CN110926613B - 一种消慧差宽带高分辨光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种消慧差宽带高分辨光谱仪，包括入射狭缝、准直反射镜、集成光栅、二维聚焦成像镜和二维面阵探测器；入射光沿入射狭缝入射，并穿过集成光栅中心的通光孔，入射到准直反射镜上，入射光经准直反射镜准直后沿同轴光路L1入射到集成光栅，经集成光栅的各子光栅衍射后被二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区的衍射光沿同轴光路L2，入射到二维面阵探测器的焦平面检测，L1和L2光路的离轴角为零。本发明无任何机械位移部件，实现全光谱区在衍射方向完全消除慧差影响差的宽光谱高分辨高速检测和分析，具有很高的光谱分辨率和工作可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种多通道宽带高分辨光谱仪。
背景技术
光谱仪又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝，一个色散***，一个成像***和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。
单色仪是一种光子能量和波长选择器，是一种基本的光谱分析和测量仪器，在光学和光电子领域有着广泛的应用，其中应用最广泛的是光栅型单色仪。依据光栅衍射原理：
d sinθm＝mλ+go
式中d是光栅的槽间距，θm是第m级的波长为λ的光子在空间的分布角，go是与光学***设计有关的常数，取m＝1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级高效率衍射光子。
在传统光栅单色仪设计中，固定入射和出射狭缝位置不变，采用一个机械传动装置，控制光栅的θ角转动，实现对波长进行扫描。
采用上述结构的光栅单色仪的主要特点为：
1、采用光学准直***，对入射光进行准直，变为平行光，入射到光栅。
2、采用机械结构对光栅的方位角进行转动，实现波长扫描。
3、采用聚焦光学***，将来自光栅的不同波长的衍射光谱进行聚焦后，汇聚到探测器的焦平面上，对丰富的光谱学进行高分辨率检测和分析。
而在上述功能特点中，由于光学结构的限制，在光路准直和衍射光的检测分析中，都采用了离轴光路，被广泛应用于常规光谱分析仪中。其主要缺点是离轴光路将产生难以被克服的慧差等光学缺陷。在原理和实验上已对导致光学慧差的原因，以及克服其影响进行了研究，但未能从根本上消除其影响。虽然通过特殊的光学设计，能够在有限波长位置减小慧差误差，却不能在所有波长克服慧差影响，或必须以降低光强效率为代价，这不利于高性能光谱仪的研究和应用。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种无需任何机械传动机构的消慧差宽带高分辨光谱仪。
技术方案：本发明所述消慧差宽带高分辨光谱仪，包括入射狭缝、准直反射镜、集成光栅、二维聚焦成像镜和二维面阵探测器；
其中，所述集成光栅由多块子光栅组成，各子光栅沿垂直于入射面的y方向排列，每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围；集成光栅的中心设置有一通光孔；
入射光沿入射狭缝入射，并穿过集成光栅中心的通光孔，入射到准直反射镜上，入射光经准直反射镜准直后沿同轴光路L1入射到集成光栅，经集成光栅的各子光栅衍射后被二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区的衍射光沿同轴光路L2，入射到二维面阵探测器的焦平面检测，L1和L2光路的离轴角为零。
本发明进一步优选地技术方案为，组成集成光栅的子光栅的总数为n，n取决于总的宽光谱区λ和子波长区的宽度△λk，即n＝λ/△λk,且每块光栅对应于一个子光谱区。
作为优选地，每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向的衍射张角范围为Δθ，即：
Δθ1(Δλ1)＝Δθ2(Δλ2)＝……＝Δθk(Δλn) (1)
式中：
Δθ1＝θ2-θ1,Δθ2＝θ3-θ2,……Δθk＝θk+1-θk (2)
Δλ1＝λ2-λ1,Δλ2＝λ3-λ2,……Δλk＝λk+1-λk (3)。
优选地，所述准直反射镜为球面镜。
优选地，所述二维聚焦成像镜为双焦距轮胎面反射镜或消色差双焦距透镜，其沿L1方向的焦距为f1，沿L2方向的焦距为f2，来自多通道集成光栅的衍射光被其聚焦在二维面阵探测器的焦平面上。
优选地，所述准直反射镜与集成光栅之间还设置有滤色片，所述滤色片用于滤去高次衍射光。
有益效果：本发明采用沿入射和衍射方向的同轴光学***，彻底克服慧差缺陷在光谱仪应用中对宽带高分辨光谱分析测量的影响，具体来说，本发明采用多光栅组合的集成光栅、轮胎面双焦距光学聚焦***和一个二维面阵探测器，在集成光栅中心位置设计有一个通光孔，能让从入射狭缝出射后的光谱信号无损失通过，入射到准直反射镜，被准直后的平行光谱信号沿同轴光路L1入射到集成光栅，各子光谱信号经相对应的子光栅衍射后，在衍射方向被双焦距轮胎面镜经同轴光路L2传输和聚焦，入射到二维面阵探测器D的焦平面上，利用组合光栅的优点，设计同轴入射光路L1和同轴衍射光路L2，离轴角为零，无需任何元件的机械位移部件，无慧差影响，对全光谱数据进行高速高分辨检测，显著提高了光谱分析仪的测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例中光谱仪光源入射或反射路线示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种消慧差宽带高分辨光谱仪，包括入射狭缝、准直反射镜、滤色片、集成光栅、二维聚焦成像镜和二维面阵探测器。
