CN205898295U - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光谱仪，包括入射光学单元、入射狭缝、对入射光进行色散的色散单元、用于接收色散光的阵列探测器；还包括宽波段探测器，所述宽波段探测器接收经色散单元衍射形成的零级次光束。通过对色散零级次光束的利用，不仅在一定程度上降低了光谱仪内部杂散光的水平，还进一步提高了光谱仪的测量精度。

Description

一种光谱仪

【技术领域】

本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种光谱仪。

【背景技术】

现有的快速光谱仪(也称列阵光谱仪)一般由入射光学单元、入射狭缝、色散单元、成像单元和阵列探测器构成，结构如图1所示，光束经过入射光学单元从入射狭缝进入光谱仪内部，经色散单元将不同波长的色散光投射至阵列探测器的光敏面上，以实现光谱功率分布的测量。

根据多缝衍射效应可知，光栅的零级次衍射光不发生色散，也称零级次光束，光谱仪的探测器实际测量的是光栅发生色散的非零级次衍射光谱，一般为一次衍射光。在现有技术中，零级次光束往往都被认为是光谱仪杂散光的重要来源之一，一直处于被“消灭”的负面地位，从来没有被得到有效利用。常见的做法有在常规的光学腔的腔体上涂覆黑色或低反射率的涂层，或者在零级次光束会聚处设置消光阱将此部分光束吸收。与此同时，快速光谱仪因采用了阵列型探测器，如CCD等，虽然灵敏度较高，但是大动态线性范围一般还是不及硅光电池好。

【发明内容】

针对上述技术问题，本发明克服了现有技术中对光栅衍射零级次光束的技术“偏见”，变废为宝，利用零级次光束中包含的光学信息对光谱仪的阵列探测器线性做校正，进一步提高光谱仪的测量准确度；或者作为对阵列探测器测量波段的补充。

本发明可通过以下技术方案实现：一种光谱仪，包括入射狭缝、色散单元、用于接收色散光的阵列探测器，其特征在于，还包括宽波段探测器，被测光束经过入射狭缝后由色散单元分光，其中分光形成的非零级次光谱投射至阵列探测器的光电转换元件上以实现光谱功率分布的测量，而分光形成的零级次光束则被宽波段探测器接收。

本发明的工作原理如下：被测光束通过入射光学单元从入射狭缝进入光谱仪内部，由色散单元对被测光进行分光，并形成不同级次的光谱，其中分光形成的非零级次光谱投射至阵列探测器的光电转换元件上，以实现光谱功率分布的测量，而分光形成的零级次光束则被宽波段探测器接收。

本发明还可通过以下技术方案进一步完善：

作为优选，所述的宽波段探测器的光电转换元件为光电池或者光电二极管，具体的可以是硅光电池、硅光电二极管或者锗电池，或者其他材料的光电转换元件。其中由硅光电池或 者硅光电二极管等光电转换元件制成的光度探头由于在大跨度动态范围内都具有极好的线性，因此被广泛应用于光度量的测量。

进一步的，所述宽波段探测器的光电转换元件前的光路上设有滤色片，使宽波段探测器光电转换元件入射到入射光学单元的入射光(被测光)的相对光谱响应曲线与特定光谱效能函数相匹配。

作为优选，所述滤色片使所述宽波段探测器的对于通过入射光学单元的被测光的相对光谱灵敏度曲线与人眼光视效率函数V(λ)曲线或平坦的直线相匹配，或者其他特定的光谱灵敏度响应曲线。当宽波段探测器的光电转换元件为硅光电池，在硅光电池前设置与人眼光视效率函数V(λ)曲线相匹配的滤色片就构成相对于被测光的光度探头。以上进一步的技术表示也可以是，在宽波段探测器前设置滤色片，使得通过入射光学单元的被测光经过入射狭缝、色散单元、滤色片后，宽波段探测器对于被测入射光的相对光谱灵敏响应曲线与特定的光谱功效函数相匹配或者一致，该光谱功效函数可以是V(λ)曲线或平坦的直线，或者其他曲线。在特殊应用时，滤色片也可以是一个带通滤色片，甚至也可以是一个带通较窄的带通滤色片，此时，宽波段探测器的实际测量效果可以是只针对某一波长附近的窄带光谱范围的，即所述滤色片使所述宽波段探测器对于被测入射光的相对光谱灵敏度曲线是某一特定波长附近带通响应曲线。

作为一种技术方案，所述色散单元可以为一体式结构，即兼具分光与成像的能力。具体的所述色散单元可以是凹面光栅或者凹面平场光栅。凹面平场光栅是在高反射金属凹面上刻划一系列线槽，构成的反射式衍射光栅，具有较好的分光和聚光能力。

作为另一种技术方案，所述的色散单元可以是组合式结构，即分光与成像分别由不同的光学元件实现。具体的色散单元可以包括色散元件和成像元件，其中色散元件可以是平面光栅，实现的是分光功能；成像元件则可以为凹面反射镜，实现的是成像功能。

