M₃出射光为平行光。

Gx由n块光栅组成，子光栅可以是平面光栅或球面光栅。n可根据实际需要确定。一般可选n＝1-10，例n＝3-8，n＝4-6。每块光栅的槽间距为d，这n块光栅按n个波长区Δλ₁、Δλ₂……Δλ_n沿垂直于入射面的y向排列，每块光栅在入射面内(即x方向)具有相同的衍射张角范围，见式(3)和式(4)。Gx的各子光栅的方位角可调。

成像镜Mx是一个焦距为f₁的柱面反射镜M₁，使从光栅Gx衍射出的光沿X方向聚集。f₁根据实际需要设计确定。探测器Dx由n个线阵探测器或面阵探测器D组成，置于M₁的焦点上。

为了充分利用n个波长区在y方向的光强分布，在M₁至探测器Dx之间，对应设置n个子柱面反射镜M₂，M₂的焦距为f₂，f₂＜f₁，这n个子柱面镜沿y向作平行排列，对各分波长区的光沿y方向聚焦，将每个波长区的光聚焦集中在与之对应的线阵(面阵)探测器上。

另外，在Gx的各子光栅G或子柱面反射镜M₂前设置相应的滤色片，将m＞2的高次衍射光滤去。

本发明由于在全光谱测量中无任何光学部件的机械位移，可实现光谱的高速和高分辨率测量。光谱检测速度仅受线阵探测器响应速度以及后继数据传输和处理速度的线阵限制。具有14-16bit数据动态范围的全光谱测量速度可快于0.01秒。在实现全光谱快速检测的同时，光谱分辨率受到探测器像素密度，焦距和波长分区数的限制。在本实施方案中，光谱的最高分辨率可达0.08nm。采用本设计方法，结合采用更长焦距光学系统，更高密度的线阵和面阵探测器，以及采用更多子光栅作波长分区，可获得更高的光谱分辨率。

采用本方法设计的光谱成像仪可在光通讯领域获得重要应用，实现对通讯光谱的高速高精度分析。本方法也可被推广应用于其他光谱区，如在可见光区，可采用1200线/mm光栅，并采用硅基线阵或面阵探测器。对于m＞2的高次级衍射光，可在相应的子光栅或子柱面反射镜前设置相应的滤色片，将高次衍射光滤去。

附图说明

图1.无机械位移部件的多光栅光谱仪示意图。由光源S出射的光经透镜L聚焦后，通过宽度为0-2mm可调狭缝S₁入射，被平面镜M₄反射到球面镜M₃，成为平行光，入射到由多光栅组成的复合光栅G_x上，调节各子光栅的方位角，使各子衍射光谱区落在相同的衍射张角内，被反射至柱面镜M₁，在入射面内沿波长分布方向对光谱线进行聚焦，成像在相应的组合式多线阵探测器D的焦平面上，组合式柱面镜M₂的作用是分别对各子光谱区的光强在垂直入射面的方向聚焦，使得各子光谱区的光信号更有效地被相对应的线阵探测器(或面阵探测器)接收。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

在传统光栅单色仪结构中，取消原有的光栅机械传动结构。采用500mm焦距的光学系统(即M₁和M₂的焦距为500mm)和5块600线/mm子光栅G(也可按应用要求选取其他槽间距密度光栅和更多的光栅数)，每块光栅的尺寸为20×100mm，光栅与短边平行，组合成的有效光栅面积为100×100mm。将5块光栅沿与入射面垂直的y方向排列，调整各光栅方位角，按公式(3)和(4)，使得在同一衍射张角内，各子波长区的波长分布不同，但波长首尾衔接，构成完整的波长区。该光谱仪的色散特性约为3.0nm/mm，为了在近红外区的光通讯1400-1600nm波长区使用，其全波长的覆盖区约为200nm。在探测器所在光谱成像的焦平面位置，沿波长分布方向(x方向)的总探测覆盖尺寸约为60.0mm。采用5个线阵探测器，每个探测器约覆盖12mm光谱探测区(相当于40nm波长区)。采用512像素的InGaAs线阵红外探测器，波长工作区为700-1700nm，每个像素的尺寸为0.024(H)×0.080(V)mm，构成的探测面约为12.3(H)×0.08(V)mm，其中，H表示为水平x方向，V为垂直y方向。

