CN105675132B - 消像散光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消像散光谱仪，该消像散光谱仪包括：入射狭缝；准直元件，设置于所述入射狭缝之后，用于将所述入射狭缝出射的光线变为平行光；色散元件，接收所述准直元件出射的平行光，用于将所述平行光在空间上按波长分散成为多条光束；聚焦元件，接收所述色散元件出射的多条光束，用于聚焦色散后的光束；探测装置，放置于所述聚焦元件出射光线的焦平面，用于测量各波长的聚焦光斑的强度；消像散元件，设置于所述探测装置之前，用于校正各波长的像散，在所述焦平面上获得能量集中的聚焦光斑。因此，实施本发明能够校正像散，提高收集效率及灵敏度。

Description

消像散光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种消像散光谱仪。

背景技术

传统的非成像型光栅光谱仪通常对像散要求不高，主要是因为像散不会影响其光谱分辨率；然而，像散会导致焦平面上的谱线的能量集中度降低，入射狭缝处的点光源在焦平面上成一细长的光条，因此，当使用线阵探测器时，只能截取并采集到较少的能量。并且，由于不同波长的像散情况不一致，使得谱线弥散程度不一，所以光谱仪对于不同波段的响应不一致。

目前，通用型非成像光谱仪出于结构及成本的考虑，通常只对光谱分辨率有所要求，而对像散校正的要求并不高，其中一种较典型的光谱仪结构是切尼尔-特纳结构的光谱仪，如图1所示，该切尼尔-特纳结构的光谱仪包括入射狭缝1、准直镜2、发射光栅3、聚焦镜4和探测器5。

为了避免光路结构的干涉，同时在满足光谱分辨率的前提下，可通过优化准直镜入射角及聚焦镜入射角，这样能够一定程度减小像散，但其残留像散通常还是比较大。

对于成像光谱仪来讲，其要求入射到狭缝上的光点在焦平面上也成一个像点从而与周围物点的像分开达到“成像”的目的，这意味着对像散校正提出了严格要求。为了满足这一要求，光路结构中需要将聚焦镜改成复杂的超环面镜或者将平面光栅改成曲面光栅的设计，但这都将大幅增加光学元件的加工难度，从而增加光谱仪的成本。另外，业内还提出一种方案就是在光路结构中增加一面反射式柱面镜来消除色差，但这种方法的弊端在于增加一面反射镜会导致光路变大，不利于光谱仪的小型化，且交叉式切尼尔-特纳结构的光谱仪由于机构的紧凑而无法加入该反射式柱透镜。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出一种消像散光谱仪，能够校正像散，提高收集效率及灵敏度。

进一步来讲，该消像散光谱仪包括：入射狭缝；准直元件，设置于所述入射狭缝之后，用于将所述入射狭缝出射的光线变为平行光；色散元件，接收所述准直元件出射的平行光，用于将所述平行光在空间上按波长分散成为多条光束；聚焦元件，接收所述色散元件出射的多条光束，用于聚焦色散后的光束；探测装置，放置于所述聚焦元件出射光线的焦平面，用于测量各波长的聚焦光斑的强度；消像散元件，设置于所述探测装置之前，用于校正各波长的像散，在所述焦平面上获得能量集中的聚焦光斑。

可选地，在一些实施例中，所述消像散元件为柱透镜，所述柱透镜与所述焦平面平行设置。

可选地，在一些实施例中，所述消像散元件为柱透镜，所述柱透镜与所述焦平面成倾斜角度设置，根据所述柱透镜的曲率半径及所述柱透镜与焦平面的距离，调整不同波长的光经过所述柱透镜后到达焦平面的光程。

可选地，在一些实施例中，所述柱透镜的倾斜角度及曲率半径根据实际像散的大小及其随波长的变化关系设置；其中，所述柱透镜的曲率半径范围为2～20mm；所述柱透镜的倾斜角度的取值范围为0～15°

可选地，在一些实施例中，所述柱透镜适用于对称式和非对称式切尼尔-特纳结构。

可选地，在一些实施例中，所述色散元件为光栅或分光棱镜。

可选地，在一些实施例中，所述准直元件为反射镜或透镜。

可选地，在一些实施例中，所述探测装置为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)阵列、光电二极管阵列、光电倍增管或其他单点探测器。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优点：

采用本发明实施例的技术方案后，上述消像散光谱仪通过在原有的光栅光谱仪***中加入消像散元件，可以极大的减小光谱仪在其设计波段范围内的像散，能提高非成像光谱仪的收集效率，从而在焦平面上获得能量集中度更高的聚焦光斑，同时不会降低光谱仪的光谱分辨率。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为相关技术中典型的对称式切尼尔-特纳光谱仪结构示意图；

图2为本发明实施例中倾斜柱透镜消像散光谱仪的结构示意图；

图3为本发明实施例中用于消像散的柱透镜结构示意图；

图4a-c分别为本发明实施例中探测器平面聚焦光斑像散的示意图；其中，a为非成像光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图，b为柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图，c为倾斜柱透镜消像散光谱仪中柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图；

图5a-5c分别为本发明实施例中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系示意图；其中，a为非成像光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系示意图，b为柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系示意图，c倾斜柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系示意图。

