CN220853866U - 一种体相位全息透射式光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种体相位全息透射式光栅光谱仪，包括：光源，所述光源用于生成短波近红外光；准直部分，所述准直部分用于对光源产生的短波近红外光进行准直；分光部分，所述分光部分包括体相位全息透射式光栅，所述体相位全息透射式光栅用于对准直后的短波近红外光进行色散；聚焦部分，所述聚焦部分用于将色散后的短波近红外光聚焦至焦平面上；成像部分，所述成像部分设置在所述焦平面上。体相位全息透射式光栅所采用的元件片数较少，加工简单，有效降低成本，同时体相位全息透射式光栅具有非常好的光学特性及设计灵活性、优越的稳定性及一致性，可以使得光栅衍射率符合相应的要求。

Description

一种体相位全息透射式光栅光谱仪

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种体相位全息透射式光栅光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种用于分离和测量光谱成分的科学仪器。它在物理学、天文学和化学的早期研究中发展起来，并在测定化学成分方面展现出强大的能力。利用光谱仪进行光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式之一。传统的台式实验室光谱仪有着超精细分辨率和宽光谱范围，但是其结构复杂、体积庞大。近些年，由于光谱分析的应用空间快速增长，光谱仪便携化及微型化渐渐成为人们关注的对象。其中由于离轴和光栅本身的影响，反射式光栅光谱仪相对于透射式光栅光谱仪光路在慧差、像散消除及光栅衍射效率等方面都略逊一筹。而目前很多透射式光栅发明有着元件片数多，加工复杂，成本略高的问题，且光栅衍射效率有时达不到要求。

实用新型内容

鉴于上述问题，本申请提供了一种体相位全息透射式光栅光谱仪，解决吸纳有的光谱仪中采用的透射式光栅的元件片数多、加工复杂、成本略高以及光栅衍射率有时达不到要求的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种体相位全息透射式光栅光谱仪，包括：

光源，所述光源用于生成短波近红外光；

准直部分，所述准直部分用于对光源产生的短波近红外光进行准直；

分光部分，所述分光部分包括体相位全息透射式光栅，所述体相位全息透射式光栅用于对准直后的短波近红外光进行色散；

聚焦部分，所述聚焦部分用于将色散后的短波近红外光聚焦至焦平面上；

成像部分，所述成像部分设置在所述焦平面上。

在一些实施例中，所述光源为单模光纤，所述单模光纤的数值孔径NA为0.13-0.15，所述短波近红外光的光谱范围为800nm-890nm。

在一些实施例中，所述准直部分包括双胶合透镜，所述双胶合透镜的前曲面的曲面率为242.54，中曲面的曲面率为36.25，后曲面的曲面率为-39.37。

在一些实施例中，所述双胶合透镜的折射率范围为1.744-1.946。

在一些实施例中，所述体相位全息透射式光栅的密度为1200line/mm，所述体相位全息透射式光栅的入射角为30.464°。

在一些实施例中，所述体相位全息透射式光栅的表面设有抗反射涂层。

在一些实施例中，所述聚焦部分包括凸透镜及凹透镜；

所述凸透镜的第一曲面的曲面率为181.8，所述凸透镜的第二曲面的曲面率为-48.6，所述凹透镜的第一曲面的曲面率为-44.8，所述凹透镜的第二曲面的曲面率为-868。

在一些实施例中，所述成像部分包括线阵CDD。

区别于现有技术，上述技术方案，光谱仪主要由光源、准直部分、分光部分及成像部分组成，光源生成短波近红外光，准直部分对短波近红外光进行准直得到平行光束，然后准直后的平行光束通过分光部分进行分光，其中，分光部分包括体相位全息透射式光栅，通过体相位全息投射式光栅对平行光束进行色散，然后通过聚焦部分对色散后的光束进行聚焦于焦平面上，然后通过设置在焦平面上的成像部分进行对聚焦后的光束进行采集。体相位全息透射式光栅具有高色散、能降低偏振敏感性、无鬼影、低散射、紧凑、灵活的光学设计、杂散光相对较少等优点，体相位全息透射式光栅所采用的元件片数较少，加工简单，有效降低成本，同时体相位全息透射式光栅具有非常好的光学特性及设计灵活性、优越的稳定性及一致性，可以使得光栅衍射率符合相应的要求。

上述实用新型内容相关记载仅是本申请技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本申请的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本申请的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本申请的具体实施方式及附图进行说明。