综上所述，本发明通过对色散零级次光束的利用，既能达到校正光谱仪阵列探测器线性的目的，同时还在一定程度上降低了光谱仪内部杂散光的水平。

【附图说明】

附图1是现有光谱仪的基本结构。

附图2是实施例1的结构示意图；

附图3是实施例2的结构示意图；

附图4是实施例3的结果示意图；

1-色散单元；2-阵列探测器；3-宽波段探测器；1-1色散元件；1-2成像元件；

【具体实施方式】

实施例1

如图2所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝、色散单元1、阵列探测器2以及宽波段探测器3，其中色散单元1为凹面平场光栅，阵列探测器2为CCD阵列探测器，宽波段探测器3为硅光电池，且在硅光电池的感光面前设置有使硅光电池对分光形成的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE标准人眼光视效率函数V(λ)相匹配的滤色片。入射光学单元为光纤或者光纤束。

本光谱仪的工作原理如下：被测光被光纤或者光纤束入射光学单元所接收，通过入射狭缝进入到光谱仪内部，并入射至色散单元1的表面，进而色散单元1对入射被测光进行分光，由于凹面平场光栅集分光和成像功能与一体，因此将在其像面上形成不同级次的光谱；其中分光形成的非零级次光谱被阵列探测器2接收并测量，分光形成的零次光束被宽波段阵列探测器3所接收测量。

本光谱仪的结构克服了本领域技术人员对零级次衍射光谱的技术“偏见”，变废为宝，利用零级次光束中的光学信息和硅光电池(或者硅光电二极管)的优越大动态范围线性，对光谱仪阵列探测器的线性进行校正，进一步提高了光谱仪的测量准确度。

实施例2

如图3所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝，准直反射镜，色散单元1，阵列探测器2以及宽波段探测器3，其中，色散单元1包括色散元件1-1和成像元件1-2，且色散元件1-1为平面光栅，成像元件1-2为凹面反射镜；阵列探测器2为CCD阵列探测器，宽波段探测器3为硅光二极管，且在硅光二极管的感光面前设置有使硅光二极管对分光形成的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE光效视觉函数V(λ)相匹配的滤色片。

本光谱仪的工作原理如下：被测光通过光谱仪入射狭缝进入到光谱仪内部，并经过准直反射镜后形成平行光束投射在色散元件1-1处，色散元件1-1对入射被测光线进行分光，并将分光形成的非零级次光谱与零级次光束投射在成像元件1-2处，进而在成像元件1-2的焦平面上形成不同级次的光谱；其中被测光非零级次光谱被阵列探测器2接收并测量，被测光的零次光束被宽波段阵列探测器3所接收测量。

实施例3

如图4所示，本实施例公开了一种光谱仪结构，包括入射狭缝，准直镜，色散单元1，阵列探测器2以及宽波段探测器3，其中，色散单元1包括色散元件1-1和成像元件1-2，且色散元件1-1为平面光栅，成像元件1-2为凹面反射镜；阵列探测器2为CCD阵列探测器， 宽波段探测器3为硅光二极管，且在硅光二极管的感光面前设置有使硅光二极管对分光形成的零级次光束产生相对光谱灵敏度曲线与CIE光效视觉函数V(λ)相匹配的滤色片。

本光谱仪的工作原理如下：被测光通过光谱仪入射狭缝进入到光谱仪内部，并经过准直反射镜后形成平行光束投射在色散元件1-1处，色散元件1-1对入射被测光线进行分光，并将分光形成的非零级次光谱投射在成像元件1-2处，进而在成像元件1-2的焦平面上出现按波长顺序依次排列的光谱，并被阵列探测器2接收并测量；其中经由色散元件1-1分光形成的零级次光束没有投射在成像元件1-2上，而是直接由宽波段阵列探测器3所接收测量。

Claims (6)

1.一种光谱仪，包括入射狭缝、色散单元(1)、用于接收色散光的阵列探测器(2)，其特征在于，还包括宽波段探测器(3)，被测光束经过入射狭缝后由色散单元(1)分光，其中分光形成的非零级次光谱投射至阵列探测器(2)的光电转换元件上以实现光谱功率分布的测量，而分光形成的零级次光束则被宽波段探测器(3)接收。

2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述宽波段探测器(3)的光电转换元件为光电池或者光电二极管。

3.如权利要求1或2所述的光谱仪，其特征在于，所述宽波段探测器(3)的光电转换元件前的光路上设有滤色片。

4.如权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述的滤色片使宽波段探测器(3)的相对光谱灵敏度曲线与人眼光视效率函数V(λ)曲线或平坦的直线相匹配；或者所述的滤色片使所述宽波段探测器(3)的相对光谱灵敏度曲线是带通响应曲线。

5.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散单元(1)为凹面平场光栅。

6.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述色散单元(1)包括色散元件(1-1)和成像元件(1-2)；所述色散元件(1-1)为平面光栅，所述成像元件(1-2)为凹面反射镜。