本發(fā)明涉及一種光譜測量和分析儀器，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、天文觀測、地礦勘探和石油化工等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光譜測量和分析儀器，主流的技術(shù)方案有兩類，第一類是以單色儀進(jìn)行波長掃描，以單通道光探測器逐個(gè)波長接收，繪出光譜圖；第二類是以光柵將所有波長同時(shí)色散展開，以一個(gè)線陣光探測器同時(shí)接收所有波長的光功率，繪出光譜圖。第一類光譜儀采用串行信號處理方式，光譜分辨率較高，但繪制一張光譜圖需要較長時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)快速處理的需求，并且為了實(shí)現(xiàn)寬光譜測量范圍，往往需要采用多級波長掃描裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性差；第二類光譜儀采用并行信號處理方式，光譜分辨率較低，但光譜分析速度快，可以滿足實(shí)時(shí)快速光譜分析的需求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的優(yōu)勢。

基于光柵和線陣光探測器的第二類光譜儀，一般采用Czerny-Turner型光學(xué)系統(tǒng)，從狹縫入射的光信號，首先被一個(gè)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光，入射在一個(gè)反射式光柵上，不同波長的光信號被色散展開為不同衍射角，再由一個(gè)聚焦鏡將不同波長的光信號聚焦到線陣光探測器上的不同位置，從而檢測各個(gè)波長的光信號強(qiáng)度，繪出光譜圖。為了矯正光學(xué)系統(tǒng)的像散(光學(xué)像差的一種)，往往在光路系統(tǒng)中加入一個(gè)凹形柱面反射鏡。

除光學(xué)系統(tǒng)的像差之外，從原理上影響第二類光譜儀分辨率的主要因素有兩個(gè)。其一，為了保證一定的入射光通量，光譜儀的入射狹縫應(yīng)有一定的進(jìn)光寬度，因此經(jīng)準(zhǔn)直之后不能得到理想的平行光，導(dǎo)致同一個(gè)波長的光信號最終在線陣光探測器上不能聚焦為一個(gè)理想線譜，而是存在一定的譜線彌散效應(yīng)。其二，線陣光探測器，通常采用CCD(電荷耦合元件，以下將第二類光譜儀稱為線陣CCD型光譜儀)，都是由一個(gè)個(gè)像素構(gòu)成，每個(gè)像素都有一定的尺寸，因此靠得很近的兩條譜線，會聚焦在同一個(gè)像素上，不能完全分辨開。

對于線陣CCD型光譜儀，在保證光譜測量范圍的情況下，為了提高波長分辨率，在對光學(xué)系統(tǒng)的像差進(jìn)行優(yōu)化之外，從原理而言有兩個(gè)技術(shù)途徑：其一是采用盡可能窄的入射狹縫，但是會降低系統(tǒng)的光通量，影響光譜靈敏度；其二是采用像素?cái)?shù)量盡可能多的線陣CCD芯片，但受限于制作工藝和成本，不能無限增加像素?cái)?shù)量，尤其是近紅外和紅外線陣CCD芯片，目前常用的像素?cái)?shù)量只有256和512。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種寬光譜高分辨率的光譜儀，用于解決現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀存在的波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種寬光譜高分辨率的光譜儀，包括步進(jìn)電機(jī)(1)、多孔圓屏(2)、濾光片(3)、狹縫(4)、準(zhǔn)直鏡(5)、平面反射鏡(6)、濾光片陣列(7)、光柵(8)、柱面反射鏡(9)、聚焦鏡(10)和線陣CCD芯片(11)；

所述步進(jìn)電機(jī)(1)轉(zhuǎn)軸與多孔圓屏(2)相連，用于驅(qū)動其同軸轉(zhuǎn)動；

所述多孔圓屏(2)為圓盤形，其表面等角度設(shè)有多個(gè)圓孔，圓孔上覆蓋有一個(gè)濾光片(3)，各圓孔上濾光片工作波長范圍遞增或遞減，用于選擇性通過一個(gè)子波段的光；各子波段的波長范圍可以部分交疊，但全部子波段應(yīng)覆蓋所測對象光譜范圍；

