CN217542855U - 串联光栅光谱仪 - Google Patents

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本实用新型的一个方面的串联光栅光谱仪，其包括：光源，其为出射多色光的宽光谱光源；狭缝，其包含特定形状的通孔，并位于所述多色光的主光线的位置；第一凹面镜，其将来自所述狭缝的所述多色光设为平行光；多个衍射光栅，彼此串联地设置在所述多色光的行进方向上的第一凹面镜的所述平行光的出射侧，所述平行光分别在多个衍射光栅的每一个中发生色散，任一个衍射光栅的色散方向与沿着处于该任一个衍射光栅的上游的衍射光栅色散后的光的色散方向相交；第二凹面镜，将来自所述多个衍射光栅的被色散的光会聚于光学探测器。

Description

串联光栅光谱仪
技术领域
本实用新型涉及串联光栅光谱仪，尤其是涉及消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析的串联光栅光谱仪。
背景技术
光谱仪又称分光仪，使用了光谱仪的光谱测量技术被广泛应用在物质成分分析、生物制药、环境监测、地质测量和军事侦察等多个方面。现有的光谱仪大多采用Czerny-Turner光谱仪的光路结构，如图3所示，由一个入射狭缝220、两片凹面反射镜231和232、作为色散元件的光栅241以及一个检测产生色散的光的图像传感器等的探测器250构成，通过优化光栅241和两片凹面反射镜231和232的不同偏转角度以实现最佳波长探测范围和分辨率。
实用新型内容
但在Czerny-Turner的光路结构中，入射到多缝光栅的光会产生n衍射阶次的光，当n>0(非零级)时，会产生不同阶次光谱的重叠，其中，除一阶衍射光以外的高阶衍射(n>1)光和一些杂散光在探测器中成为限制检测精度的因素，例如，高阶衍射和杂散光导致信噪比低下(约-20～-25dB)。
在现有技术中通常使用带有特殊涂层的滤光片来去除高阶衍射光，以获取高分辨率，从而提高检测精度。通常如图4所示，将上述那样的滤光片305设置在光接收元件306的入光侧。然而，滤光片的效果取决于涂层的工艺，制作滤光片也增加了生产成本，另外，经过滤光片后的光的一部分被其吸收，使到达探测器的光的强度被大幅降低，对于一些感光高度较小的探测器仅能收集到很小部分的信号光，因而灵敏度受到限制，即需要较长时间才能收集到足够强的信号，不能满足高速成像的需求，效率低下，同时，使用滤光片导致部分一阶衍射光被损耗，不能满足更高分辨率要求的光谱分析，并且，不适用于宽波长范围(例如从紫外到近红外波长的整体范围)的光谱分析。
本实用新型是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析的串联光栅光谱仪。
根据本实用新型的一个方面的串联光栅光谱仪，其包括：光源，其为出射多色光的宽光谱光源；狭缝，其包含特定形状的通孔，并位于所述多色光的主光线的位置；第一凹面镜，其将来自所述狭缝的所述多色光设为平行光；多个衍射光栅，彼此串联地设置在所述多色光的行进方向上的第一凹面镜的所述平行光的出射侧，所述平行光分别在多个衍射光栅的每一个中发生色散，任一个衍射光栅的色散方向与沿着处于该任一个衍射光栅的上游的衍射光栅色散后的光的色散方向相交；第二凹面镜，将来自所述多个衍射光栅的被色散的光会聚于光学探测器。
根据本实用新型的串联光栅光谱仪，能够消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析。
附图说明
图1A是示出本实用新型的第一实施方式的串联光栅光谱仪的示意性俯视图。
图1B是示出根据第一实施方式的串联光栅光谱仪的衍射光栅的色散角。
图2A是示出本实用新型的第二实施方式的串联光栅光谱仪的示意性俯视图。
图2B是示出根据第二实施方式的串联光栅光谱仪的衍射光栅的色散角。
图3是示出Czerny-Turner光谱仪的光路结构的示意性俯视图。
图4是示出现有技术中的一个例子的图。
具体实施方式
[第一实施方式]
图1A是示出本实用新型的第一实施方式的串联光栅光谱仪1的示意性俯视图。如图1A所示，串联光栅光谱仪1包括：光源(未图示)、狭缝20、两个凹面镜31·32、两个衍射光栅 41·42以及光学探测器50。从光源出射的光依次经过狭缝20、第一凹面镜31、第一衍射光栅41、第二衍射光栅42、第二凹面镜32、光学探测器50。
光源为发出不同波长的多种光的多色光的宽光谱光源，优选为能够在从紫外到近红外波长的波长范围内发出连续的光的光源。例如，可以是能够发出连续的宽光谱的光的氙灯或发光二极管(LED)灯。
狭缝20可以在不透光的材料中形成包含特定形状的通孔。例如，狭缝20的通孔可以为线状(例如，条状)并且在垂直于包含多色光的主光线的平面的方向上延伸。例如，狭缝20的线状通孔的宽度方向可以是光在第一衍射光栅41中被分散的方向。狭缝20可以包括多个平行的线状通孔，优选多个线状通孔等距排列。狭缝20可以配置在光源的成像透镜(未图示)会聚多色光的焦点位置(或成像平面位置)处。
