CN106769898B

CN106769898B - 多分辨率光谱仪

Info

Publication number: CN106769898B
Application number: CN201611249038.8A
Authority: CN
Inventors: 刘海辉; 王红球; 易裕民; 张建红; 王安凯
Original assignee: Nuctech Co Ltd
Current assignee: Nuctech Co Ltd
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2036-12-29
Also published as: WO2018121744A1; US20190360921A1; EP3564651A1; EP3564651A4; CN106769898A

Abstract

本发明的实施例提供了一种多分辨率光谱仪。该多分辨率光谱仪包括：入射狭缝，布置用于接收入射光束；准直装置，布置用于对来自入射狭缝的光束进行准直；色散装置，布置用于对经过准直装置准直的光束进行分色，以形成具有不同波长的多个子光束；成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，其中，所述入射狭缝具有第一狭缝部分和第二狭缝部分，所述第二狭缝部分具有比第一狭缝部分更大的宽度。

Description

多分辨率光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪领域，尤其涉及一种多分辨率光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种用途很广的分析仪器，尤其用于物质的鉴定和分析。光谱仪利用色散元件将不同波长混合在一起的光信号分解并排列到探测器上，最终得到代表着不同波长处的信号强度分布的光谱图线。光谱仪的分辨率表征了仪器对两个相邻波长信号间的分辨能力，决定了最终光谱图携带特征信息的精细程度。在光谱探测和分析中，光谱仪的分辨率参数对于精确地鉴别物质、确定其化学组成和相对含量有着重要的意义。

现有光谱仪通常采用单一宽度的狭缝，狭缝宽度确定后，分辨率就成了定值。不能保证分辨率和灵敏度兼得。

发明内容

本发明的目的是提供一种多分辨率光谱仪，其通过采用特定形状的入射狭缝，能够适应于多种分辨率的光谱图采集。

本发明的实施例提供了一种多分辨率光谱仪，包括：入射狭缝，布置用于接收入射光束；准直装置，布置用于对来自入射狭缝的光束进行准直；色散装置，布置用于对经过准直装置准直的光束进行分色，以形成具有不同的波长的多个子光束；成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，其中，所述入射狭缝具有第一狭缝部分和第二狭缝部分，所述第二狭缝部分具有比第一狭缝部分更大的宽度。

在一实施例中，所述色散装置布置成将所述多个子光束在第一方向上分离开，所述阵列式光子探测器具有多列探测单元，其中每列探测单元沿着与第一方向垂直的第二方向布置。

在一实施例中，所述多个子光束中的每个子光束在所述阵列式光子探测器上形成的图案包括分别对应于第一狭缝部分和第二狭缝部分的第一图案部分和第二图案部分，所述第二图案部分具有比第一图案部分更大的宽度。

在一实施例中，光谱图中的每条谱线由一列探测单元中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

在一实施例中，所述阵列式光子探测器具有沿着第二方向依次布置的第一区域和第二区域，所述第一图案部分形成于所述第一区域中，所述第二图案部分形成于所述第二区域中，所述光谱图包括第一子光谱图和第二子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第一区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第二区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

在一实施例中，所述狭缝还包括第三狭缝部分，所述第三狭缝部分具有比第二狭缝部分更大的宽度。

在一实施例中，所述多个子光束中的每个子光束在所述阵列式光子探测器上形成的图案包括分别对应于第一狭缝部分、第二狭缝部分和第三狭缝部分的第一图案部分、第二图案部分和第三图案部分，所述第二图案部分具有比第一图案部分更大但比第三图案部分更小的宽度。

在一实施例中，所述阵列式光子探测器具有沿着第二方向依次布置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一图案部分、第二图案部分和第三图案部分分别形成于所述第一区域、第二区域和第三区域中，所述光谱图包括第一子光谱图、第二子光谱图和第三子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第一区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第二区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第三子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第三区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

在一实施例中，所述入射狭缝具有宽度渐变的形状。

在一实施例中，所述准直装置包括准直透镜或凹面反射镜，所述色散装置包括分色光栅，所述成像装置包括会聚透镜或凹面反射镜。

如本发明的上述至少一个实施例中所述的多分辨率光谱仪，通过设置具有宽度不同的各个狭缝部分的入射狭缝，能够在对入射光束进行一次采集的过程中生成具有多种波长分辨率的光谱图。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的一实施例的多分辨率光谱仪；

