一種光譜儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光譜儀，包括入射狹縫、會集裝置、光柵、聚焦成像裝置和陣列探測器，所述入射狹縫設(shè)置在會集裝置的焦點以外，入射光束經(jīng)會集裝置后會聚入射至光柵表面，光柵入射光和出射光均以會聚方式達(dá)到光學(xué)器件，不僅可減小光學(xué)器件的尺寸，而且可使光柵出射的零級光與一級衍射光更加有效分離，有效避免光柵出射的零級光直接入射聚焦成像裝置，大幅降低雜散光；結(jié)合非球面光學(xué)反射鏡式的會集裝置和聚焦成像裝置，還可整體提升光譜儀的成像質(zhì)量和光學(xué)分辨率，具有設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊、雜散光低和測量準(zhǔn)確度高等特點。
【專利說明】一種光譜儀
[0001]【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0002]本實用新型涉及一種光譜輻射測量和光譜分析裝置，具體涉及一種光譜儀。
[0003]【【背景技術(shù)】】
[0004]傳統(tǒng)的光柵光譜儀一般由光學(xué)腔、入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦成像裝置和陣列探測器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，為使光譜儀的設(shè)計緊湊，一般還采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)。入射狹縫位于準(zhǔn)直鏡的焦點上或焦點附近，準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直來自入射狹縫的光束，如圖2虛線所示，光柵將準(zhǔn)直光束分光形成單色光，并由聚焦成像裝置成像至陣列探測器的光敏面。各單色光在光敏面上逐行排列，通過陣列探測器可實現(xiàn)各單色光光信號的快速測量。
[0005]為了將各波長單色光逐一、清晰成像至陣列探測器表面，聚焦成像裝置一般要求具有較大尺寸。在光譜儀內(nèi)部，光柵的部分零級光將入射至聚焦成像裝置，并成像至陣列探測器光敏面附近，甚至光柵上，如圖1及圖2虛線所示，產(chǎn)生極強的雜散光，導(dǎo)致測量結(jié)果的準(zhǔn)確度不高；并且為避免這部分雜散光的影響，光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計和光譜測量范圍均存在較大限制。
[0006]【實用新型內(nèi)容】
[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種可大幅降低雜散光、結(jié)構(gòu)更加緊湊、測試結(jié)果更加準(zhǔn)確的一種光譜儀。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用了如下技術(shù)方案:
[0009]一種光譜儀，包括入射狹縫、會集裝置、光柵、聚焦成像裝置和陣列探測器，其特征在于，所述的入射狹縫位于會集裝置的焦點以外，入射光束經(jīng)過入射狹縫進(jìn)入光譜儀，入射光束經(jīng)會集裝置后會聚入射到光柵，光柵將會聚入射光分光，分光后的衍射光以會聚方式出射，聚焦成像裝置接收來自光柵的單色衍射光，并將光譜像成至陣列探測器上，陣列探測器探測各單色衍射光的信號。
[0010]在現(xiàn)有光譜儀中，入射狹縫位于準(zhǔn)直鏡的焦點上或焦點附近，來自入射狹縫的入射光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡獲得平行光。本實用新型中，入射狹縫位于會集裝置的焦點以外，即入射狹縫與會集裝置的光學(xué)距離大于會集裝置的焦距，入射光束經(jīng)會集裝置后獲得會聚光束。會聚光束入射至光柵表面進(jìn)行分光。