所述狹縫(4)設(shè)在入射光路上，用于擋住雜散光，其狹縫中心與準(zhǔn)直鏡中心重合；

所述準(zhǔn)直鏡(5)的反射面正對狹縫(4)，用于將通過狹縫(4)的各子波段光準(zhǔn)直后，反射到平面反射鏡(6)；

所述平面反射鏡(6)與所述準(zhǔn)直鏡(5)錯(cuò)位相對設(shè)置，用于折疊光路，將準(zhǔn)直鏡(5)反射來的光，反射到濾光片陣列(7)；

所述濾光片陣列(7)由多個(gè)不同波長的條形濾光片組成，其數(shù)量與多孔圓屏的開孔數(shù)量相同；各濾光片的一端互不相連，各濾光片角間距由子波段中心波長確定；各濾光片陣列的濾光片波長選擇與多孔圓屏上各孔濾光片按順序相對應(yīng)，各濾光片的工作波長從光入射方向開始依次遞增或遞減；

所述光柵(8)設(shè)在濾光片陣列(7)反射光路上，用于將濾光片陣列(7)反射來的入射光，反射到與其錯(cuò)位相對設(shè)置的柱面反射鏡(9)，在空間上將不同波長的入射光予以分離；

所述柱面反射鏡為凹柱面鏡(9)，用于矯正光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的像散，將光柵反射來的光投射到與其相對設(shè)置的聚焦鏡(10)的反射面；

所述聚焦鏡(10)為一球面反射鏡，用于將柱面反射鏡反射來的光，反射聚焦于所述CCD芯片(11)；

工作時(shí)，入射光經(jīng)過步機(jī)電機(jī)(1)驅(qū)動的多孔圓屏(2)，由于各孔覆蓋有不同波長的濾光片(3)，隨著步進(jìn)電機(jī)(1)轉(zhuǎn)動，不同子波段的光束依次通過其上等角距排列的孔，經(jīng)準(zhǔn)直鏡(5)準(zhǔn)直后，反射在用于折疊光路的平面反射鏡(6)上，由其反射到濾光片陣列(7)上；由于濾光片陣列(7)處的濾光片與多孔圓屏處的濾光片陣列相對應(yīng)，因此不同子波段的光束將打在相對應(yīng)的濾光片上；并以不同的角度被反射在光柵(8)的反射表面，由其反射并在空間上分離后，以相同的角度反射到柱面反射鏡(9)，由柱面反射鏡(9)反射并通過聚焦鏡(10)聚焦，投射在線陣CCD芯片(11)上；隨著多孔圓屏(2)轉(zhuǎn)動，入射光譜的各子波段的光束逐一投射在線陣CCD芯片(11)上，從而實(shí)現(xiàn)了寬光譜高分辨率的光譜測量。

進(jìn)一步的，所述多孔圓屏(2)之前或之后，設(shè)有一個(gè)狹縫(4)，用于擋住雜散光。

進(jìn)一步的，所述光柵(8)是閃耀光柵。

進(jìn)一步的，所述濾光片陣列(7)中，各濾光片角間距按各濾光片中心波長衍射角相等的原則確定。

本發(fā)明將光譜儀工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，然后讓不同子波段的光束以不同的傾角入射在反射光柵上，根據(jù)光柵的衍射特性，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)，可以讓這些以不同傾角入射的不同子波段的光束，其中心波長具有相同的衍射角，因而每個(gè)子波段的衍射角范圍相近，都能在聚焦之后，依次被線陣CCD芯片接收。因此在線陣CCD芯片的像素?cái)?shù)量相同的情況下，為單位寬度的光譜分配的像素?cái)?shù)量增加，光譜儀的分辨率得到大幅提升；同時(shí)，由于采用了波段分割技術(shù)，可以選用色散較大、線數(shù)較多的光柵，從而提高光譜儀的靈敏度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用光譜的波段分割技術(shù)及光柵的空分復(fù)用技術(shù)，克服傳統(tǒng)線陣CCD型光譜儀波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題，大幅提升了光譜儀的分辨率和靈敏度。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)；

