CN1719231A - 光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅光谱仪，按照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光谱仪包括：一光源；一准直透镜，使来自光源的光束平行；一光栅，接收并使光束色散；一聚焦透镜，聚焦上述色散光束，形成衍射光谱；一非球面透镜，对上述衍射光谱进行分离；一数字微镜设备，具有多个反射镜片，反射上述衍射光谱；一色转轮，合成上述衍射光谱图；一投影镜头；和一显示屏幕。本发明的光栅光谱仪由于采用数字微镜设备，无须将光信号转换为电信号而可直接获得较大光谱响应波长范围的光谱讯息。

Description

光栅光谱仪

【技术领域】

本发明涉及一种光栅光谱仪。

【背景技术】

光谱技术是一项融合光学、光谱学、精密机械、电子技术以及计算机技术于一体的高新科技，其能够获得被测目标的空间维和光谱维的丰富讯息，因此在航空航天遥感、科学实验、工业、农业、地质、海洋、安全等方面具有极其重要的应用价值，被誉为光学仪器发展史中的一次大飞跃。

光谱仪为光谱分析研究的必备仪器。光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对原子的光谱研究。通过光谱研究，可得到所有物质中所含元素的组分和原子内部能级结构以及相互作用等方面的讯息。

光谱仪为获得物质的连续光谱讯息的光学仪器。任何光谱仪都是由准直系统、色散系统和接收系统三部份组成，光栅光谱仪的色散系统由光栅元件组成。

如图1所示，1991年4月《光谱学与光谱分析》杂志发表一篇题目为《多道光谱仪发展的新动向——中阶梯光栅光谱仪》的文章，其揭露一种光栅光谱仪，依照光路经过光谱仪各元件的次序，该光栅光谱仪包括：一光源1，一入射狭缝板2，一准直透镜3，一光栅4，一非球面透镜5，一平面镜6，出射狭缝板7，一光探测器8和一成像装置9。

光谱仪的工作流程：光源1发出光线，经入射狭缝板2，再经准直透镜3形成平行光束，直接落在光栅4上，分光后再通过一面为平面，另一面为曲面的非球面透镜5，进行谱级分离，并将二维光谱经过平面镜6反射成像在焦面上，在焦面上设置具有多个出射孔的出射狭缝板7，穿过出射孔的谱线被出射狭缝板7后的反光镜(图未示)反射在光探测器8上，再由光探测器8对谱线进行光谱分析，最后由成像装置9输出。

光栅光谱仪采用的光探测器有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)等，目前，主要使用光电倍增管和CCD进行光谱分析。

传统的光谱分析方法为采用光电倍增管等光电探测器件测出其出射狭缝处透过的各个波长的强度。由于光电倍增管只能记录出射狭缝处的积分光强，而且一次只能测一个波长点的资料，因而需要精密的机械装置与之配合才能带动机械扫描装置完成整个波段的测量，也就不能同时(或极短时间内)得到整个光谱的信息、无法同时探测光强不断变化的光谱。

20世纪60年代，CCD应用于光谱仪进行光谱分析。CCD的工作原理：当CCD受到光照后，各个CCD单元内储存的电荷量与其曝光量成正比；若给它施加特定时序的脉冲，其内部单元储存的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描，进而将由光照感生的电荷依次传送出去。由于CCD的结构特点，利用它作为光谱仪的光探测器，可以同时采集一定波长范围内光谱中各个波长点的资料；若同时将其输出的电脉冲信号经数-模(A/D)变换后串行输入计算机，可由计算机对光谱讯息进行采集、分析和处理，并在计算机的显示屏显示出光谱的光强分布图，进而实现光谱的快速分析。

但是，采用光电倍增管或CCD作为光探测器的光栅光谱仪，需将光信号转换为电信号，再由计算机等设备将电信号等光谱讯息进行后续处理，由于受光电倍增管或CCD需将光信号转换为电信号的影响，一般光电倍增管或CCD只能响应200～1100nm光谱波长范围内的较短波长范围，不能同时满足针对较大光谱波长范围采集光谱波长点的资料。

所以，提供一种具有较大光谱响应波长范围的光栅光谱仪实为必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有较大光谱响应波长范围的光栅光谱仪。

为实现本发明目的，本发明提供一种光栅光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光栅光谱仪包括：一光源；一准直透镜，使来自光源的光束平行；一光栅，接收并使光束色散；一聚焦透镜，聚焦上述色散光束，形成衍射光谱；一反射镜；一非球面透镜，对上述衍射光谱进行分离；一数字微镜设备，具有多个反射镜片，反射上述衍射光谱；一色转轮，合成上述衍射光谱图；一投影镜头；和一显示屏幕。

与现有技术相较，本发明的光栅光谱仪采用数字微镜设备，由于数字微镜设备的微芯片上有非常微小的可动反射镜阵列，并根据电压控制其镜片角度，反射出光谱线，再经过色转轮合成色彩和通过投影镜头于显示屏幕输出光谱像图。由于数字微镜设备和色转轮将光信号直接转换光谱像图，无须将光信号转为电信号而受光电倍增管和CCD等器件只能响应较短光谱波长的影响，使本发明的光栅光谱仪具有较大光谱响应波长范围。

【附图说明】

图1是现有技术的光栅光谱仪的光路示意图。

图2是本发明的光栅光谱仪的光路示意图。

图3是本发明光栅光谱仪的数字微镜设备的反射镜片结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图2，本发明的光栅光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光栅光谱仪包括：一光源20，一入射狭缝板21，一准直透镜22，一光栅23，一聚焦透镜24，一反射镜25，一非球面透镜26，一出射狭缝板27，一数字微镜设备28，一色转轮29，一投影镜头30和一显示屏幕31。