相同條件下，相比于準(zhǔn)直鏡，會集裝置的應(yīng)用可使得光束會聚入射至光柵，從而可減小光柵的尺寸，且光柵的各級衍射光均會聚出射，光柵出射的零級光與一級衍射光可以在更短的距離內(nèi)有效分離，當(dāng)各光學(xué)器件的相對位置不變，用于接收所需波段的聚焦成像裝置的尺寸可以相應(yīng)減小，各光學(xué)器件之間獲得較大空隙，允許光柵出射的零級光從空隙完全出射，有效地避免因光柵出射的零級光直接入射聚焦成像裝置而形成的大量雜散光，大幅提高光譜儀的雜散光控制水平。不僅如此，由于光柵出射的零級光在短距離處即可與一級衍射光實現(xiàn)完整分離，不僅上述光柵和聚焦成像裝置的尺寸可以減小，且聚焦成像裝置和光柵之間的相對距離也可以適當(dāng)減小，光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更加緊湊，聚焦成像裝置也可以更容易接收更寬波段的單色衍射光，拓寬光譜儀的測量波段范圍。
[0011]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型入射狹縫與會集裝置之間的光學(xué)距離大于會集裝置的焦距，通過這一關(guān)鍵設(shè)計使光柵入射光和出射光均以會聚方式到達(dá)光學(xué)器件，不僅可減小光學(xué)器件的尺寸，而且有效地避免光柵出射的零級光直接入射至聚焦成像裝置，降低因其成像而造成的大量雜散光。同時，光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計有足夠的空間，其結(jié)構(gòu)也可以更加緊湊，具有雜散光低、結(jié)構(gòu)緊湊和測量準(zhǔn)確度高等多重特點。
[0012]本實用新型可以通過以下技術(shù)特征進(jìn)一步完善和優(yōu)化:
[0013]在本實用新型中，入射狹縫為光譜儀中輸入被測光、具有一定寬度的狹縫，例如，當(dāng)光譜儀設(shè)置于暗箱中，入射狹縫可以為暗箱上輸入被測光的指定開孔，或者該開孔處所安裝的導(dǎo)光光纖的光束輸出狹縫。上述的會集裝置為將入射光束會聚至光柵表面的光學(xué)器件，可以為單片反射鏡，或反射鏡組，或為透射鏡與反射鏡的指定組合等。上述的聚焦成像裝置為可以將光柵衍射光聚焦成像至陣列探測器光敏面的光學(xué)器件，可以為單片反射鏡，或者反射鏡組，或者為透射鏡與反射鏡的指定組合等。上述的陣列探測器為線陣列探測器或者為面陣列探測器。
[0014]所述的入射狹縫位于會集裝置的一倍焦距和兩倍焦距之間。本實用新型中，會集裝置與入射狹縫之間的光學(xué)距離決定了光譜儀內(nèi)部光學(xué)器件的布置設(shè)計，以及其前后光路所占空間的比例。將入射狹縫設(shè)置于會集裝置的一倍焦距和兩倍焦距之間，光譜儀內(nèi)部的光學(xué)器件可以較為合理地布局，且獲得較好的成像質(zhì)量。
[0015]所述光譜儀為正C-Τ結(jié)構(gòu)的光譜儀，或者為交叉C-Τ結(jié)構(gòu)的光譜儀。正C-Τ結(jié)構(gòu)和交叉C-τ結(jié)構(gòu)的光譜儀分別如圖1和圖2所示。在上述兩種結(jié)構(gòu)的光譜儀中，將入射狹縫設(shè)置于會集裝置的焦點以外，均可以使光柵出射的零級光會聚出射，避免光柵出射的零級光直接入射至聚焦成像裝置中，降低其成像雜散光對光譜測量的影響。
[0016]作為一種技術(shù)方案，所述的會集裝置和/或聚焦成像裝置為球面光學(xué)反射鏡或者非球面光學(xué)反射鏡。所述的球面光學(xué)反射鏡或非球面光學(xué)反射鏡為單片反射鏡或多片反射鏡組成的鏡組。作為優(yōu)選，所述的會集裝置和聚焦成像裝置均為非球面光學(xué)反射鏡。光譜儀中透鏡、透射或反射材料的使用會產(chǎn)生像差，即實際像與理想像的偏差，一般包括像散、彗差、球差等，影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。通過選擇非球面光學(xué)反射鏡作為會集裝置和聚焦成像裝置，可以有效地校正光譜儀內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)的像散、球差、彗差等像差，提高光譜儀的分辨率和成像質(zhì)量。