图2a、2b、2c示意性地示出根据本发明的一实施例的多分辨率光谱仪的入射狭缝的形状的示例；

图3示意性地示出经过入射狭缝的光束经过色散装置之后成像在阵列式光子探测器上的图案的示例；

图4示意性地示出光谱图中的谱线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明的总体构思，提供一种多分辨率光谱仪，包括：入射狭缝，布置用于接收入射光束；准直装置，布置用于对来自入射狭缝的光束进行准直；色散装置，布置用于对经过准直装置准直的光束进行分色，以形成具有不同的波长的多个子光束；成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图，其中，所述入射狭缝具有第一狭缝部分和第二狭缝部分，所述第二狭缝部分具有比第一狭缝部分更大的宽度。

另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。

图1示意性地示出根据本发明的一实施例的多分辨率光谱仪100。该多分辨率光谱仪100可以包括入射狭缝10、准直装置20、色散装置30、成像装置40和阵列式光子探测器50。入射狭缝10布置用于接收入射光束。准直装置20布置用于对来自入射狭缝10的光束60进行准直。色散装置30布置用于对经过准直装置20准直的光束进行分色，以形成具有不同的波长的多个子光束61、62(例如波长分别为λ₁和λ₂)。成像装置40布置用于将所述多个子光束61、62分别成像在所述阵列式光子探测器50上。所述阵列式光子探测器50用于将成像到其上的多个子光束61、62的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图。如图2a所示，入射狭缝10具有第一狭缝部分11和第二狭缝部分12，所述第二狭缝部分12具有比第一狭缝部分11更大的宽度。

在光谱仪***的设计开发过程中，入射狭缝的宽度直接影响了分辨率的高低——狭缝越窄，分辨率越高；狭缝越宽，分辨率越低。单一地减小狭缝宽度虽然可以提高分辨率，但是会导致光通量减小，即信号强度下降。如果整个狭缝宽度都一致，则只能实现一种分辨率。而本发明的实施例中的多分辨率光谱仪中的入射狭缝10至少具有两种不同宽度的狭缝部分，这样在阵列式光子探测器50上产生的子光束的图案也可以实现不同的波长分辨率。于是，在对入射光束的一次采集中就可以产生具有多种波长分辨率的光谱图。这可以为用户提供多种选择，从而更好地平衡分辨率和光通量的要求。

虽然在上述实施例中仅提到了第一狭缝部分11和第二狭缝部分12，但是在本发明的实施例中，并不限于包括两个狭缝部分的入射狭缝，例如入射狭缝10还可以包括第三狭缝部分13(如图2b所示)，所述第三狭缝部分13具有比第二狭缝部分12更大的宽度。本领域技术人员应当理解，入射狭缝10也还可以包括四个、五个或更多的具有不同的宽度的狭缝部分。

在一示例中，色散装置30(例如可以为分色光栅)可以布置成将所述多个子光束61、62在第一方向(如图3中所示的x方向)上分离开，所述阵列式光子探测器50具有多列探测单元51、52，其中每列探测单元51、52沿着与第一方向垂直的第二方向(如图3中所示的y方向)布置。这意味着具有不同的波长的子光束61、62在空间上被分列开，从而阵列式光子探测器50可以独立地接收光束中的不同波长成分的光信号。

作为示例，所述多个子光束61、62中的每个子光束在所述阵列式光子探测器50上形成的图案包括分别对应于第一狭缝部分11和第二狭缝部分12的第一图案部分81、81’和第二图案部分82、82’，所述第二图案部分82、82’具有比第一图案部分81、81’更大的宽度。如图3所示，波长为λ₁的第一子光束61在阵列式光子探测器50上形成第一子光束图案91，波长为λ₂的第二子光束62在阵列式光子探测器50上形成第二子光束图案92。第一子光束图案91具有第一图案部分81和第二图案部分82，第二子光束图案92也具有第一图案部分81’和第二图案部分82’。从图3上可以看出，第一图案部分81、81’的宽度比较小，而第二图案部分82、82’的宽度比较大，但相邻的第二图案部分82、82’的中心之间的间距与相邻的第一图案部分81、81’的中心之间的间距是相同的。这样，对于第一图案部分81、81’而言，即使子光束的分布更密集一些，也仍然能够将相邻的第一图案部分81、81’分辨出来，而在同等的情况下，相邻的第二图案部分82、82’可能就难以分辨。也就是说，第一图案部分81、81’的分辨率比第二图案部分82、82’的分辨率更高。

作为示例，图3还示出了在入射狭缝10还包括第三狭缝部分13的情况下第一子光束图案91和第二子光束图案92中包含的第三图案部分83、83’。如前所述，在本发明的实施例中还可能设置更多的狭缝部分，相应地，在第一子光束图案91和第二子光束图案92中也可能包括第四、第五或更多的图案部分。