附图说明

附图仅用于示出本申请具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本申请的限制。

在说明书附图中：

图1为具体实施方式所述体相位全息透射式光栅光谱仪的一种结构示意图；

图2为具体实施方式所述双胶合透镜的一种结构示意图；

图3为具体实施方式所述聚焦部分的一种结构示意图；

图4为具体实施方式所述波长为800nm的点阵图；

图5为具体实施方式所述波长为820nm的点阵图；

图6为具体实施方式所述波长为845nm的点阵图；

图7为具体实施方式所述波长为870nm的点阵图；

图8为具体实施方式所述波长为890nm的点阵图；

图9为具体实施方式所述线阵CCD的MTF曲线的一种示意图；

图10为具体实施方式所述光谱仪像面波前图的一种结构示意图；

图11为具体实施方式所述衍射圈入能量的一种示意图。

上述各附图中涉及的附图标记说明如下：

1、光源，

2、准直部分；

3、分光部分；

4、聚焦部分；

41、凸透镜；

42、凹透镜；

5、成像部分。

具体实施方式

为详细说明本申请可能的应用场景，技术原理，可实施的具体方案，能实现目的与效果等，以下结合所列举的具体实施例并配合附图详予说明。本文所记载的实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本申请中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。

除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本申请。

在本申请的描述中，用语“和/或”是一种用于描述对象之间逻辑关系的表述，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，表示：存在A，存在B，以及同时存在A和B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的逻辑关系。

在本申请中，诸如“第一”和“第二”之类的用语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的数量、主次或顺序等关系。

在没有更多限制的情况下，在本申请中，语句中所使用的“包括”、“包含”、“具有”或者其他类似的表述，意在涵盖非排他性的包含，这些表述并不排除在包括所述要素的过程、方法或者产品中还可以存在另外的要素，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者产品中不仅可以包括那些限定的要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法或者产品所固有的要素。

与《审查指南》中的理解相同，在本申请中，“大于”、“小于”、“超过”等表述理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等表述理解为包括本数。此外，在本申请实施例的描述中“多个”的含义是两个以上(包括两个)，与之类似的与“多”相关的表述亦做此类理解，例如“多组”、“多次”等，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，所使用的与空间相关的表述，诸如“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等，所指示的方位或位置关系是基于具体实施例或附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请的具体实施例或便于读者理解，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的位置、特定的方位、或以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

除非另有明确的规定或限定，在本申请实施例的描述中，所使用的“安装”“相连”“连接”“固定”“设置”等用语应做广义理解。例如，所述“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体设置；其可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；其可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；其可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本申请所属技术领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述用语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1，本实施例提供了一种体相位全息透射式光栅光谱仪，包括：

光源1，所述光源1用于生成短波近红外光；

准直部分2，所述准直部分2用于对光源1产生的短波近红外光进行准直；

分光部分3，所述分光部分3包括体相位全息透射式光栅，所述体相位全息透射式光栅用于对准直后的短波近红外光进行色散；

聚焦部分4，所述聚焦部分4用于将色散后的短波近红外光聚焦至焦平面上；

成像部分5，所述成像部分5设置在所述焦平面上。

光谱仪主要由光源1、准直部分2、分光部分3及成像部分5组成，光源1生成短波近红外光，准直部分2对短波近红外光进行准直得到平行光束，然后准直后的平行光束通过分光部分3进行分光，其中，分光部分3包括体相位全息透射式光栅，通过体相位全息投射式光栅对平行光束进行色散，然后通过聚焦部分4对色散后的光束进行聚焦于焦平面上，然后通过设置在焦平面上的成像部分5进行对聚焦后的光束进行采集。体相位全息透射式光栅具有高色散、能降低偏振敏感性、无鬼影、低散射、紧凑、灵活的光学设计、杂散光相对较少等优点，体相位全息透射式光栅所采用的元件片数较少，加工简单，有效降低成本，同时体相位全息透射式光栅具有非常好的光学特性及设计灵活性、优越的稳定性及一致性，可以使得光栅衍射率符合相应的要求。

在一些实施例中，所述光源1为单模光纤，所述单模光纤的数值孔径NA为0.13-0.15，所述短波近红外光的光谱范围为800nm-890nm。单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只存在一种传输模式的光纤。单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。

请参阅图1-2，在一些实施例中，所述准直部分2包括双胶合透镜，所述双胶合透镜的前曲面的曲面率a1为242.54，中曲面的曲面率a2为36.25，后曲面的曲面率a3为-39.37。双胶合透镜是将两个透镜胶合在一起得到的透镜。这种用两个透镜形成的组合透镜是一种取得短焦长、大放大率和较好成像质量的有效方法。准直部分2由于视场角较小，相对孔径不大，考虑到现实装配和成本问题和透镜的各种像差等，在设计准直透镜的时候考虑采用双胶合透镜来设计，此部分应尽可能使准直光束的直径可以完全照亮衍射光栅。大孔径有利于在探测器上得到较小的衍射极限光斑尺寸(艾里斑半径)。同时又不能超出光栅净光圈范围，经过权衡最终准直部分2焦距初始选择在60mm(可在zemax THORLABS镜头库里选择对应的镜头)。经过优化后，a1、a2、a3前中后三个面曲率分别为164.82、31.32、-33.57。双胶合透镜的前一透镜的玻璃材料为H-ZLAF75A(折射率Nd：1.904、阿贝数Vd：31.3)；双胶合透镜的后一透镜的玻璃材料为H-LAK2A(折射率Nd：1.692、阿贝数Vd：54.54)，H-ZLAF75A及H-LAK2A都是常见的国产透镜材料，准直部分2焦距为52.262mm。