[0017]作為一種技術(shù)方案，所述的聚焦成像裝置和/或陣列探測器前設(shè)置線性濾光片或者表面鍍有光譜選擇性薄膜。線性濾光片或者光譜選擇性薄膜的光譜特性隨著其表面位置在一定方向上呈線性變化，即沿指定方向、依次選擇通過所需波段內(nèi)不同波長的輻射光。作為優(yōu)選，在陣列探測器光敏面前設(shè)置線性濾光片或其表面鍍光譜選擇性薄膜，線性濾光片或光譜選擇性薄膜上通過指定波長的位置與探測器上感應(yīng)該波長的像素區(qū)域相對應(yīng)，以避免其他波長輻射光對該波長單色光測量的干擾，提高光譜測量的準(zhǔn)確度。
[0018]作為一種技術(shù)方案，包括一個以上濾光片，所述的濾光片設(shè)置在入射狹縫之后、會集裝置之前的光路上。濾光片選擇通過所需光譜波段的輻射光，以降低所需光譜整個波段范圍以外的帶外雜散光，可以為截止所需光譜以前波段的長通濾光片；或者為截止所需光譜前后波段的帶通濾光片；或者為截止所需光譜以后波段的短通濾光片。上述的濾光片可以串聯(lián)使用，即多片濾光片順次疊加，設(shè)置于入射狹縫與會集裝置之間的光路上；或者上述的濾光片順次切換進(jìn)入光路，例如，當(dāng)包括多個帶通濾光片時，各濾光片的通過波段不同，且各濾光片通過波段首尾疊加可以獲得所需波段范圍。將各濾光片按一定次序切換進(jìn)入入射狹縫之后、會集裝置之前的光路上，可選擇性地通過指定波段的輻射光，實現(xiàn)所需光譜的分段測量，以避免各段光譜之間的相互影響，逐段降低雜散光，大幅提高光譜測量的準(zhǔn)確度。
[0019]上述的光柵為平面光柵，可為普通光柵或者閃耀光柵。作為優(yōu)選，閃耀光柵可以將能量集中在所需要的光譜上，提高能量利用率，同時降低其他級次光譜的能量，最終降低光譜儀內(nèi)的雜散光。
[0020]作為一種技術(shù)方案，包括光陷講，所述光陷講吸收光柵出射的零級光。光柵出射的零級光一般具有較高能量，當(dāng)其入射光譜儀內(nèi)的其他器件表面，如光學(xué)腔內(nèi)壁等，極可能通過器件表面的反射再次進(jìn)入期望光路，形成較強的雜散光。在光譜儀內(nèi)部設(shè)置吸收光柵出射的零級光的光陷阱，可有效避免其再次進(jìn)入期望光路，進(jìn)一步降低光譜儀內(nèi)雜散光。
[0021]上述光陷阱的光柵出射零級光的入射表面設(shè)有黑色鏡面反射層或黑色鏡面反射器，光陷阱可以為能夠捕捉和吸收光柵出射的零級光的分立式或整體式等任意結(jié)構(gòu)裝置，如可以包括一個或多個具有圓錐、四方錐或穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)的光線內(nèi)吸收腔。
[0022]作為一種技術(shù)方案，所述的光陷阱由黑色鏡面反射裝置和光吸收裝置組成，所述的光柵出射的零級光傾斜入射至黑色鏡面反射裝置，并經(jīng)其反射進(jìn)入光吸收裝置。所述的光陷阱由分立的黑色鏡面反射裝置和光吸收裝置組成，所述的光柵出射的零級光傾斜入射至黑色鏡面反射裝置，經(jīng)黑色鏡面反射裝置，可吸收其大部分能量，并以極低的反射率將其完全反射至光吸收裝置中，以捕捉、吸收光柵出射的零級光，從而避免其再次進(jìn)入期望光路，大幅降低光譜儀內(nèi)的雜散光。
[0023]所述的黑色鏡面反射裝置為黑色有機玻璃，光柵出射的零級光傾斜入射其表面，其大部分能量通過多次折射被黑色有機玻璃所吸收，且玻璃表面平整，可以一定的反射率將光柵出射的零級光完全反射至光吸收裝置中。
[0024]所述的光吸收裝置為黑色有機玻璃所構(gòu)成的錐形裝置，光柵出射的零級光經(jīng)黑色鏡面反射裝置反射，反射光從錐形開口面傾斜入射至光吸收裝置的黑色有機玻璃內(nèi)表面。光柵出射的零級光經(jīng)黑色鏡面反射裝置的反射，反射光從錐形光吸收裝置的開口面傾斜入射至其黑色有機玻璃內(nèi)表面，并在其內(nèi)表面經(jīng)多次吸收和反射到達(dá)錐形結(jié)構(gòu)的頂部，進(jìn)而被該錐形光吸收裝置所吸收，避免其出射而影響期望光路，有效降低了光譜儀內(nèi)因光柵出射的零級光所造成的雜散光。
[0025]作為優(yōu)選，包括光學(xué)腔，所述的會集裝置、光柵、聚焦成像裝置和陣列探測器設(shè)置在光學(xué)腔內(nèi)。光學(xué)腔可以提供光譜測試所需的暗環(huán)境，所述的會集裝置、光柵、聚焦成像裝置和陣列探測器均設(shè)置在光學(xué)腔內(nèi)，入射狹縫設(shè)置于光學(xué)腔上，或者設(shè)置于光學(xué)腔輸入光學(xué)器件上，如導(dǎo)光光纖等，以屏蔽期望光路以外的雜散光。