圖3是光柵的空分復(fù)用原理；

圖4是光譜儀空分復(fù)用光路結(jié)構(gòu)；

圖5是分割波段方法-總體結(jié)構(gòu)圖；

圖6是分割波段方法-五孔圓屏結(jié)構(gòu)圖；

圖7是入射模塊處濾光片透射光譜—高、低通濾光片組合；

圖8是入射模塊處濾光片透射光譜—帶通濾光片；

圖9是濾光片陣列處透射光譜；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-步進(jìn)電機(jī)、2-多孔圓屏、3-濾光片、4-狹縫、5-準(zhǔn)直鏡、6-平面反射鏡、7-濾光片陣列、8-光柵、9-柱面反射鏡、10-聚焦鏡、11-線陣CCD芯片。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般采用Czerny-Turner型光學(xué)系統(tǒng)，從狹縫入射的光信號，首先被一個(gè)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光，入射在一個(gè)反射式光柵上，不同波長的光信號被色散展開為不同衍射角，再由一個(gè)聚焦鏡將不同波長的光信號聚焦到線陣CCD上的不同位置，從而檢測各個(gè)波長的光信號強(qiáng)度，繪出光譜圖。為了矯正光學(xué)系統(tǒng)的像散(光學(xué)像差的一種)，往往在聚焦鏡與線陣CCD之間加入一個(gè)凹形柱面反射鏡。圖中λ_s、λ_c和λ_l分別為光譜儀工作波段的短波端、中波和長波端，聚焦后在線陣CCD芯片上色散展開。

波長分辨率是光譜儀最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一，對于線陣CCD型光譜儀，除了光學(xué)系統(tǒng)的像差之外，從工作原理上影響波長分辨率的主要因素有兩個(gè)：其一是線陣CCD芯片上的像素?cái)?shù)量是有限的，波長非?？拷膬芍ёV線聚焦在同一個(gè)像素上，不能完全分辨開；其二是考慮入射光通量，狹縫總有一定寬度，因此準(zhǔn)直之后不能得到理想平行光，最終在線陣CCD芯片上不能聚焦為一個(gè)理想線譜，而是存在一定的彌散效應(yīng)。針對這兩個(gè)影響因素，提高“像素?cái)?shù)量/單位譜寬”這個(gè)比值，總是能夠提高光譜儀的分辨率。

通過周期為d的光柵將譜寬為Δλ的復(fù)色光色散展開之后，經(jīng)過焦距為f的聚焦鏡，投射在線陣CCD芯片上，線陣CCD芯片上的像素間距為P，像素?cái)?shù)量為N，則各參數(shù)之間存在關(guān)系式(1)，其中θ_c為中心波長的衍射角。

$NP=f\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{d{\mathrm{cos\θ}}_c}---\left(1\right)$

一般而言，聚焦在線陣CCD芯片上兩個(gè)相鄰像素上的兩條譜線，能夠被完全分辨開，而聚焦在同一個(gè)像素上的兩條譜線，只要不是靠得太近，通過一定的算法處理，也可能被分辨開。假如通過算法處理，能夠分辨的最小譜線間距為δx＝αP，其中α為小于1的小數(shù)，這兩條譜線對應(yīng)的波長間隔為δλ，也就是光譜儀的波長分辨率，則各參數(shù)之間存在關(guān)系式(2)。

$\mathrm{\α}P=f\frac{\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}}{d{\mathrm{cos\θ}}_c}---\left(2\right)$