在一些实施例中，所述体相位全息透射式光栅的密度为1200line/mm，所述体相位全息透射式光栅的入射角为30.464°。光栅选型为体相位全息透射式光栅，直径为1英寸，此光栅也定义了系统的孔径。光栅密度为1200line/mm，根据光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ，计算出入射角为30.464°，在光谱仪中使用折射式光栅时，一般使其入射角等于中心波长的衍射角，所以出射角和入射角设置成相同的角度。透射式光学系统的优点是没有中心遮挡损失，体相位全息光栅(VPH)拥有非常好的光学特性和设计灵活性、优越的稳定性和一致性，因此非常适用于激光脉冲压缩，光谱仪，光学相干断层扫描以及天文学。Thorlabs近红外体相位全息透射光栅非常适合需要高衍射效率的应用。体相位全息光栅(VPH)的密封特性也允许其在元件表面应用高性能、抗反射(AR)涂层。这些涂层可进一步优化性能。VPH透射光栅具有高色散、能降低偏振敏感性、无鬼影、低散射、紧凑、灵活的光学设计、杂散光相对较少等优点。

请参阅图1及图3，在一些实施例中，所述聚焦部分4包括凸透镜41及凹透镜42；

所述凸透镜41的第一曲面的曲面率为181.8，所述凸透镜41的第二曲面的曲面率为-48.6，所述凹透镜42的第一曲面的曲面率为-44.8，所述凹透镜42的第二曲面的曲面率为-868。

不同波长的光线会有不同的衍射角β，那么聚焦部分4焦距计算可以通过下面的公式算得：fl＝L/(tan(βmax-α)+tan(βmin-α))，算出焦距为96.66mm。L:探测器宽度；βmax：最大波长衍射角；βmin：最小波长衍射角；α：中心波长衍射角。不同波长衍射角可通过光学设计软件zemax里的单光线追迹来查看。

最后选择两片透镜组成聚焦部分4，分别是凹透镜42和凸透镜41，经过优化后，a4面曲率为131.5，a5面曲率为50.94，a6面曲率为101.61，a7面曲率为-108.74。玻璃材料分别为H-ZF2(折射率Nd：1.6727、阿贝数Vd：32.17)、D-ZLAF85LN(折射率Nd：1.8456、阿贝数Vd：40.094)，优化后最终聚焦部分4的焦距为96.271。

在一些实施例中，所述成像部分5包括线阵CDD。

选择线阵CCD，如果探测器很小，聚焦部分4焦距也很小，这样就能得到更紧凑的光谱仪。但另一方面，较小的焦距会产生更多的像差。因此，应该尽量选择大的探测器。经过综合考虑，选择CCD像元数量为1024*1024，单个像素尺寸为14*14um。

用zemax进行优化过程中，通过改变物镜的曲率、相邻透镜间的间隔、透镜厚度和透镜材料，优化光学系统。由于光谱仪的特性，应注意勾选忽略垂轴色彩，选择合适的变量进行局部优化，得到最终结构。

上述实施例中，一种体相位全息透射式光栅光谱仪，包括光源1部分、包含双胶合消色差透镜的准直部分2、包含一片体相位全息透射式光栅的分光部分3；包含两片分离透镜，分别为汇聚和发散的正负透镜的聚焦部分4；选择线阵式CCD的成像部分5。光纤发出的光线，通过准直透镜准直后到达光栅，经光栅衍射后接着通过聚焦部分4两片透镜，最后到达CCD。本透射式光学系统设计简单，透镜片数少，成本低，且能够获得更高的通光效率。且体全息透射式光栅可以实现更高的光谱分辨率、更大的色散、更小的体积和重量、更好的稳定性和可靠性以及杂散光相对较少等优点。

该体相位全息透射式光栅光谱仪具有以下优点：

消除像差：聚焦部分4凸透镜41和凹透镜42的组合，且准直部分2又是高低色散玻璃组合，可校正轴向色差、球差、像差等。这样可以提高光谱分析的精度和准确性。

选择合适的材料：准直部分2和聚焦部分4镜片材料都是常见的国产透镜材料，具有优异的光学性能，熔融频率值也尽量选择了小的，这样说明用得频率越高。这样成本和购买加工便捷性增加了。