在一示例中，光谱图中的每条谱线101、102(如图4所示)可以由一列探测单元51、52中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。在这种情况下，可以形成单一的光谱图，而该光谱图的分辨率是各个图案部分(例如第一图案部分81、81’和第二图案部分82、82’或者第一图案部分81、81’、第二图案部分82、82’和第三图案部分83、83’)的分辨率的折衷。

而在另一示例中，所述阵列式光子探测器50具有沿着第二方向(例如图3中的y方向)依次布置的第一区域71和第二区域72，所述第一图案部分81、81’形成于所述第一区域71中，所述第二图案部分82、82’形成于所述第二区域72中。所述光谱图包括第一子光谱图和第二子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元51、52中处于第一区域71中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元51、52中处于第二区域72中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。以这种方式，在对入射光束进行一次采集的情况下可以同时生成至少两种具有不同的波长分辨率的光谱图。如前所述，波长分辨率高可能会导致光信号变弱(光通量变小)，而光谱仪的使用者在对于信号分析要求较高的应用中寻求波长分辨率和光信号强度的最佳平衡是有益处的，甚至可能需要对于两种以上的具有不同波长分辨率的光谱图一起进行分析来提高光谱仪的检测精度。因此，利用入射狭缝的一次采集(或一次成像)来同时提供具有不同波长分辨率的光谱图，对于光谱仪检测信号的优化是有帮助的。

作为示例，如图3所示，所述多个子光束61、62中的每个子光束在所述阵列式光子探测器50上形成的图案可以包括分别对应于第一狭缝部分11、第二狭缝部分12和第三狭缝部分13的第一图案部分81、81’、第二图案部分82、82’和第三图案部分83、83’，所述第二图案部分82、82’具有比第一图案部分81、81’更大但比第三图案部分83、83’更小的宽度。这为基于同一入射狭缝同时提供三种波长分辨率的光谱图提供可能。在一示例中，所述阵列式光子探测器50具有沿着第二方向(如图3中的y方向)依次布置的第一区域71、第二区域72和第三区域73。所述第一图案部分81、81’、第二图案部分82、82’和第三图案部分83、83’分别形成于所述第一区域71、第二区域72和第三区域73中，所述光谱图包括第一子光谱图、第二子光谱图和第三子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元51、52中处于第一区域71中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元51、52中处于第二区域72中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第三子光谱图中的每条谱线由一列探测单元51、52中处于第三区域73中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。在上述示例中，第一子光谱图、第二子光谱图和第三子光谱图具有不同的波长分辨率。第一图案部分81、81’、第二图案部分82、82’和第三图案部分83、83’分别代表三种波长。该图案部分的宽度越小，占据的探测器上的像素也越少，对应的波长分辨率也就越高。因此，在图3的示例中，第一子光谱图的波长分辨率高于第二子光谱图的波长分辨率，第二子光谱图的波长分辨率高于第三子光谱图的波长分辨率。同时提供三种具有不同波长分辨率的子光谱图，可以进一步提高光谱仪对于检测应用的适应性。

在一示例中，入射狭缝10可以具有宽度渐变的形状，如图2c所示。这种形状的入射狭缝10也可以被划分成多个具有不同宽度的狭缝部分。在图2a和2b所示的示例中，每一段狭缝部分都具有固定的宽度。而对于图2c所示的示例，由于是宽度渐变的，因此划分之后的狭缝部分的宽度也不是完全一致的。与包含各个具有固定宽度的狭缝部分的入射狭缝(如分阶形状)相比，图2c所示的示例的优势在于可以根据需要来划分各个狭缝部分以及阵列式光子探测器50上的各个区域(例如第一区域71、第二区域72和第三区域73等)以更灵活地获取各个光谱子图，但缺点是更容易引入相邻波长之间的串扰。

虽然图2a至图2c给出了一些入射狭缝的示例，但是在本发明的实施例中，入射狭缝的形状不限于此，例如，在同一入射狭缝中的各个狭缝部分的中心可以位于同一条中心线上(如图2a至图2c所示)，但也可以不位于同一条中心线上(即各个狭缝部分可以彼此之间具有横向偏移)。再例如，在同一入射狭缝中的各个狭缝部分的宽度可以依次变大(如图2a至图2c所示)，但也可以任意排列，如对于图2b的示例，宽度最大的狭缝部分可以位于其它两个狭缝部分之间，而不是位于最下方。