附图标记说明

1 入射狭缝

2 准直镜

3 发射光栅

4 聚焦镜

5 探测器

10 入射狭缝

20 准直元件

30 色散元件

40 聚焦元件

50 探测装置

60 消像散元件

a 柱透镜的宽度

b 柱透镜的长度

d 柱透镜的厚度

R 柱透镜的曲率半径

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

为校正光谱仪在测量中的像散，本实施例提出一种消像散光谱仪。参照图2所示，为对称切尼尔-特纳结构的光谱仪，该消像散光谱仪包括：入射狭缝10、准直元件20、色散元件30、聚焦元件40、探测装置50及消像散元件60。

其中，准直元件20设置于入射狭缝10之后，用于将入射狭缝10出射的光线变为平行光。色散元件30接收准直元件20出射的平行光，用于将平行光在空间上按波长分散成为多条光束。聚焦元件40接收色散元件30出射的多条光束，用于聚焦色散后的光束。探测装置50放置于聚焦元件40出射光线的焦平面，用于测量各波长的聚焦光斑的强度。消像散元件60设置于探测装置50之前，用于校正各波长的像散，在焦平面上获得能量集中的聚焦光斑。非对称切尼尔-特纳结构的光谱仪组成元件同上，不同的是聚焦元件40汇聚光线与入射狭缝10出射光线及准直元件20出射的平行光线交叉，光谱仪结构更为紧凑。

需要说明的是，上述消像散光谱仪中，入射狭缝10、准直元件20、色散元件30、聚焦元件40、探测装置50在几何上无干涉。

本实施例中，上述消像散光谱仪通过在原有的光栅光谱仪***中加入消像散元件60，可以极大的减小光谱仪在其设计波段范围内的像散，能提高光谱仪的收集效率，从而在焦平面上获得能量集中度更高的聚焦光斑，同时不会降低光谱仪的光谱分辨率。

作为一种可选的实施方式，上述消像散光谱仪中，消像散元件60为柱透镜，柱透镜与焦平面平行设置，此时，该消像散光谱仪可称为柱透镜消像散光谱仪。参照图3所示，柱透镜为非轴对称光学元件，只在一个方向上有曲率，而与之垂直的方向上曲率为零，所以能在一个方向上随光束进行汇聚和发散，因此，本实施例可利用柱透镜的这一特性来校正某一波长的像散。

作为另一种可选的实施方式，由于各波长上的像散的大小各不相同，在相同距离的情况下同样曲率的柱透镜面所校正的像散的量基本一致，且像散的校正效果还与入射光线的空间入射角有关系，故与焦平面平行的柱透镜只能针对某一波长校正像散，其他波长位置校正量有限；因此，上述消像散光谱仪中的消像散元件60采用柱透镜，且柱透镜与焦平面成倾斜角度设置，根据柱透镜的曲率半径及柱透镜与焦平面的距离，调整不同波长的光经过柱透镜后到达焦平面的光程。

可选地，上述消像散光谱仪中，柱透镜的倾斜角度β及曲率半径根据实际像散的大小及其随波长的变化关系设置。如图3所示，其中，a、b、d、R分别为柱透镜的宽度、长度、厚度和曲率半径，柱透镜的曲率半径R的范围为2～20mm。柱透镜的倾斜角度β的范围为0°～15°。

上述实施例中，采用倾斜柱透镜的方法用于光栅光谱仪的消色散设计，通过在原有的光栅光谱仪***中加入有一定夹角的柱透镜，根据实际光谱仪像散的大小及其随波长的变化关系，设计柱透镜的曲率半径及倾斜角度，可以极大的减小光谱仪在其设计波段范围内的像散，从而在焦平面上获得能量集中度更高的聚焦光斑，且使得各波段光能的汇聚效率趋于一致。并且，上述实施例能提高光谱仪的收集效率，提高仪器的灵敏度和各波段的响应的均匀性，特别适合于暗弱光谱信号测量的光谱仪器的使用。

作为一种可选的实施方式，上述消像散光谱仪中，柱透镜适用于对称式和非对称式切尼尔-特纳结构。本实施例的透射式柱透镜方法还不会增加光路的长度，对称式和非对称式切尼尔-特纳结构都能使用，也不会降低光谱仪的光谱分辨率。

作为一种可选的实施方式，上述消像散光谱仪中，色散元件30为光栅或分光棱镜。

作为一种可选的实施方式，上述消像散光谱仪中，准直元件20为反射镜或透镜。

作为一种可选的实施方式，上述消像散光谱仪中，探测装置50为CCD阵列、光电二极管阵列、光电倍增管或其他单点探测器。

下面，为更好地说明上述各实施例中消像散光谱仪的校正像散的功能特点，结合图4a-4c和图5a-5c对其作进一步阐述：

图4a-4c分别为本发明实施例中探测器平面聚焦光斑像散的示意图；其中，图4a为非成像光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图，图4b为柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图，图4c为倾斜柱透镜消像散光谱仪中柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑像散示意图。

