CN201464039U - 小型柱面镜多光栅光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型柱面镜多光栅光谱分析仪，其特征在于：主要结构由狭缝S₁、平面镜M₁、球面反射镜M₂、组合光栅G_x、柱面反射镜M_x3、探测器D_x等组成，组合光栅G_x由多块光栅组成，M_x3为柱面反射光学镜，D_x为面阵探测器，光栅固定，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区连接的顺序作组合式排列，本实用新型解决了现有技术中探测器的像素尺寸和数目受到限制及难以兼顾光谱覆盖宽度和分辨率的问题，采用由多个子光栅和面阵探器构成的组合光栅和探测器***，无任何光学部件的机械位移，即可实现全光谱的快速检测和分析，具有很高的光谱分辨率和工作可靠性。

Description

小型柱面镜多光栅光谱分析仪

技术领域

本实用新型涉及到一种光学电子器件，具体为一种柱面镜和多光栅集成的小型柱面镜多光栅光谱分析仪。

背景技术

可对光子能量和波长进行高精度分析的单色仪在光学和光电子领域有着广泛的应用，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收、光反射光谱、红外遥感、光通讯光谱、生物芯片光谱等多光谱分析仪器的核心光学器件；其中，应用最广泛的是工作于近紫外至近红外区的光栅型单色仪，光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米600条或每毫米1200条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求，光波入射到光栅上将引起不同波长的振幅和相位发生叠加，使反射后的光子在空间按能量或波长作有规则地排列，其关系式为：

dsinθ_m＝mλ+g_o    (1)

式中d是光栅的槽间距，θ_m是第m级的波长为λ的光子在空间的分布角，g_o是与光学***的结构有关的常数，因此对于m＝1的一级衍射光，可在不同θ角位置上检测到相应波长的光子，在传统光栅单色仪的设计中，光子的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，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子；因此，传统光栅单色仪需要具备如下控制功能：

1.机械控制光栅转动，实现波长扫描；

2.置换光栅，在较宽的光谱工作区，只有在特定波长位置衍射光栅才具有最高的衍射效率，为获得最佳的信噪比质量，通常需要按工作波长更换光栅，例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，才能满足高精度光谱分析的要求；

3.置换滤色片，由公式(1)可知，虽然波长不同，但m＝1和m＝2(或更高次)的衍射光会在相同θ角出现，因此，在实际应用中，需要使用一块或多块滤色片，将高次(m≥2)衍射光滤去，才能满足被检测光子单色性的要求。

在目前大多数商品单色仪结构中，上述三个控制功能(光栅扫描、置换光栅、置换滤色片)均通过独立的机械传动结构进行；这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，十分费时和麻烦；为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD和CMOS等探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，由于受到由公式(1)所决定的光栅衍射张角结构和探测器尺寸的限制，即使采用面阵式探测器，因其在一维方向有限的像素和尺寸，仍难于用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描；因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤色片，方能实现高质量和高精度的波长扫描，其光学结构包括：光源，光栅G_x，球面镜M_x，探测器D_x，光栅G_x为一块或多块光栅组成，采用手动或自动等机械传动机构控制，由光栅出射的衍射光经单个球面反射镜M_x，聚焦在面阵式探测器的成像面上形成光谱，实现对波长的分波长区扫描和测量，由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式探测器的优点，限制了光谱测量速度.

实用新型内容

为了克服现有的单光栅器件难以使小型化光谱仪同时具有宽光谱工作区和高分辨率的不足，本实用新型提供了一种无需任何机械传动机构，***工作可靠、寿命长的小型柱面镜多光栅光谱分析仪，该光谱仪不仅具有宽光谱工作区和高分辨率，而且体积小，分量轻，操作方便，可灵活运用于各种环境场合下。

本实用新型解决现有技术中存在的问题所采用的技术方案如下：

小型柱面镜多光栅光谱分析仪，主要结构由狭缝S1、平面镜M1、球面反射镜M2、组合光栅Gx、柱面反射镜Mx3、探测器Dx组成，Gx由多块光栅组成，Mx3为柱面反射光学镜，Dx为面阵探测器，光栅固定，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区连接的顺序作组合式排列，光源与组合光栅Gx之间设置有宽度为20微米的狭缝S1，中间还设有平面镜M1和球面反射镜M2，使光源经S1、M1到M2，M2出射光为平行光；由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被柱面镜M_x聚焦，成像在与不同光栅衍射光谱区相对应的面阵探测器D_x的不同区域上，从而在全光谱区实现波长快速高分辨率成像，可免去设置机械转动光栅和限位开关的需要，从而极其简化了仪器的设计和结构，增加了***的长期工作可靠性和寿命，其全光谱数据检测分析的速度仅取决于面阵光电探测器的响应时间和后继数据传输、处理的时间，同时全光谱区的分辨率可优于0.3nm。