光源20可选用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)光源，该光源具有稳定性好，激发温度高，线性范围广和化学干扰少等优点，另外，也可选择激光光源等。

准直透镜22的主要作用是将光源20发出的光线进行收集、准直和减少杂散光。在目标很远时即认为到达光谱仪的光束为平行光束时，可将准直透镜22去掉，让光线直接进入光栅23。

光栅23是一种相位型光学元件，其一接收光表面具有细微刻槽结构，另一出光表面为平整表面。光栅23利用表面厚度变化的刻槽结构来调制入射光线，使得最后在焦平面能得到光谱分布。光栅23的刻槽结构用以消除彗星像差与耀光，尽量矫正相面弯曲和歪曲像差。

经准直透镜22入射的光束为一束平行光，平行光束入射到光栅23的刻槽表面时，将发生衍射。衍射时，遵循光栅方程：dsinθ＝kλ(k＝0，±1，±2)，式中d为光栅常数，λ为入射光波长，k为衍射级次，θ为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一k级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的k级主最大，在光栅的衍射图样中都是细亮线。当含有许多波长成分的复合光入射于光栅表面时，在聚焦透镜24的焦平面处可得到该复合光所有组分、按波长次序排列的主最大的细亮线，即衍射光谱。衍射级次k越大，色散越明显，但能量亦随之降低。光栅平面的角度改变时，出现在焦平面的光谱范围亦随之改变，从而实现对不同波长范围内的光谱进行分析。本发明的光栅光谱仪可检测波长范围为200～1600nm的光谱，根据检测光谱波长范围不同，可选择具有不同光栅条数的光栅，以适应需要。

聚焦透镜24形成的衍射光谱经过反射镜25反射，经非球面透镜26谱级分离。非球面透镜26将色散棱镜与聚焦透镜结合为一体，节省空间，减少光的损失和消除像差和色差，克服平面棱镜色散产生的三维光谱焦面，而使得待测谱线通过具有多个出射孔的出射狭缝板27，落入数字微镜设备28。

数字微镜设备28由特殊半导体硅芯片构成，该芯片中含多个微小的正方形反射镜片，反射镜片之间是按照阵列方式紧密排列。数字微镜设备28的制备为通过微机电系统技术(Micro Electric Mechanical System，MEMS)对光学元件进行一体定位成型，该微加工方式可解决精准对光的问题。如图3所示，反射镜片结构包括：一硅基底32，两独立支撑柱33形成在该硅基底32、一反射镜片单元35，通过两扭臂梁绞链34连接于两独立支撑柱33，一驱动电极36形成于反射镜片单元35下方的硅基底32表面。通过驱动电极36的驱动，反射镜片可进行正负10度至12度的倾斜，通过镜片面角度的调整以对应0与1的讯号。如果光源照射在芯片上，对应的反射镜为0的讯号，就会将光线反射至光吸收器而无法显示讯号；反之，如果是1的讯号，光线就会反射至色转轮29，经投影镜头30，在显示屏幕31聚焦形成光谱图像。数字微镜设备28的微小反射镜阵列对光谱讯息进行细微反射，再经过色转轮29合成色彩，经投影镜头30和显示屏幕31输出光谱像图。

本发明的光谱仪的工作流程：光源20发出的光线经入射狭缝板21形成入射光，再经准直透镜22形成平行光线，直接通过光栅23进行分光，并将分光后通过一聚焦透镜24，再经过反射镜25反射成像于一非球面透镜26进行谱级分离，形成二维光谱，通过具有多个出射孔的出射狭缝板27，再直接通过数字微镜设备28的微小反射镜阵列对二维光谱进行反射，再经过色转轮29合成色彩，经投影镜头30和显示屏幕31输出光谱像图。

另外，本发明的光谱仪可通过光学传递函数(MTF)量测系统量测光学元件与系统的光学品质。在可见光波段量测中，使用光电二极管阵列侦测器对影像进行电子式扫描，进行实时性量测。并进行效焦长、凸缘焦点、变形等量测。

本发明的数字微镜设备28的微芯片上有非常微小的可动反射镜阵列，并根据电压控制其镜片角度，反射出光谱线，再经过色转轮29合成色彩，经投影镜头30，在显示屏幕31聚焦形成光谱图像。由于数字微镜设备和色转轮将光信号直接转换光谱像图，无须将光信号转为电信号而受光电倍增管和CCD等器件只能响应较短光谱波长的影响，使本发明的光栅光谱仪具有较大光谱响应波长范围。

Claims (9)

1.一种光栅光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光栅光谱仪包括：一光源；一准直透镜，使来自光源的光束平行；一光栅，接收并使光束色散；一聚焦透镜，聚焦上述色散光束，形成衍射光谱；一非球面透镜，对上述衍射光谱进行分离；其特征在于还包括：一数字微镜设备，具有多个反射镜片，反射上述衍射光谱；一色转轮，合成上述衍射光谱图；一投影镜头；和一显示屏幕。

2.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于该光栅光谱仪进一步包括一入射狭缝板，设置于该光源与该准直透镜之间。

3.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于该光栅光谱仪进一步包括一出射狭缝板，设置于该非球面透镜与该数字微镜设备之间。

4.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于光源选自电感耦合等离子体光源或激光光源。

5.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于光栅选择具有预设定光栅条数的光栅。

6.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于多个反射镜片以阵列方式紧密排列。

7.如权利要求6所述的光栅光谱仪，其特征在于反射镜片包括：一基底；形成于该基底的两独立支撑柱；一反射镜片单元，通过两扭臂梁绞链连接于两独立支撑柱；一形成于反射镜片单元下方的基底表面的驱动电极。

8.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于数字微镜设备为硅芯片。

9.如权利要求1所述的光栅光谱仪，其特征在于数字微镜设备采用微机电系统技术制备。

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