CN102141440A - 高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学*** - Google Patents

高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学*** Download PDF

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CN102141440A CN 201010613585 CN201010613585A CN102141440A CN 102141440 A CN102141440 A CN 102141440A CN 201010613585 CN201010613585 CN 201010613585 CN 201010613585 A CN201010613585 A CN 201010613585A CN 102141440 A CN102141440 A CN 102141440A
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张新
王灵杰
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Abstract

高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，涉及光学分析仪器领域，它解决了现有光学***的仪器的光谱分辨力差、光能传递效率低且仪器加工装调复杂的问题，本发明***包括光纤接口、狭缝、准直物镜、成像物镜和探测器像面；它还包括平面反射光栅和转动平台，所述平面反射光栅安装在转动平台上，样品光源耦合至光纤接口后经过狭缝入射至准直物镜，所述光源经准直物镜出射的平行光束入射至平面反射光栅后反射至成像物镜，经所述成像物镜后的光束成像至探测器像面处形成图像信号，分析样品光源的光谱吸收成分；所述准直物镜和成像物镜为球面反射镜。本发明广泛应用于野外地址、水文勘测及军事侦查的便携光谱仪中。

Description

高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***
技术领域
本发明涉及光学分析仪器领域，具体涉及一种高分辨、微小型、宽光谱反射式光栅光谱仪光学***。
背景技术
微小型光纤光谱仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点，如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，可以应用在实验室物理化学分析、临床医学检验、工业过程监控、航空航天遥感等领域。
目前光谱仪器其结构的微小型化往往导致了下面三个问题：一是仪器性能指标较差，主要是光谱分辨力；二是光能传递效率较低；三是加工及装调复杂、难度较大，导致成本较高和无法实现一体化混合集成。
目前，与本发明接近的已有技术是2008年5月28日公开的中国发明专利，其专利名称为《宽光谱高分辨率微型光谱仪》，专利号为200710093178.5，此宽光谱高分辨率微型光谱仪的结构如图1所示：其由第一狭缝1、第二狭缝2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜4、第一凹面反射光栅5、第二凹面反射光栅6和光电探测器7组成；该光学***通过控制电路，达到闭合第一狭缝1和第二狭缝2，实现只有一路光进入光学***，从而对不同波段进行分光。这种将光谱仪***不同波段进行多光路分光的设计思路，虽然可以实现宽光谱范围，但仍然存在以下不足之处：一、对于光谱仪的小型化是没有好处的；二、在成像***中采用单块凹面反射光栅，对于像差的校正能力有限，很难达到较高的分辨率；三、由于***的复杂化，对于元件的加工和装调的难度大大增加；四、由于光源经过分光其能量利用率大大下降。
发明内容
本发明为解决现有光学***仪器的光谱分辨力差、光能传递效率低且仪器加工装调复杂的问题，提供一种高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***。
高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，该***包括光纤接口、狭缝、准直物镜、成像物镜和探测器像面；它还包括平面反射光栅和转动平台，所述平面反射光栅安装在转动平台上，样品光源耦合至光纤接口后经过狭缝入射至准直物镜，所述光源经准直物镜出射的平行光束入射至平面反射光栅后反射至成像物镜，经所述成像物镜后的光束成像至探测器像面处形成图像信号，分析样品光源的光谱吸收成分；所述准直物镜和成像物镜为球面反射镜。
本发明的工作原理：本发明所述的高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***采用反射式结构形式，经过样品并携带物质光谱信息的光源耦合进光纤，经过狭缝照射到准直物镜上，出射的平行光线照射到平面反射光栅，并反射到成像物镜，成像物镜将光线成像到探测器像面处。本发明所述***实现了从紫外到中红外的宽光谱范围，通过转动平台转动平面反射光栅在子午方向的角度，从而调整准直光线在平面反射光栅上的入射角度和衍射光线的衍射角度，实现了较宽的光谱工作波段。所述***将焦平面位置调整至子午像面处，使***像散量在子午方向最小，进而使成像谱线尺寸在子午方向上(即谱线排列方向)宽度最小，有利于不同光谱段之间的分辨。所述***将平面反射光栅放置在至球面反射镜距离为0.423R时，所述R为球面反射镜曲率半径，使***子午场曲为零，进而使成像谱线在探测器上形成的弥散斑最小，平直性最好，增加了光谱仪的分辨力。本发明所述的准直物镜和成像物镜采用曲率相同的球面反射镜，只是采用了不同的口径，使准直物镜和成像物镜的加工和装调更容易实现，平面反射光栅作为分光元件，通过平面光栅子午方向的角度变化实现较宽的光谱。
本发明的有益效果：本发明光学***体积小，重量轻；通过改变光栅角度实现宽光谱范围；两个凹球面反射镜的使用有效的避免了二次衍射，很好的抑制了杂散光；结构安排合理，实现了较高的分辨率；本发明***获得宽的光谱范围，高的分辨率，同时***的加工公差宽。
附图说明
图1为现有光学***的结构示意图；
图2为本发明所述的高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***的结构示意图。
图中：1、第一狭缝，2、第二狭缝，3、第一平面反射镜，4、第二平面反射镜，5、第一凹面反射光栅，6、第二凹面反射光栅，7、光电探测器，8、光纤接口，9、狭缝，10、准直物镜，11、平面反射光栅，12、转动平台，13、成像物镜，14、探测器像面。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，该***包括该***包括光纤接口8、狭缝9、准直物镜10、成像物镜13和探测器像面14；它还包括平面反射光栅11和转动平台12，所述平面反射光栅11安装在转动平台12上，样品光源耦合至光纤接口8后经过狭缝9入射至准直物镜10，所述光源经准直物镜10出射的平行光束入射至平面反射光栅11后反射至成像物镜13，经所述成像物镜13后的光束成像至探测器像面14处形成图像信号，分析样品光源的光谱吸收成分；所述准直物镜10和成像物镜13为球面反射镜。
本实施方式所述的准直物镜10和成像物镜13为半径相同曲率中心重合的凹球面反射镜，有效的避免了二次衍射所带来的杂散光背景；便于反射镜的加工和装调，使***具有较宽的公差带；
本实施方式将平面反射光栅11安装在转动平台12上，对于不同波段的入射光进行调整，实现宽光谱范围；
本发明所述的光学***采用完全对称结构，使***的彗差得到很好的控制，几乎为零；本发明实现从紫外到中红外的宽谱段，所述光学***为体积小，结构简单，公差带较宽，并且能够获得较高分辨率的光谱仪光学***。本发明特别适合应用在实验室物理化学分析、临床医学检验、工业过程监控、航空航天遥感等领域。

Claims (3)

1.高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，该***包括光纤接口(8)、狭缝(9)、准直物镜(10)、成像物镜(13)和探测器像面(14)；其特征是，它还包括平面反射光栅(11)和转动平台(12)，所述平面反射光栅(11)安装在转动平台(12)上，样品光源耦合至光纤接口(8)后经过狭缝(9)入射至准直物镜(10)，所述光源经准直物镜(10)出射的平行光束入射至平面反射光栅(11)后反射至成像物镜(13)，经所述成像物镜(13)后的光束成像至探测器像面(14)处形成图像信号，分析样品光源的光谱吸收成分；所述准直物镜(10)和成像物镜(13)为球面反射镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，其特征在于，所述准直物镜(10)和成像物镜(13)为半径相同、曲率中心重合的凹球面反射镜。
3.根据权利要求1所述的高分辨、微小型、宽光谱反射式光谱仪光学***，其特征在于，该***的工作波段为紫外、可见、近红外和中红外波段范围。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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