在本发明的实施例中，每个子光束71、72具有第一子光束部分(对应于第一图案部分81、81’)和第二子光束部分(对应于第二图案部分82、82’)。在本发明的实施例中，色散装置可以将入射光束60在第一方向(例如图3中示出的x方向)上分解成多个子光束，每个子光束具有各自的波长，而入射狭缝的宽度不同的各个狭缝部分可以将每个子光束在第二方向(例如图3中示出的y方向)上分成宽窄不同的各个子光束部分，以获得不同的波长分辨率。作为示例，在根据本发明的实施例的多分辨率光谱仪中，入射狭缝10中的各个狭缝部分可以沿着第二方向排布，但这不是必须的，例如，入射狭缝10中的各个狭缝部分也可以沿着除第二方向之外的其它方向排布，为了使子光束在阵列式光子探测器50上形成的例如第一图案部分81、81’、第二图案部分82、82’和第三图案部分83、83’等图案部分可以沿着第二方向排布，可以在多分辨率光谱仪的光路中将成像方向(必要时可以设置光束折叠或旋转部件)调节成期望的方向。

在根据本发明的实施例的多分辨率光谱仪中，准直装置20例如可以包括准直透镜或凹面反射镜，色散装置30例如可以包括分色光栅，成像装置40例如可以包括会聚透镜或凹面反射镜。然而，本发明的实施例不限于此，准直装置20、色散装置30和成像装置40也可以采用本领域已知的任何其它形式的准直装置、色散装置和成像装置。根据本发明的实施例的多分辨率光谱仪可以用于各种光谱(例如拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等)的检测和物质鉴定等应用。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims

1.一种多分辨率光谱仪，包括：

入射狭缝，布置用于接收入射光束；

准直装置，布置用于对来自入射狭缝的光束进行准直；

色散装置，布置用于对经过准直装置准直的光束进行分色，以形成具有不同波长的多个子光束；

成像装置和阵列式光子探测器，所述成像装置布置用于将所述多个子光束分别成像在所述阵列式光子探测器上，所述阵列式光子探测器用于将成像到其上的多个子光束的光信号转换成电信号，所述电信号用于形成光谱图；

其中，所述入射狭缝具有第一狭缝部分和第二狭缝部分，所述第二狭缝部分具有比第一狭缝部分更大的宽度，

其中，所述色散装置布置成将所述多个子光束在第一方向上分离开，所述阵列式光子探测器具有多列探测单元，其中每列探测单元沿着与第一方向垂直的第二方向布置，且其中所述多个子光束中的每个子光束在所述阵列式光子探测器上形成的同一图案包括分别对应于第一狭缝部分和第二狭缝部分的第一图案部分和第二图案部分，所述第二图案部分具有比第一图案部分更大的宽度，相邻的第二图案部分的中心之间的间距与相邻的第一图案部分的中心之间的间距是相同的。

2.根据权利要求1所述的多分辨率光谱仪，其中，光谱图中的每条谱线由一列探测单元中的所有探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

3.根据权利要求1所述的多分辨率光谱仪，其中，所述阵列式光子探测器具有沿着第二方向依次布置的第一区域和第二区域，所述第一图案部分形成于所述第一区域中，所述第二图案部分形成于所述第二区域中，所述光谱图包括第一子光谱图和第二子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第一区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第二区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

4.根据权利要求1所述的多分辨率光谱仪，其中，所述狭缝还包括第三狭缝部分，所述第三狭缝部分具有比第二狭缝部分更大的宽度。

5.根据权利要求4所述的多分辨率光谱仪，其中，所述多个子光束中的每个子光束在所述阵列式光子探测器上形成的图案包括分别对应于第一狭缝部分、第二狭缝部分和第三狭缝部分的第一图案部分、第二图案部分和第三图案部分，所述第二图案部分具有比第一图案部分更大但比第三图案部分更小的宽度。

6.根据权利要求5所述的多分辨率光谱仪，其中，所述阵列式光子探测器具有沿着第二方向依次布置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一图案部分、第二图案部分和第三图案部分分别形成于所述第一区域、第二区域和第三区域中，所述光谱图包括第一子光谱图、第二子光谱图和第三子光谱图，所述第一子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第一区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第二子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第二区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成，所述第三子光谱图中的每条谱线由一列探测单元中处于第三区域中的探测单元所获得的电信号的叠加输出而生成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多分辨率光谱仪，其中，所述入射狭缝具有宽度渐变的形状。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的多分辨率光谱仪，其中，所述准直装置包括准直透镜或凹面反射镜，所述色散装置包括分色光栅，所述成像装置包括会聚透镜或凹面反射镜。