[0026]作為一種技術(shù)方案，包括消雜散光的一個以上光闌，所述光闌設(shè)置于光學(xué)腔內(nèi)壁上。在光學(xué)腔內(nèi)壁上設(shè)置消雜散光的光闌，可以通過多次反射，大幅降低光學(xué)腔內(nèi)壁上反射光的能量，有效地減少光學(xué)腔內(nèi)壁上的反射光，包括零級光的反射光，對期望光路的影響。光闌也可以設(shè)置在會聚光之后、陣列探測器之前的光路上，用于消除期望光路以外的雜散光，例如，可設(shè)置在會集裝置到光柵之間，或者光柵到聚焦成像裝置之間，或者聚焦成像裝置到陣列探測器之間，降低光譜儀內(nèi)非期望反射光對測量結(jié)果的影響。所述的光闌和/或光學(xué)腔表面涂有低反射率的漫反射材料。當(dāng)光闌和光學(xué)腔表面涂有低反射率的漫反射材料，入射光線在其表面以極低的反射率進(jìn)行多次反射，可大幅降低雜散光的能量，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。
[0027]綜上所述，本實用新型巧妙設(shè)計入射狹縫與會集裝置的相對位置，使其與會集裝置的光學(xué)距離大于會集裝置的焦距，使光柵入射光和出射光均以會聚方式到達(dá)光學(xué)器件，不僅可減小光學(xué)器件的尺寸，而且有效地避免光柵出射的零級光直接入射至聚焦成像裝置，結(jié)合光陷阱的使用，幾乎可完全避免光譜儀內(nèi)因光柵出射的零級光所造成的雜散光。同時，通過引入非球面光學(xué)反射鏡式的會集裝置和聚焦成像裝置，可有效提高光譜儀的光學(xué)分辨率和成像質(zhì)量，進(jìn)一步提高光譜儀的整體性能，具有設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊、雜散光低和測量準(zhǔn)確度高等特點。
[0028]【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0029]圖1 一種正C-Τ結(jié)構(gòu)光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2本實用新型實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3本實用新型實施例1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]1-入射狹縫；2_會集裝置；3-光柵；4_聚焦成像裝置；5_陣列探測器；6_濾光片；7-光陷阱；7-1_黑色鏡面反射裝置；7-2_光吸收裝置；8_光柵出射的零級光；9_會集裝置焦平面；10-準(zhǔn)直鏡。
[0033]【【具體實施方式】】
[0034]如圖2所示，一種 交叉C-Τ結(jié)構(gòu)的光譜儀，包括入射狹縫1、會集裝置2、光柵3-1、聚焦成像裝置4-1、陣列探測器5以及光陷阱7，入射狹縫1后設(shè)置濾光片6，會集裝置2和聚焦成像裝置4-1均為非球面光學(xué)反射鏡。
[0035]入射狹縫1與會集裝置2之間的光學(xué)距離為會集裝置2焦距的1.2倍。所述的光學(xué)距離指入射狹縫1的幾何中心與會聚裝置2的主點之間的距離，會集裝置2的主點是指其主面與光軸的交點。入射狹縫1將入射光束導(dǎo)入光譜儀，入射光束經(jīng)濾光片6濾除測量波段以外的雜散光，并入射至?xí)b置2，再經(jīng)會集裝置2會聚入射至光柵3-1表面，光柵3-1將會聚入射光分光，分光后的衍射光以會聚方式出射，且零級光8-1從聚焦成像裝置4-1的左側(cè)出射，聚焦成像裝置4-1僅接收所需要的單色衍射光，并將光譜像成至陣列探測器5的光敏面，陣列探測器5感知并測量各單色衍射光的光信號。
