CN203465002U - 一种透射式光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种透射式光栅光谱仪，可以将光分成光谱进行记录和输出。光谱仪包括入射狭缝，准直透镜，光栅，聚焦透镜，反射镜，光电转换装置。光谱仪准直透镜和聚焦透镜的使用采用共光轴光路方式，在较短波长范围内，色差和像差影响小，光谱分辨率高，通光效率高，杂散光少，调节方便，结构稳定。适用于固定激发波长的拉曼光谱测试，尤其是紫外波段的拉曼光谱的测试。

Description

一种透射式光栅光谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种透射式光栅光谱仪，可以将光分成光谱进行记录和/或输出。与激光器、拉曼光谱采集装置联用可以组成拉曼光谱仪，使用紫外光谱范围的激光器、光学元件、光电转换装置可以组成紫外拉曼光谱仪。

背景技术

公知的光栅光谱仪的构造是由入射针孔（狭缝），准直镜，衍射光栅，聚焦镜，光电转换装置组成。光经过入射针孔（狭缝）后，成为以针孔（狭缝）为中心的发散光，经过以狭缝为焦平面的准直镜后，变成平行光，平行光经过衍射光栅衍射，在不同衍射角上形成不同衍射级次，不同波长的光，衍射光通过聚焦镜聚焦到光电转换装置，实现光谱的记录和/或输出。

目前普遍使用的光栅光谱仪是反射式结构，即以两面凹面反射镜作为准直镜和聚焦镜。凹面反射镜的入射光和反射光在凹面反射镜的同一侧，因此入射光和反射光必须不同轴才能使入射光路和反射光路不互相影响，组成的非共轴光学系统会产生较严重的像差，导致光谱仪的分辨率下降,灵敏度降低。其优点是，任意波长相同入射角的光，其反射角相同，适合波长范围较广的使用范围。

透射式光栅光谱仪采用透镜作为光栅光谱仪中的准直镜和聚焦镜，入射光和出射光分布在透镜的两侧，适合搭建共光轴光学系统，避免产生较严重的像差。其缺点是：不同波长的光在同一介质中的折射率不同，导致相同的透镜应用于不同波长的光时，焦距会不同，尤其当波长范围较大时，焦距的变化较大，这种光学现象称为色差。但是当波长范围较小时，色差的影响较小，尤其采用消色差透镜组时，色差的影响会进一步降低。

因此，当光谱波长范围较大时，适合采用反射式光栅光谱仪结构；光谱波长范围较小时，适合采用透射式光栅光谱仪结构。

固定激发波长的拉曼光谱仪，光谱波长范围较小：例如采用532纳米激光作为激发光源，拉曼光谱范围是534.8纳米到675.8纳米，使用325纳米紫外激光作为激发光源，拉曼光谱范围是326.1纳米到373.6纳米，因此固定激发波长的拉曼光谱仪，尤其是紫外波长范围的拉曼光谱仪适合采用透射式光栅光谱仪。

发明内容

本实用新型提供一种新型透射式光栅光谱仪，包括入射狭缝，准直透镜，光栅，聚焦透镜，反射镜，光电转换装置，壳体。于壳体的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝，光经过入射狭缝进入光谱仪的壳体内，成为以狭缝为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在狭缝处的准直透镜成为平行光到达光栅衍射面，经过光栅衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜聚焦后再经反射镜调整光路反射聚焦至光电转换装置的光感元件上，形成光谱进行记录和/或输出。

技术方案：准直透镜放置在以入射狭缝为焦平面的位置且入射狭缝中心在准直透镜的光轴上；光栅放置位置应使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，并且与入射狭缝的狭缝方向平行，且光栅放置的角度应使入射平行光的衍射效率达到最佳；聚焦透镜放置的位置应使其光轴与光栅刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅衍射面的中心重合；反射镜和光电转换装置放置的位置和角度，应使经过聚焦透镜聚焦的不同波长的光均聚焦在光电转换装置的光电感应元件表面；光电转换装置固定于壳体的侧壁上保持稳定；光谱仪使用密闭的避光外壳来阻止杂散光进入光谱仪；光电转换装置为电荷耦合器件或光电倍增管。若为电荷耦合器件，则光电转换装置的放置方向应使光电感应元件的像素排列方向与光栅刻线方向垂直或平行。

有益效果：光谱仪的准直透镜和聚焦透镜采用共光轴光路设计，减少像差的影响，准直透镜和聚焦透镜采用消色差透镜组，减少色散的影响，光栅放置的角度要保证达到最佳衍射效率，反射镜放置的角度使聚焦光光轴与光电转换装置的接收面垂直，在波长范围较小的应用中，色差和像差影响小，光谱分辨率高，通光效率高，杂散光少，调节方便，结构稳定。适用于固定激发波长的拉曼光谱测试，尤其是紫外波段的拉曼光谱的测试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的结构原理图。