因此，精确调节每块光栅的方位角，使得其在相同衍射张角内光谱的分布分别为1400-1440nm，1440-1480nm，1480-1520nm，1520-1560nm，1560-1600nm，即每块子光栅的工作光谱区为40纳米，与每组为512像元的InGaAs线阵探测器(共5组，沿入射面垂直的y方向排列)相对应，每个像元所对应的波长分辨率为0.08nm。

入射光进入0-2mm狭缝可调的光谱仪，采用f₁＝500mm焦距的柱面反射镜M₁对光谱沿x方向进行聚集。M₁柱面反射镜的尺寸为100×100mm，接收来自光栅的平行衍射光，将光谱反射后聚焦成像在探测器D的焦平面上。采用5个f₂＝250mm焦距的子柱面反射镜M₂，尺寸都为20×100mm，聚焦面为短边。M₂镜沿短边并行排列，将它们置于M₁和D光路间的位置中间，其作用是对各子光谱区的光强沿y方向聚焦。调节各M₂的方位角，将5个子光谱区的光强分别聚焦在具有一定间隔排列的5个线阵探测器D上。

采用标准气体线光谱光源或具有0.04-0.08nm带宽的标准红外通讯光学滤波片对各探测器像素随波长的分布进行精确定标，拟合成定标曲线，作光谱数据的定量分析使用。

Claims (6)

1、一种多光栅光谱成像仪，具有如下结构模式：光源→光栅Gx→成像镜Mx→探测器Dx，其特征在于Gx由多块光栅组成，Mx为组合式柱面光学聚焦系统，Dx为组合式线阵或面阵探测器，光栅固定，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区域的连接顺序排列，由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被组合式柱面光谱成像镜Mx聚焦，成像在与不同光栅相对应的组合式线阵或面阵探测器Dx上。

2、根据权利要求1所述的多光栅光谱成像仪，其特征在于设Gx的子光栅数为n，这n个子光栅按n个波长区Δλ₁、Δλ₂……Δλ_n沿垂直于入射面的y向排列，每块子光栅在入射面内具有相同的衍射张角范围：

        Δθ₁(Δλ₁)＝Δθ₂(Δλ₂)＝……＝Δθ_n(Δλ_n)            (3)

式中：  Δθ₁＝θ₂-θ₁，Δθ₂＝θ₃-θ₂，…Δθ_n＝θ_n+1-θ_n

        Δλ₁＝λ₂-λ₁，Δλ₂＝λ₃-λ₂，…Δλ_n＝λ_n+1-λ_n

Gx各子光栅的方位角可调，n＝1-10。

3、根据权利要求2所述的多光栅光谱成像仪，其特征在于成像镜Mx是一个焦距为f1的柱面反射镜M₁，探测器Dx由n个探测器D组成，位于M₁的焦点上。

4、根据权利要求3所述的多光栅光谱成像仪，其特征在于在M1与探测器Dx之间对应设置有n个子柱面反射镜M₂，M₂的焦距为f₂，f₂＜f₁，n个子柱面镜沿y向作平行排列，对各分波长区的光沿y方向聚焦，将每个波长区的光聚焦集中到与之对应的探测器上。

5、根据权利要求4所述的多光栅光谱成像仪，其特征在于在Gx的各子光栅G或子柱面反射镜M₂前设置有相应的滤色片，滤去高次衍射光。

6、权利要求1-5之一所述的多光栅光谱成像仪，其特征在于光源与光栅Gx之间设置有宽度为0-2mm可调的狭缝S₁，供光源射入，中间还设有平面镜M₄和球面镜M₃，使光源经S₁、M₄到M₃，M₃出射光为平行光。