結(jié)合式(1-2)，得到：

$\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}}{\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}}=\frac{N}{\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

注意其中Δλ為入射光信號的譜寬，δλ為光譜儀的波長分辨率，N為線陣CCD芯片的像素?cái)?shù)量，α為通過算法處理之后能夠分辨的譜線間距(以像素間距歸一化之后)。

由此可知，基于現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀技術(shù)方案，光信號的譜寬Δλ與波長分辨率δλ為正比關(guān)系，要想提高光譜儀的工作譜寬，就必須犧牲波長分辨率(δλ越小越好)。

因此，本發(fā)明提出一種寬光譜高分辨率的光譜儀結(jié)構(gòu)，采用光譜的波段分割技術(shù)和光柵的空間復(fù)用技術(shù)，在保證寬光譜工作的條件下，可以大幅提高光譜儀的波長分辨率。圖2為本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)，與圖1所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不同的是，此處以一個(gè)入射狹縫+帶通濾光片組+五孔圓屏+步進(jìn)電機(jī)的組合結(jié)構(gòu)(為方便敘述，后面簡稱入射模塊)代替單個(gè)狹縫，作為光譜儀的入射端。入射模塊將光譜儀的工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，各個(gè)子波段與濾光片陣列一一對應(yīng)，每次只讓一個(gè)子波段的光束從狹縫入射。每個(gè)子波段的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直之后入射在一個(gè)平面鏡(用平面鏡折疊光路以減小光譜儀結(jié)構(gòu))上，由于每個(gè)濾光片與光軸夾角不同，因此，每個(gè)子波段的光束經(jīng)不同偏角的濾光片反射后以特定傾角入射在光柵上，再經(jīng)聚焦鏡投射在線陣CCD芯片上，繪出該子波段的光譜圖。之后通過入射模塊選擇下一個(gè)子波段的入射光束，被準(zhǔn)直之后以另一個(gè)特定傾角入射在光柵上，而衍射角范圍與其他子波段相同，被線陣CCD芯片檢測之后，繪出下一個(gè)子波段的光譜圖。如此繼續(xù)，繪出所有子波段的光譜圖之后，拼接出整個(gè)工作波段的光譜圖。

為簡化起見，圖2中只畫出了每個(gè)子波段中心波長的光路，聚焦于線陣CCD芯片的中心像素上，其他波長的光將沿CCD芯片表面色散展開。

基于本發(fā)明提出的光譜的波段分割技術(shù)和光柵的空分復(fù)用技術(shù)，光譜儀的工作波段被分割為數(shù)個(gè)子波段，式(3)中的Δλ為子波段譜寬而非整個(gè)工作波段，因此波長分辨率得到提高(能夠分辨的最小波長間隔δλ降為1/M，其中M為分割的子波段數(shù)量)。并且，在給定聚焦鏡的焦距f和線陣CCD芯片的參數(shù)N、P的情況下，采用波段分割技術(shù)，譜寬Δλ更小，可以選用線數(shù)(光柵上每毫米的刻線數(shù)量，是光柵周期d的倒數(shù))更密的光柵。根據(jù)光柵的衍射特性，線數(shù)更密的光柵，邊緣波長的衍射效率更高(光譜儀有一定的工作波段，不能僅考慮中心波長的衍射效率，實(shí)際上邊緣波長的衍射效率才是短板，決定光譜儀的靈敏度指標(biāo))，因此光譜儀的靈敏度得到提高。

前面提到，本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀采用了光柵的空分復(fù)用技術(shù)，每個(gè)子波段的光束，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直之后，將以不同的特定傾角入射在光柵上，而衍射角范圍相近，聚焦之后，均能被線陣CCD芯片接收。圖4所示為光柵的空分復(fù)用技術(shù)原理，波長λ₁、λ₂的兩束光分別以傾角i₁、i₂入射，而衍射角同樣為θ。根據(jù)光柵方程(4-5)，給定兩束光的波長λ₁、λ₂，只要適當(dāng)設(shè)計(jì)光柵參數(shù)d(光柵周期)并選擇入射角i₁、i₂，可以得到相同的衍射角θ。

d(sinθ-sini₁)＝λ₁ (4)

d(sinθ-sini₂)＝λ₂ (5)