两个凹面镜31·32在多色光的行进方向上分别被配置在两个衍射光栅41·42的入光侧和出光侧。第一凹面镜31配置在狭缝20与第一衍射光栅41之间，用于将光源经由狭缝20出射的光准直成平行光并向第一衍射光栅41偏转。第二凹面镜32配置在第二衍射光栅42与光学探测器50之间，用于将经由第二衍射光栅42出射的光会聚于光学探测器50。可以在凹面镜31·32中的每一个的反射表面上形成反射膜。例如，在玻璃基板上沉积包含高折射率材料层和低折射率材料层的层叠膜来形成反射膜。高折射率材料的示例可以包括二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)。低折射率材料的示例可以包括二氧化硅(SiO2)和氟化镁(MgF2)。另外，凹面镜也可替换为其他光学元件，例如凸面镜、平面镜等。
在图1A的例子中，两个衍射光栅41·42均采用了反射型衍射光栅，反射型衍射光栅可以包含多条凹槽，但不限于此，也可以使用透射型衍射光栅，透射型衍射光栅可以包含多条狭缝，这些凹槽可以是等距的，也可以是不等距的。通过衍射效应，使入射到衍射光栅多色光根据波长而产生色散。两个衍射光栅 41·42形成为在多色光的行进方向上串联的结构，在该串联的结构中，第一衍射光栅41处于沿光的行进方向上的最上游侧，第二衍射光栅42处于沿光的行进方向上的最下游侧。图1B是示出根据第一实施方式的串联光栅光谱仪1的衍射光栅41·42的色散角。第一衍射光栅41的色散方向λx与第二衍射光栅42的色散方向λy相交，第一衍射光栅41将光沿色散方向λx进行色散，第二衍射光栅42将光沿色散方向λy进行色散。优选地，如图1B所示，x轴示出了第一衍射光栅41的色散方向λx，y轴示出了第二衍射光栅42的色散方向λy，第一衍射光栅41的色散方向λx与第二衍射光栅42的色散方向λy正交，最终，出射光沿着包含圆点的虚线λxy方向色散。通过设置色散方向相交的第一衍射光栅41与第二衍射光栅42，被第一衍射光栅41色散的多色光进一步被第二衍射光栅42色散，使得多色光的目标信号即一阶衍射光的与高阶衍射光及杂散光分离，高阶衍射光不会在λxy方向上，从而无需滤光片也可实现过滤高阶衍射光及杂散光的作用。
光学探测器50例如是图像传感器，可以配置在第二凹面镜32会聚多色光的焦点位置(或成像平面位置)处，用于接收由第二凹面镜32会聚的多色光，由此，可以在图像传感器的检测平面上根据多色光的每个波长在不同位置处形成光斑。
根据本实施方式，通过使用两个串联的衍射光栅作为分光元件，能够消除杂散光以及高阶衍射光，与现有技术中使用滤光片的方式相比，能够实现高速成像、高信噪比(约-40～-50dB)、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析。
[第二实施方式]
图2A是示出本实用新型的第二实施方式的串联光栅光谱仪的示意性俯视图。本实施方式的串联光栅光谱仪1a与第一实施方式的串联光栅光谱仪1的不同之处在于，还具备第三衍射光栅43。如图2A所示，第三衍射光栅43在多色光的行进方向上，与第一衍射光栅41和第二衍射光栅42串联地设置在第一凹面镜31与第二凹面镜32之间，也就是说，第三衍射光栅43设置在第二衍射光栅42的出光侧，此时，第三衍射光栅43处于串联结构中的沿光的行进方向的最下游侧，并且，第三衍射光栅43将光沿色散方向λz进行色散。第三衍射光栅43的色散方向λz与由第一衍射光栅41和第二衍射光栅42衍射后光的色散方向λxy相交，第三衍射光栅的色散方向可以不同于第一衍射光栅41和第二衍射光栅42的色散方向。优选地，如图2B所示，由第一衍射光栅41和第二衍射光栅42衍射后光沿着λxy方向色散，并且，第三衍射光栅43的色散方向λz与色散方向λxy正交，最终，出射光沿着包含三角的虚线的λxyz方向色散。通过设置第三衍射光栅43，被第一衍射光栅41和第二衍射光栅42色散的多色光进一步被第三衍射光栅43色散，使得多色光的目标信号即一阶衍射光的与高阶衍射光及杂散光分离，高阶衍射光不会在λxy方向上，从而无需滤光片也可实现过滤高阶衍射光及杂散光的作用。
根据本实施方式，通过使用三个串联的衍射光栅作为分光元件，由于能够进一步消除杂散光以及高阶衍射光，与现有技术中使用滤光片的方式相比，能够实现高速成像、高信噪比(可达约-70dB)、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析。
在上述的实施方式中示例出衍射光栅为2个和3个串联的情况，但本实用新型不限于此，衍射光栅也可以具有3个以上，例如4个、5个等。
此外，在上述各实施方式中，为进一步实现更高信噪比，可选地，在多个衍射光栅中的至少一个的出光侧附近设置去除目标色散方向(如λx、λxy、λxyz)以外的其他色散光的挡光部件，挡光部件可以是光吸收元件，也可以光反射元件等。但在第二实施方式的图2B所示那样的例子中，在第一衍射光栅41的色散方向λx与第二衍射光栅42的色散方向正交λy，且色散方向λxy与第三衍射光栅43的色散方向λz正交的情况下，为了避免最终出射的光的色散方向λxyz返回到λx或λy的方向，需要在第二衍射光栅42与第三衍射光栅43之间设置上述挡光部件。
此外，在本实施方式的上述例子中，虽示例了使用光栅对光进行色散，但也可以使用棱镜等，只要是能够起到分光作用的任意分光元件即可。
本实用新型不限于上述的各实施方式，在权利要求所示的范围中能够进行各种变更，将分别公开在不同的实施方式中的技术手段适当组合而得到的实施方式也包含在本实用新型的技术范围中。而且，通过将各实施方式中分别公开的技术手段组合能够形成新的技术特征。
附图标记说明
1、1a串联光栅光谱仪
20狭缝
31、32凹面镜
41、42、43衍射光栅
50光学探测器。