[0036]如圖3所示，光陷阱7由黑色鏡面反射裝置7-1和錐形光吸收裝置7-2構(gòu)成，黑色鏡面反射裝置7-1為黑色有機玻璃材質(zhì)，與光柵3-1的主截面傾斜相交，光柵3-1的主截面為垂直于光柵3-1刻痕的平面。光柵出射的零級光8-1傾斜入射至黑色鏡面反射裝置7-1的表面，其大部分能量被黑色有機玻璃所吸收。黑色鏡面反射裝置7-1以極低的反射率將光柵出射的零級光8從錐形光吸收裝置7-2的開口面完全反射至光吸收裝置7-2中。光吸收裝置7-2為黑色有機玻璃所構(gòu)成的錐形裝置，光柵出射的零級光8的反射光傾斜入射至其黑色有機玻璃內(nèi)表面，并在光吸收裝置7-2的內(nèi)表面多次吸收和反射，達(dá)到錐形結(jié)構(gòu)的頂點，可避免其再次進(jìn)入期望光路，有效降低光譜儀內(nèi)光柵出射的零級光8所造成的雜散光。
[0037]在圖2所示的光譜儀中，若將會集裝置2換作準(zhǔn)直鏡10，入射狹縫1在準(zhǔn)直鏡10的一倍焦距左右，則獲得如圖2虛線所示的平行光，則相應(yīng)的光柵3-2及聚焦成像裝置4-2的尺寸需增大，光柵3-2對平行入射光分光后，光柵出射的零級光8-2則直接入射聚焦成像裝置4-2。而本實施例的設(shè)計方案則可以使光柵出射的零級光8-1從聚焦成像裝置4-1的左側(cè)完全出射，并被光陷阱7所吸收，有效避免光柵出射的零級光8所造成的雜散光，且相比之下，光譜儀的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜儀，包括入射狹縫(1)、會集裝置(2)、光柵(3)、聚焦成像裝置(4)和陣列探測器(5)，其特征在于，所述的入射狹縫(1)位于會集裝置(2)的焦點以外，入射光束經(jīng)入射狹縫(1)進(jìn)入光譜儀，入射光束經(jīng)會集裝置(2)后會聚入射到光柵(3)，光柵(3)將會聚入射光分光，分光后的衍射光以會聚方式出射，聚焦成像裝置(4)接收來自光柵(3)的單色衍射光，并將光譜像成至陣列探測器(5)上，陣列探測器(5)探測各單色衍射光的信號。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的入射狹縫(1)位于會集裝置(2)的一倍焦距和兩倍焦距之間。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的光譜儀為正C-Τ結(jié)構(gòu)的光譜儀，或者為交叉c-τ結(jié)構(gòu)的光譜儀。
4.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的會集裝置(2)和/或聚焦成像裝置(4)為球面光學(xué)反射鏡或者非球面光學(xué)反射鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，在所述的聚焦成像裝置(4)和/或陣列探測器(5)前設(shè)置線性濾光片或者表面鍍有光譜選擇性薄膜。
6.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，包括一個以上濾光片(6),所述的濾光片(6)設(shè)置在入射狹縫(1)之后、會集裝置(2)之前的光路上。
7.如權(quán)利要求1所述的一種光譜儀，其特征在于，包括光陷阱(7)，所述光陷阱(7)吸收光柵出射的零級光(8)。
8.如權(quán)利要求7所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的光陷阱(7)由黑色鏡面反射裝置(7-1)和光吸收裝置(7-2)組成，所述的光柵出射的零級光(8)傾斜入射至黑色鏡面反射裝置(7-1)，并經(jīng)其反射進(jìn)入光吸收裝置(7-2)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的黑色鏡面反射裝置(7-1)為黑色有機玻璃。
10.如權(quán)利要求8所述的一種光譜儀，其特征在于，所述的光吸收裝置(7-2)為黑色有機玻璃所構(gòu)成的錐形裝置，光柵出射的零級光(8)經(jīng)黑色鏡面反射裝置(7-1)反射，反射光從錐形開口面傾斜入射至光吸收裝置(7-2)的黑色有機玻璃內(nèi)表面。
【文檔編號】G01J3/28GK203519165SQ201320659382
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】潘建根, 楊靜, 黃艷 申請人:杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司