图2是本实用新型的具体应用的结构图。

图3是本实用新型的具体应用实例1：汞灯365纳米和404纳米发射线的光谱记录。

图4是本实用新型的具体应用实例2：金刚石的拉曼光谱图。

图中1.入射狭缝，2.准直透镜，3.光栅，4.聚焦透镜，5.反射镜，6.光电转换装置，7.光电转换装置感应芯片，8.狭缝固定立板，9.光电转换装置固定立板，10.壳体。

具体实施方式

在图1中，一种透射式光栅光谱仪，包括入射狭缝1，准直透镜2，光栅3，聚焦透镜4，反射镜5，光电转换装置6，壳体10，于壳体10的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝1，光经过入射狭缝1进入光谱仪的壳体10内，成为以狭缝1为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在狭缝1处的准直透镜2成为平行光到达光栅3衍射面，经过光栅3衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜4聚焦后再经反射镜5调整光路反射聚焦至光电转换装置6的光感元件7上，形成光谱进行记录和/或输出。

准直透镜2放置在以入射狭缝1为焦平面，且焦点在入射狭缝1的中心位置上，使准直透镜2达到共光轴光路方式，减少色差和像差的影响；

光栅3放置位置使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，并且与入射狭缝1的狭缝方向平行，并且光栅3放置的角度使入射平行光的衍射效率达到最佳；

聚焦透镜4放置的位置使其光轴与光栅3刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅3衍射面的中心重合，使聚焦透镜4达到共光轴效果，减少色差和像差的影响，经聚焦透镜4后，同一波长衍射光的光聚焦到同一点，光被分成光谱；

反射镜5和光电转换装置6放置的位置和角度，使经过聚焦透镜4聚焦的不同波长的光均聚焦在光电转换装置6的光电感应元件7表面，形成光谱进行记录和输出；

在图2所示实施例中，光电转换装置6为CCD，CCD的光电转换装置感应芯片7的像素为2048×512，光电转换装置感应芯片7的宽度方向与光栅3刻线方向平行，长度方向与光栅3刻线方向垂直；

在图3所示实施例中，记录标准光源汞灯在350纳米到420纳米之间的光谱，图中横坐标为CCD的像素数，入射狭缝宽度为20微米，光栅为2400刻线/毫米光栅，CCD像素大小为14微米×14微米。

在图4所示实施例中，记录金刚石的拉曼谱，图中横坐标为拉曼频移，实验条件为：激发波长，355纳米激光，入射狭缝宽度为20微米，光栅为2400刻线/毫米光栅，CCD像素大小为14微米×14微米。

Claims (8)

1.一种透射式光栅光谱仪，包括入射狭缝（1），准直透镜（2），光栅（3），聚焦透镜（4），反射镜（5），光电转换装置（6），壳体（10），其特征是：于壳体（10）的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝（1），光经过入射狭缝（1）进入光谱仪的壳体（10）内，成为以入射狭缝（1）为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在入射狭缝（1）处的准直透镜（2）成为平行光到达光栅（3）衍射面，经过光栅（3）衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜（4）聚焦后再经反射镜（5）调整光路反射聚焦至光电转换装置（6）的光感元件（7）上，形成光谱进行记录和/或输出。

2.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：准直透镜（2）放置在以入射狭缝（1）为焦平面的位置且入射狭缝（1）中心在准直透镜（2）的光轴上。

3.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：光栅（3）放置位置应使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，且与入射狭缝（1）的狭缝方向平行，且光栅（3）放置的角度应使入射平行光的衍射效率达到最佳。

4.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：聚焦透镜（4）放置的位置应使其光轴与光栅（3）刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅（3）衍射面的中心重合。

5.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：反射镜（5）和光电转换装置（6）放置的位置和角度，应使经过聚焦透镜（4）聚焦的不同波长的光均聚焦在光电转换装置（6）的光电感应元件（7）表面。

6.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：光电转换装置（6）固定于壳体（10）的侧壁上保持稳定。

7.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：光谱仪使用密闭的避光外壳（10）来阻止杂散光进入光谱仪。

8.根据权利要求1所述的透射式光栅光谱仪，其特征是：光电转换装置（6）为电荷耦合器件（CCD）或光电倍增管；

若为电荷耦合器件（CCD），则光电转换装置（6）的放置方向应使光电感应元件（7）的像素排列方向与光栅（3）刻线方向垂直或平行。

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