專利名稱：一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
光譜儀器是廣泛應(yīng)用在科研、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要分析測試儀器。適應(yīng)更高分辨率、更寬譜段范圍、全譜直讀的應(yīng)用要求，是光譜分析儀器的發(fā)展方向。中階梯光柵光譜儀采用高色散、高分辨率、全波閃耀的中階梯光柵作為主要分光元件，分辨能力高于常規(guī)的光譜儀20倍以上，且具有體積小、全譜瞬態(tài)直讀的優(yōu)點(diǎn)，屬于高端的光譜分析儀器。目前僅有少數(shù)發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了此類儀器的開發(fā)，PI、LEEMAN、Andor等公司推出了第一代商品化儀器。2004年德國耶拿公司推出的連續(xù)光源原子吸收中階梯光柵光譜儀contrAA，對原子吸收光譜儀器的發(fā)展具有劃時代意義。但其采用傳統(tǒng)的掃描記錄方式，分光光路系統(tǒng)由中階梯光柵、探測器以及掃描機(jī)構(gòu)組成，因此，該光譜分析儀器體積相對較大，不能實(shí)現(xiàn)全譜直讀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)，其采用中階梯光柵作為主要分光元件，利用棱鏡產(chǎn)生垂直于主色散方向的交叉色散，實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬譜段范圍、 全譜直讀的光譜分析。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)，包括聚光鏡、入射針孔、拋物準(zhǔn)直鏡、中階梯光柵、交叉色散棱鏡組、拋物聚焦鏡和探測器，聚光鏡置于光路的最前端，收集到的光會聚到入射針孔處；在聚光鏡和入射針孔形成的入射光線方向上，放置拋物準(zhǔn)直鏡，拋物準(zhǔn)直鏡的中心與聚光鏡及入射針孔的中心位置等高；在反射光的方向上，放置中階梯光柵，中階梯光柵的中心高度為反射光的光軸高度；交叉色散棱鏡組放置于由中階梯光柵出射的反射光方向上；經(jīng)交叉色散棱鏡組反射的光由拋物聚焦鏡反射，最后聚焦到探測器上。本發(fā)明的工作原理是待測光由聚光鏡收集，聚焦到入射針孔處，經(jīng)入射針孔透射后，入射光線照射在拋物準(zhǔn)直鏡上形成平行光束，由拋物準(zhǔn)直鏡反射的平行光束投射到中階梯光柵上，經(jīng)中階梯光柵衍射形成色散光束，此色散方向即光路的主色散方向，由于中階梯光柵使用在較高的衍射級次和較大的衍射角度，色散光的不同衍射級次彼此重疊；之后通過交叉色散棱鏡組反射，光束在垂直主色散方向上產(chǎn)生色散，使不同的衍射級次從交叉色散棱鏡組出射角度不同，形成二維交叉色散光束；此光束經(jīng)拋物聚焦鏡反射，成像到探測器的靶面上，從而得到待測光的二維色散譜圖。譜圖中主色散方向?yàn)橹须A梯光柵的色散方向，與衍射級次分開的方向垂直，單一波長的光譜會聚焦到譜圖上一點(diǎn)，因此，通過面陣探測器接收的二維光譜圖像中的譜線分布可以分析得到待測光包含的光譜信息。采用兩種不同材棱鏡組合作為交叉色散元件，可以解決單棱鏡在600nm以上波段色散量過小導(dǎo)致分辨率下降的問題，使儀器在整個光譜范圍內(nèi)色散相對均勻，工作的譜段范圍更寬。
本發(fā)明的積極效果是實(shí)現(xiàn)了高分辨率、寬譜段范圍、全譜瞬態(tài)直讀的光譜分析。 由于主色散元件中階梯光柵工作在高衍射級次、大衍射角度，其色散能力比一般的衍射光柵高七倍以上；采用棱鏡作為交叉色散元件，能夠解決光柵衍射級次間彼此重疊的問題； 二維色散光譜圖像通過面陣探測器接收，在寬譜段范圍內(nèi)無需掃描，可實(shí)現(xiàn)多光譜瞬態(tài)直讀。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單可靠，無移動部件，操作容易，能很好地應(yīng)用于中階梯光柵光譜儀系統(tǒng)中。