本实用新型的光学原理如下所述：

当入射光束不是垂直入射至光栅平面时，光栅方程为

式中i为入射角，为衍射角；“+”号表示入射光与衍射光位于法线同侧，“-”号表示入射光与衍射光位于法线异侧，在本结构设计中，入射光与衍射光位于法线同侧；本实用新型的光栅方程为：

可得

式中α为固定角度，λ_n为每块光栅所覆盖波长范围的中心波长，d为每块光栅的槽间距，对于一级衍射光m＝1，在α、λ和d已知的情况下可以计算出每块光栅分别对应的衍射角然后根据计算出的衍射角

确定每块光栅的法线方向并进行结构设计和安装，确定面阵探测器Dx像元平面位于平面镜M1的焦点上，经这样的设计和安装，能保证经每块光栅衍射的光路以相同的张角入射在柱面聚焦镜头Mx3并成像在面阵探测器Dx上.

本实用新型的设计中，焦距为f1的柱面反射镜Mx3，与n个子光栅对应，子光栅的个数n取决于总的光谱区λ和子波长区的宽度Δλ_n，即：n＝λ/Δλ_n，设n＝5，依据探测器的特点，设计的工作波长区为300-1000nm，因此Δλ＝λ_f-λ_i＝1000nm-300nm＝700nm，将全工作光谱区分为5个子区，Δλ₁＝Δλ₂＝Δλ₃＝Δλ₄＝Δλ₅＝700/5＝140nm，采用512×512像元的CCD面阵探测器，因此可实现的极限分辨率为：140nm/512(像元)＝0.27nm，入射光经5块光栅衍射，在与入射面垂直方向，可形成5个子波长首尾相连的波长区，构成覆盖300nm至1000nm波长的全波长区，这5个具有相同出射张角的单色平行光，经焦距为50mm的柱面反射镜M_x3沿波长衍射的X方向聚集，将光谱成像在置于反射镜焦点的面阵探测器D_x的像元平面上。

本实用新型由于在全光谱测量中无任何光学部件的机械位移，可实现光谱的高速和高分辨率测量，光谱检测速度仅受到面阵探测器响应速度以及后继数据传输和处理速度的限制，具有12-16bit数据动态范围的全光谱测量速度可快于0.01秒，在实现全光谱快速检测的同时，光谱分辨率受到探测器像素密度，焦距和波长分区数的限制，光谱的最高分辨率可优于0.3nm。

由于采用了以上的技术方案，本实用新型具有如下的有益效果：

1.采用光纤耦合和多光栅组合(5光栅或按需要更多光栅组合)技术，采用二维CCD(或CMOS)阵列探测器件，实现在二维面阵探测器焦平面上光谱分区成像并集成，在300-1000nm宽光谱区，无任何机械位移部件，产生优于0.3nm和12bits的光谱动态分辨率特性。

2.仪器具有袖珍型、高速数据采集、宽光谱区、高分辨率等显著优点。

3.光谱分辨率高，灵敏度高，袖珍型体积小，可靠性高，寿命长，优于国际同类商品仪器的指标，具有技术的原始创新特点和先进性。

附图说明

图1是本实用新型的光学原理图；

图2是本实用新型实施例的俯视结构示意图。

图1中角MON为2α，角PON为

M₂为球面反射镜，G_x为组合光栅，M_x3为柱面反射镜，D_x为面阵探测器。

图2中：1、入射狭缝S₁，2、平面反射镜M₁，3、球面反射镜M₂，4、柱面反射镜M_x3，5、多光谱滤色片，6、组合光栅G_x，7、面阵探测器D_x。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型设计作进一步的说明：

参照附图1，从光源发射出的光经狭缝S₁入射到球面镜M₂，经反射后为平行光，此平行光入射到组合光栅G_x产生衍射光，OP是某个光栅的法线方向(不同光栅法线方向不同)，M_x3为柱面反射镜，由M₂、M_x3和组合光栅G_x构成的角度MON