Claims (11)

1.一种串联光栅光谱仪，其特征在于，包括：光源、狭缝、多个衍射光栅以及光学探测器，所述光源出射的光经由狭缝、所述多个衍射光栅入射到光学探测器上，
在光的行进方向上串联设置的所述多个衍射光栅中，任一个衍射光栅色散后的光的色散方向与最靠近该衍射光栅的出光侧的衍射光栅的色散方向相交。
2.根据权利要求1所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
所述多个衍射光栅的色散方向互不相同。
3.根据权利要求2所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
多个衍射光栅包含第一衍射光栅和第二衍射光栅，
第一衍射光栅的色散方向与第二衍射光栅的色散方向正交。
4.根据权利要求3所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
多个衍射光栅还包含第三衍射光栅，
依次沿着第一衍射光栅和第二衍射光栅色散后的光的色散方向与第三衍射光栅的色散方向正交。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
所述光源为出射多色光的宽光谱光源。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
所述狭缝包含通孔，并位于所述光源出射的光的主光线的位置。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，还包括：
第一凹面镜，其将光源经由狭缝出射的光准直成平行光并向多个衍射光栅中沿光的行进方向最上游的衍射光栅偏转。
8.根据权利要求7所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，还包括：
第二凹面镜，将依次经由所述多个衍射光栅色散的光会聚于光学探测器。
9.根据权利要求8所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
第一凹面镜和第二凹面镜的每一个的反射表面上形成反射膜，所述反射膜由包含高折射率材料层和低折射率材料层的层叠膜构成。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
所述多个衍射光栅为反射型光栅，其包含多条凹槽。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，
所述多个衍射光栅为透射型光栅，其包含多条狭缝。
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