图5a-5c分别为本发明实施例中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系示意图，其中，图5a为非成像光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图，图5b为柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图，图5c倾斜柱透镜消像散光谱仪中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图。

由于对称式和交叉式切尼尔-特纳结构的光谱仪其焦平面存在像散，且像散的大小随着波长的变化而变化。通过对比图4a、图4b及图4c中，各探测器平面聚焦光斑像散的大小，可以明显看出通过在原有光路上增加柱透镜并倾斜，能够很好地消除像散，对比如下：

1)非成像光谱仪

图4a所示为一种像散随着波长的增大而增大的像面弥散光斑的示意图。图5a所示为一种设计实例中探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图，该图可表征此时像散的大小，该设计实例中像散随着波长从0.796μm到1.05μm的变化而变大，由像散所导致的光斑尺寸从40μm到190μm。

2)柱透镜消像散光谱仪

利用柱透镜能在一个方向上对光束进行汇聚和发散的这一特性来校正像散。但由于各波长上的像散的大小各不相同，在相同距离的情况下同样曲率的柱透镜面所校正的像散的量基本一致，且像散的校正效果还与入射光线的空间入射角有关系，故与焦平面平行的柱透镜只能针对某一波长校正像散，其他波长位置校正量有限。例如：如图4b所示，其为对中心波长消像散后各波长在像面上的弥散光斑的示意图；如图5b所示，为一种设计实例中加入柱透镜对中心波长0.925um处消像散后，探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图，此时中心波长的像散校正到较好的水平，而两端光斑尺寸仍然有30～40μm。

3)倾斜柱透镜消像散光谱仪

为了权衡各波长的像散，通过微量的倾斜柱透镜，同时调整柱透镜的曲率及柱透镜与焦平面的距离，即可实现不同波长的光经过柱透镜后到达焦平面的光程不一样，从而各波长的像差校正量不一样，以此来补偿各波段的像散。

图4c所示为通过倾斜柱透镜消像散后各波长在像面上的弥散光斑的示意图，各波长的像散均能达到较小的水平；图5c所示为一种设计实例中加入倾斜柱透镜对全波长范围内进行像散均衡校正后，探测器平面聚焦光斑均方根半径随波长的变化关系图，此时各波长的像散校正到较好的水平。

与现有的光谱仪相比，本发明上述各实施例具有以下优点：

本发明实施例中，通过在原有的光栅光谱仪***中加入柱透镜，可以大幅减小光谱仪在其设计波段范围内的像散。其中，柱透镜可平行焦平面设置，对于各波长上的像散的大小各不相同，在相同距离的情况下同样曲率的柱透镜面所校正的像散的量基本一致，且像散的校正效果还与入射光线的空间入射角有关系，故与焦平面平行的柱透镜只能针对某一波长校正像散，其他波长位置校正量有限。

另外，可通过在原有的光栅光谱仪***中加入有一定夹角的柱透镜，进一步提升像散的校正效果。根据实际光谱仪像散的大小及其随波长的变化关系，设计柱透镜的曲率及倾斜角度，可以极大的减小光谱仪在其设计波段范围内的像散，从而在焦平面上获得能量集中度更高的聚焦光斑，且使得各波段光能的汇聚效率趋于一致，能提高光谱仪的收集效率，提高仪器的灵敏度和各波段的响应的均匀性。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种消像散光谱仪，其特征在于，包括：

入射狭缝(10)；

准直元件(20)，设置于所述入射狭缝(10)之后，用于将所述入射狭缝(10)出射的光线变为平行光；

色散元件(30)，接收所述准直元件(20)出射的平行光，用于将所述平行光在空间上按波长分散成为多条光束；

聚焦元件(40)，接收所述色散元件(30)出射的多条光束，用于聚焦色散后的光束；

探测装置(50)，放置于所述聚焦元件(40)出射光线的焦平面，用于测量各波长的聚焦光斑的强度；

消像散元件(60)，设置于所述探测装置(50)之前，用于校正各波长的像散，在所述焦平面上获得能量集中的聚焦光斑；所述消像散元件(60)为平凸柱面透镜；所述消像散元件(60)与所述焦平面成倾斜角度设置；所述消像散元件(60)的倾斜角度及曲率半径根据实际像散的大小及其随波长的变化关系设置；其中，所述消像散元件(60)的曲率半径范围为2～20mm；所述消像散元件(60)的倾斜角度的取值范围为0～15°。

2.根据权利要求1所述的消像散光谱仪，其特征在于，所述消像散元件(60)为柱透镜，所述柱透镜与所述焦平面成倾斜角度设置，根据所述柱透镜的曲率半径及所述柱透镜与焦平面的距离，调整不同波长的光经过所述柱透镜后到达焦平面的光程。

3.根据权利要求2所述的消像散光谱仪，其特征在于，所述柱透镜适用于对称式和非对称式切尼尔-特纳结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的消像散光谱仪，其特征在于，所述色散元件(30)为光栅或分光棱镜。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的消像散光谱仪，其特征在于，所述准直元件(20)为反射镜或透镜。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的消像散光谱仪，其特征在于，所述探测装置(50)为CCD阵列、光电二极管阵列、光电倍增管或其他单点探测器。