所述准直反射镜为球面镜。所述二维聚焦成像镜为双焦距轮胎面反射镜。滤色片用于滤去高次衍射光。集成光栅由多块子光栅组成，各子光栅沿垂直于入射面的y方向排列，每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围；集成光栅的中心设置有一通光孔。
入射光沿入射狭缝入射，并穿过集成光栅中心的通光孔，入射到准直反射镜上，入射光经准直反射镜准直后沿同轴光路L1入射到集成光栅，经集成光栅的各子光栅衍射后被二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区的衍射光沿同轴光路L2，入射到二维面阵探测器的焦平面检测，L1和L2光路的离轴角为零。
本实施例中，入射狭缝宽度为10μm，从狭缝出射的光谱信号无损通过集成光栅Gx中间的小孔h1，入射到准直反射镜M1，M1焦距为250mm，反射后成为平行光，沿同轴光路L1入射到集成光栅Gx，集成光栅Gx由10个子光栅组成，10个子光栅均为1200g/mm结构，光谱工作区为200-1000nm光谱区，与10个子光谱区对应，选用具有最高衍射效率的闪耀波长λo参数，每块光栅对应的光谱区为80nm，[λo＝250nm(200-280nm)，λo＝300nm(280-360nm)，λo＝400nm(360-440nm)，λo＝500nm(440-680nm)，λo＝750nm(680-920nm)，λo＝1000nm(920-1000nm)]。滤色片A置于准直反射镜M1和集成光栅Gx之间，截止波长λt＝310nm(360-520nm)，λt＝450nm(520-680nm)，λt＝620nm(680-1000nm)，能够可靠滤去m≥2的高次级衍射光。
由光栅出射的衍射光入射到二维聚焦成像镜M2，二维聚焦成像镜M2沿L1方向的焦距f1＝250mm，沿L2方向的焦距f2＝500nm，使得由M2镜反射的各子光谱区被精确成像在二维面阵探测器的焦平面上。
二维面阵探测器D采用了PIXIS-2048型二维CCD面阵探测器，工作波长为200-1000nm，具有16bits数据动态范围。探测器的成像面积为27.6x27.6mm2，含2048x2048像元数，单像元尺寸为0.013.5x0.013.5mm2，与10个光栅和10个子光谱区相对应，二维面阵探测器的焦平面在每个子探测区的面积为27.6x2.76mm2，含2048(衍射方向)x205(与衍射垂直方向)像元。这10个光谱区的波长头尾相连，形成200-1000nm波长区的完整连续光谱，沿衍射方向的一维探测区长度可达276mm，含20480个像元。光谱仪的色散率为3.3nm/mm，波长分辨率为0.045nm/像元。
本实施例中，将二维面阵探测器D的焦平面设置在集成光栅Gx的上方，在二维聚焦成像镜M2与二维面阵探测器D之间，沿衍射方向为同轴光路L2。通过同轴光路L1和L2的设计，入射到光栅和衍射光入射到探测器的离轴角均为零，从而完全克服了慧差的影响，提高了光谱仪分辨率。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.一种消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，包括入射狭缝、准直反射镜、集成光栅、二维聚焦成像镜和二维面阵探测器；
其中，所述集成光栅由多块子光栅组成，各子光栅沿垂直于入射面的y方向排列，每块子光栅在衍射波长分布的x方向具有相同的衍射张角范围；集成光栅的中心设置有一通光孔；
入射光沿入射狭缝入射，并穿过集成光栅中心的通光孔，入射到准直反射镜上，入射光经准直反射镜准直后沿同轴光路L1入射到集成光栅，经集成光栅的各子光栅衍射后被二维聚焦成像镜聚焦，全光谱区的衍射光沿同轴光路L2，入射到二维面阵探测器的焦平面检测，L1和L2光路的离轴角为零。
2.根据权利要求1所述的消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，组成集成光栅的子光栅的总数为n，n取决于总的宽光谱区λ和子波长区的宽度△λk，即n＝λ/△λk,且每块光栅对应于一个子光谱区。
3.根据权利要求2所述的消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，每块子光栅在入射面内沿衍射波长分布的x方向的衍射张角范围为Δθ，即：
Δθ1(Δλ1)＝Δθ2(Δλ2)＝……＝Δθk(Δλk) (1)
式中：
Δθ1＝θ2-θ1,Δθ2＝θ3-θ2,……Δθk＝θk+1-θk (2)
Δλ1＝λ2-λ1,Δλ2＝λ3-λ2,……Δλk＝λk+1-λk (3)。
4.根据权利要求1所述的消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述准直反射镜为球面镜。
5.根据权利要求4所述的消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述二维聚焦成像镜为双焦距轮胎面反射镜或消色差双焦距透镜，其沿L1方向的焦距为f1，沿L2方向的焦距为f2，来自多通道集成光栅的衍射光被其聚焦在二维面阵探测器的焦平面上。
6.根据权利要求1所述的消慧差宽带高分辨光谱仪，其特征在于，所述准直反射镜与集成光栅之间还设置有滤色片，所述滤色片用于滤去m≥2的高次衍射光，其中m为光栅的衍射级次。
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