圖1是本發(fā)明中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)包括聚光鏡1、入射針孔2、拋物準(zhǔn)直鏡3、中階梯光柵4、交叉色散棱鏡組5、拋物聚焦鏡6和探測器7 ；聚光鏡1置于光路的最前端，收集到的光會聚到入射針孔2處；在聚光鏡1和入射針孔2形成的入射光線方向上，放置拋物準(zhǔn)直鏡3，中心與聚光鏡1及入射針孔2中心位置等高；在聚光鏡1和入射針孔2形成的反射光方向上，放置中階梯光柵4，中心高度為反射光的光軸高度；交叉色散棱鏡組5放置于由中階梯光柵4出射的反射光方向上；經(jīng)交叉色散棱鏡組5反射的光由拋物聚焦鏡6反射后聚焦到探測器7上。本發(fā)明按圖1所示的結(jié)構(gòu)實(shí)施，其中，入射針孔2的材質(zhì)采用45#鋼片，針孔直徑 15 μ m;拋物準(zhǔn)直鏡3和拋物聚焦鏡6均為離軸拋物反射鏡，離軸角為18°，基底材質(zhì)采用 K9光學(xué)玻璃，表面鍍鋁，焦距為321. 8mm ；中階梯光柵4采用中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光柵工程中心生產(chǎn)的54. 49g/mm刻劃中階梯光柵，46°入射；交叉色散棱鏡組5材質(zhì)采用雙棱鏡膠合結(jié)構(gòu)，由頂角37°的氟化鈣棱鏡與頂角13.45°的熔石英棱鏡組成，28. 3°入射；探測器7采用e2v背照式(XD47-10芯片，分辨率10 X 1024像素，光譜響應(yīng)在400-800nm范圍內(nèi)最高；儀器的整體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，在工作環(huán)境波動較小的情況下，能保證成像要求且減輕了儀器重量。結(jié)合中階梯光柵的特點(diǎn)，本發(fā)明提供一種用于中階梯光柵光譜儀的新型光路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用棱鏡與中階梯光柵配合進(jìn)行交叉色散，面陣探測器接收二維譜圖，無需傳統(tǒng)高分辨率光譜儀常用的掃描測量，結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)真正的全譜瞬態(tài)直讀。
權(quán)利要求
1.一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，該光路結(jié)構(gòu)包括聚光鏡(1)、入射針孔O)、拋物準(zhǔn)直鏡(3)、中階梯光柵G)、交叉色散棱鏡組(5)、拋物聚焦鏡(6)和探測器 (7)，聚光鏡⑴置于光路的最前端，收集到的光會聚到入射針孔(2)處；在聚光鏡⑴和入射針孔( 形成的入射光線方向上，放置拋物準(zhǔn)直鏡(3)，拋物準(zhǔn)直鏡(3)的中心與聚光鏡 (1)及入射針孔( 的中心位置等高；在反射光的方向上，放置中階梯光柵G)，中階梯光柵 (4)的中心高度為反射光的光軸高度；交叉色散棱鏡組( 放置于由中階梯光柵出射的反射光方向上；經(jīng)交叉色散棱鏡組(5)反射的光由拋物聚焦鏡(6)反射，最后聚焦到探測器(7)上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述交叉色散棱鏡組( 采用雙棱鏡結(jié)構(gòu)，由頂角為37°的氟化鈣棱鏡和頂角為13.45°的熔石英棱鏡膠合組成。
全文摘要
本發(fā)明的中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)屬于光譜技術(shù)領(lǐng)域，所要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于高分辨率、寬譜段范圍、全譜直讀光譜分析的光路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)包括聚光鏡、入射針孔、拋物準(zhǔn)直鏡、中階梯光柵、交叉色散棱鏡組、拋物聚焦鏡和探測器；待測光由聚光鏡收集，通過入射針孔進(jìn)入光譜儀的光路；入射光束經(jīng)拋物準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光束后，通過中階梯光柵和交叉色散棱鏡組產(chǎn)生二維交叉色散，由拋物聚焦鏡成像到探測器靶面，從而得到二維色散光譜圖像。本發(fā)明中階梯光柵光譜儀的光路結(jié)構(gòu)簡單、可靠，無移動部件，不需多次掃描。
文檔編號G01J3/18GK102226716SQ20111007567
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者何淼, 崔繼承, 巴音賀希格, 陳今涌 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所