圖3中展示的是兩個(gè)不同波長的單色光的空分復(fù)用情況，而本發(fā)明的應(yīng)用背景是，不同子波段的光束以不同傾角入射在光柵上，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，讓各個(gè)子波段的中心波長具有相同的衍射角，則各個(gè)子波段的衍射角范圍相近(考慮光柵色散特性的非線性，各子波段非中心波長的衍射角會有細(xì)微差異)，經(jīng)過聚焦之后，均能被線陣CCD芯片接收。

圖4展示的是具體空分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方案。入射光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直及平面鏡折疊光路之后，入射至濾波片陣列，每個(gè)濾波片的截止波長不同，分別為五個(gè)子波段的長波長，因此入射光為相應(yīng)子波段則反射，否則透過。且子濾波片相互間略有偏角，故不同子波段的光以不同的角度入射到光柵上。參考圖3，結(jié)合光柵的空分復(fù)用技術(shù)，這些不同子波段、不同傾角的光束入射在光柵上，將產(chǎn)生相近的衍射角范圍，聚焦之后投射在線陣CCD芯片上。

圖5展示的是實(shí)現(xiàn)波段分割的入射模塊結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖6，圓屏上等角距排列的五孔處分別貼有五組不同波段的濾光片，每組濾光片的帶通范圍不同，將工作波段分割成5個(gè)子波段。狹縫置于圓屏的某一孔前，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動五孔圓屏旋轉(zhuǎn)。由于每個(gè)孔對應(yīng)一組濾光片，則每一次只能讓一個(gè)子波段的光入射，從而實(shí)現(xiàn)對光譜儀工作波段的分割。

圖7所示為本發(fā)明所采用的高、低通型濾光片的透射光譜，入射模塊處所需濾光片的數(shù)量取決于光譜儀工作子波段的個(gè)數(shù)，并根據(jù)對光譜儀工作波段的分割情況，決定每個(gè)帶通濾光片的中心波長λ_ic及兩側(cè)截止波長λ_is、λ_il。

圖8所示為本發(fā)明中濾光片陣列處所采用濾光片的透射光譜。

工作時(shí)，入射光經(jīng)過步機(jī)電機(jī)驅(qū)動的五孔圓屏，由于五孔覆蓋有不同波長的濾光片，隨著步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，不同子波段的光束依次通過其上等角距排列的五孔，然后通過狹縫入射到準(zhǔn)直鏡M1的反射面上。光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡M1準(zhǔn)直并反射后，入射在用于折疊光路的平面反射鏡上。經(jīng)平面反射鏡反射的光束打在濾光片陣列上，由于濾光片陣列處的濾光片與五孔圓屏處的濾光片陣列相對應(yīng)，因此不同子波段的光束將打在不同位置的濾光片上，然后各子波段中心波長光束以不同的角度反射在光柵的反射表面。各子波段的光束經(jīng)反射光柵反射并分光。各子波段中心波長光束以相同的角度從光柵反射面反射并入射在柱面反射鏡的反射面上。由柱面反射鏡反射的光束經(jīng)過聚焦鏡M2的反射及聚焦，由于各子波段的光束被五孔圓屏控制依次入射，因此各子波段的光束依次投射在線陣CCD芯片上。

綜上所述，本發(fā)明基于光譜的波段分割技術(shù)和光柵的空間復(fù)用技術(shù)，將光譜儀的工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，逐個(gè)將這些子波段的光信號導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)，繪出每個(gè)子波段光譜圖，并最終拼接出整個(gè)工作波段的光譜圖。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。