为2α，光栅的衍射角PON为

衍射单色光经M_x3柱面镜反射后，聚焦在D_x面阵CCD探测器的像元成像面上。

参照附图2，小型柱面镜多光栅光谱分析仪，其结构包括：光源，狭缝S₁1，平面镜M₁2，球面反射镜M₂3，组合光栅G_x6，柱面反射镜M_x34，面阵探测器D_x7，多光谱滤光片5；光源经过一个数值孔径为0.22的高纯石英光纤导入到入射狭缝S₁1，此光纤具有汇聚光源增加光强的效果，入射狭缝S₁1的宽度为20微米，从狭缝出射的光经由平面反射镜M₁2和焦距为f₂＝50mm的球面反射镜M₂反射，使光源经S₁、M₁到M₂后出射的光为平行光，此平行光入射到组合光栅G_x6，其中，组合光栅G_x由5块光栅组成，每块光栅的槽间距为833nm，这5块光栅分别按5个波长区Δλ1、Δλ2……Δλ5沿垂直于入射面的y方向排列，按公式(3)和(4)，每块光栅在入射面内(即x方向)具有相同的衍射张角范围，每块子光栅的尺寸为2×10mm，组合的集成光栅的衍射面积为10×10mm，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区连接的顺序作组合式排列，从组合光栅出射的不同波长入射到焦距为f₃＝50mm的柱面反射镜M_x3，使从光栅G_x组的每个子光栅衍射出的单色光沿光谱分布的x方向在二维面阵探测器焦平面上聚焦，而在y方向保持平行；因此，在二维面阵探测器焦平面上沿y方向可被分成5个光谱成像区，与5个子光栅的衍射光谱区相对应，分别为300-440nm，440-580nm，580-720nm，720-860nm，860-1000nm；二维面阵探测器D_x为CCD光电器件，为512×512像元，每个像元得尺寸为25×25微米，成像焦平面的尺寸为12.8×12.8mm，面阵式探测器的成像探测焦平面置于柱面镜M_x3的焦点上，因此，由不同光栅出射的具有不同波长的子光谱区衍射光被柱面光谱成像镜M_x3反射，沿y方向平行，沿x方向聚焦，成像在二维面阵探测器D_x上，形成不同的光谱区，由于经柱面光谱成像镜M_x3反射的衍射光沿y方向平行，在二维面阵探测器D_x上的各子光谱区分别与各子光栅的衍射光谱区相对应，在y方向每个子光谱区的宽度为2mm，5个子光谱区合成的总光谱区宽度为2mm×5＝10mm。

另外，在组合光栅G_x的各子光栅前设置相应的多光谱滤色片A，将m≥2的高次衍射光滤去，在二维面阵探测器D_x的各子光谱区采集到由不同像元所代表的各波长的光电信号后，通过软件分析和定标，将5个子光谱区的波长首尾相连，形成300-1000nm光谱区的完整光谱信号。

本实用新型设计的小型化光谱仪的典型外型尺寸为90mm×70mm×51mm(长×宽×高)，携带使用方便，可在太阳能、生物医学、环境、光电子等学术和工业领域获得实际推广应用；由于采用了柱面镜和5光栅分区结构，在二维面阵探测器上进行光谱分区，在具有很小尺寸的光谱仪设计中，无任何机械位移部件，可实现＞2500像元和优于0.3nm的光谱分辨以及300-1000nm的宽光谱工作区，可满足许多应用领域对于高精度便携式光谱分析的需求，这是本发明光谱仪设计的显著优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种小型柱面镜多光栅光谱分析仪，其特征在于，主要结构由狭缝S₁、平面镜M₁、球面反射镜M₂、组合光栅G_x、柱面反射镜M_x3、探测器D_x组成，G_x由多块光栅组成，M_x3为柱面反射光学镜，D_x为面阵探测器，光栅固定，各子光栅面的法线方向按相应的各子光谱区连接的顺序作组合式排列。

2.根据权利要求1所述的小型柱面镜多光栅光谱成像仪，其特征在于：组合光栅G_x的子光栅数为n由总的光谱区λ和子波长区的宽度Δλ_n，即：n＝λ/Δλ_n。

3.根据权利要求1所述的小型柱面镜多光栅光谱成像仪，其特征在于：焦距为f1的柱面反射镜M_x3，与n个子光栅对应。

4.根据权利要求1所述的小型柱面镜多光栅光谱成像仪，其特征在于：面阵探测器D_x像元平面位于M₁的焦点上。

5.根据权利要求1所述的小型柱面镜多光栅光谱成像仪，其特征在于：光源与组合光栅G_x之间设置有宽度为20微米的狭缝S₁，供光源射入，中间还设有平面镜M₁和球面反射镜M₂，使光源经S₁、M₁到M₂，M₂出射光为平行光。

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