在一些实施例中，如果想得到更高的分辨率，可适当选择更高的像素数目和像元宽度更小的探测器作为成像部分5，比如CMOS探测器，以及刻线数更多的光栅作为分光部分3(光栅的刻线间距也会影响分辨率。刻线间距越小，分辨率越高。但是，刻线间距过小会导致衍射效率下降，因此需要在分辨率和光强之间进行权衡。

光栅的色散率也是选择光栅的重要因素之一。色散率越高，光谱范围就越大，但是也会降低光谱分辨率。因此，应该根据实验需求选择合适的色散率，所以应该考虑刻线数量、刻线间距和色散率等因素，并在实验需求和实际条件之间进行综合权衡。)

在一些实施例中，一般要求RMS直径小于一个像元尺寸，根据如图4-8所示的不同波长的点列图，本申请中所有波长RMS直径皆小于一个像元尺寸(14um)，达到要求。其中，RMS是均方根半径，可以定量的反映这个系统实际的斑点大小。RMS RADIUS是重要的反映弥散质量的参数，它和在优化中和MF的值极大的吻合。

线阵CCD单个像素大小为14um，在每14微米一个像素的情况下，相机应该能够在28微米内拍摄一对线对(亮线和暗线)，这将导致35.7lp/mm的空间周期，那sensor的截止频率大致为35.7lp/mm，一般实际设计或使用时，调制传递函数MTF的对比度在0.8倍截止频率时大于0.15就行了，然后还要考虑0.15的装调和公差影响，所以，设计的sensor的MTF在0.8倍截止频率时的对比度大于0.3就可以满足设计需求了。本申请中的线阵CCD的MTF曲线在890nm波长处最差，其OTF模值都大于45.2，如图9所示，符合要求。

如图10所示光谱仪像面波前图，中心波长处RMS值为0.0242λ，小于1/4λ，且所有波长处RMS值皆小于1/4λ说明波像差达到瑞利标准。

衍射圈入能量如图11所示，所有波长圈入能量皆达到了91％以上(在890nm处最低，为91.4％)，能量分布较为均匀。衍射圈入能量用能量的方法来判断光斑聚焦的好坏，即光斑能量的集中程度。可以使用衍射圈入能量分析来评估光学系统的效率和性能。用环形圈入能量来描述随光斑的变大，所圈入能量的增加程度。若在越小光斑半径时圈入越多的能量，则说明此光斑聚焦效果越好。换言之，就是光斑能量向外扩散的快慢。

像素小于艾里斑半径是没有用的，因为它们会使光谱仪的衍射极限分辨率过采样。根据瑞利判据，当两个相邻的艾里斑距离为其半径时，这两个艾里斑勉强能够分辨出来。即一个线对宽度等于艾里斑的半径，在这个频率往上，系统是衍射受限的。哪怕没有任何像差，MTF都很差，细节几乎不可分辨。即艾里斑直径最大不能超过两个像元尺寸，否则该系统将无意义。艾里斑半径R＝1.22λF，由于λ是设计要求，那么F的选取就很重要，艾里斑过大或者过小都会带来问题，一般来说，让艾里斑半径等于所选探测器的像元尺寸。本设计艾里斑半径皆不超过14um，在12.22-13.6之间，符合要求。

最后需要说明的是，尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，包括：

光源，所述光源用于生成短波近红外光；

准直部分，所述准直部分用于对光源产生的短波近红外光进行准直；

分光部分，所述分光部分包括体相位全息透射式光栅，所述体相位全息透射式光栅用于对准直后的短波近红外光进行色散；

聚焦部分，所述聚焦部分用于将色散后的短波近红外光聚焦至焦平面上；

成像部分，所述成像部分设置在所述焦平面上。

2.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述光源为单模光纤，所述单模光纤的数值孔径NA为0.13-0.15，所述短波近红外光的光谱范围为800nm-890nm。

3.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述准直部分包括双胶合透镜，所述双胶合透镜的前曲面的曲面率为242.54，中曲面的曲面率为36.25，后曲面的曲面率为-39.37。

4.根据权利要求3所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述双胶合透镜的折射率范围为1.744-1.946。

5.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述体相位全息透射式光栅的密度为1200line/mm，所述体相位全息透射式光栅的入射角为30.464°。

6.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述体相位全息透射式光栅的表面设有抗反射涂层。

7.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述聚焦部分包括凸透镜及凹透镜；

所述凸透镜的第一曲面的曲面率为181.8，所述凸透镜的第二曲面的曲面率为-48.6，所述凹透镜的第一曲面的曲面率为-44.8，所述凹透镜的第二曲面的曲面率为-868。

8.根据权利要求1所述的体相位全息透射式光栅光谱仪，其特征在于，所述成像部分包括线阵CDD。