本發(fā)明涉及一種微型高分辨率光譜儀，屬于光譜學(xué)、光譜儀器及測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在很多光譜分析應(yīng)用中需要用到超高光譜分辨率的光譜儀，例如拉曼光譜分析、激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析、激光光譜分析等等。為了提高光譜儀的光譜分辨率，常常需要使用高刻線密度的光柵以獲得更強的色散能力。但是通過提高光柵刻線密度來提升光譜分辨率是有極限的，并要求很高的成像質(zhì)量。

一種提高光譜分辨率的途徑是使用法布里--珀羅腔(以下簡稱法珀腔)濾波器。當(dāng)具有一定帶寬的入射光通過法珀腔的前后兩個反射面發(fā)射會發(fā)生干涉，會產(chǎn)生梳狀光譜的出射光，其輸出的每一個梳齒都具有很窄的光譜帶寬。利用法珀腔的透過率或者反射率特性，能獲得超窄帶寬的光譜，進而實現(xiàn)高分辨光譜的測量。由于固定式的法珀腔只能輸出很有限的幾個波長，實際應(yīng)用中常常需要通過改變法珀腔的一些參量來獲得更多的波長輸出，其中應(yīng)用的最多的是改變法珀腔的厚度(稱厚度掃描)，或者改變光的入射角(稱角度掃描)，使得出射光的波長發(fā)生改變?；诜ㄧ昵坏墓庾V儀就是通過連續(xù)的改變這些參量實現(xiàn)的。由于對精度要求很高，掃描式的法珀腔光譜儀對掃描機構(gòu)的控制精度要求很高，而且掃描過程耗時相對較長。

另一類高分辨率光譜儀器系統(tǒng)則使用虛像相位陣列技術(shù)。這種技術(shù)同時使用光柵和法珀腔，既有傳統(tǒng)光柵光譜儀波長連續(xù)的特性，也有法珀腔光譜儀高分辨率的特點。但是系統(tǒng)中光柵同樣帶來了很大的光能量損失，光能量利用率低。并且這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，使其應(yīng)用受到諸多限制。

經(jīng)檢索，申請?zhí)朇N200710093178.5的中國專利申請，該發(fā)明涉及一種寬光譜高分辨率微型光譜儀,它由分光成像部分、光譜信號獲取與處理兩大部分構(gòu)成,主要由可控閉合狹縫、平面反射鏡、平場凹面光柵、面陣光電探測器、光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路和光譜信號處理及分析軟件等部分組成。該發(fā)明是集成多個特定工作波段的平場凹面光柵和一塊面陣光電探測器,從而在保證光譜儀微型化的同時實現(xiàn)寬光譜高分辨率的測試要求。

但是上述專利存在以下不足：平場光柵的使用限制了光的利用率，光柵衍射會損失很大一部分光能量；系統(tǒng)相當(dāng)于多組光路共用一個探測器，為了兼顧各組光路的成像質(zhì)量，實際的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程會很復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種微型高分辨率光譜儀，該光譜儀是非掃描式的法珀腔光譜儀，簡化了機構(gòu)，縮小了體積，提高了光譜測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了測量速度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種微型高分辨率光譜儀，包括：反射鏡組和法珀腔，所述反射鏡組使用兩面反射鏡，與法珀腔構(gòu)成一循環(huán)光路系統(tǒng)，兩面反射鏡將法珀腔反射回來的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。

所述光譜儀進一步包括狹縫、準(zhǔn)直透鏡、棱鏡、會聚透鏡、線陣或面陣CCD傳感器，其中：法珀腔豎直設(shè)置，反射鏡組中兩面反射鏡置于法珀腔前，相對于法珀腔的法線對稱設(shè)置，并與法珀腔有一夾角，兩面反射鏡間有一間隙方便光線入射；棱鏡置于反射鏡組之前，用于調(diào)整入射光的寬度；狹縫和準(zhǔn)直透鏡組成準(zhǔn)直系統(tǒng)并處于整個光路的最前方；在法珀腔的后方設(shè)置會聚透鏡，用于使光線聚焦到線陣或面陣CCD傳感器上。

本發(fā)明在光譜儀中設(shè)計了一種新的循環(huán)光路系統(tǒng)，使用兩面反射鏡，將法珀腔反射回來的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。通過將反射鏡設(shè)置使每次入射至法珀腔的入射角發(fā)生改變，可以實現(xiàn)類似于掃描式法珀腔光譜儀的更多通道光譜輸出測量。整個光路中無可移動部分，結(jié)構(gòu)緊湊，可以制成微型的光譜儀。

具體的，光源經(jīng)狹縫進入光譜儀后，由準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫泄?，然后垂直入射在棱鏡的直角面，由棱鏡斜面出射后變?yōu)閷挾日钠叫泄?，該平行光以入射角?sub>0至法珀腔，經(jīng)過法珀腔后，光線被分為透射光和反射光，其中透射光經(jīng)會聚鏡聚焦在CCD傳感器上，波長為λ₀；反射光則經(jīng)反射鏡組再次反射后，以入射角θ₀-2α入射至法珀腔，α為反射鏡組中兩個反射鏡和法珀腔的夾角，法珀腔的透射光經(jīng)會聚鏡聚焦在CCD傳感器上，波長為λ₁；反射光會再次經(jīng)反射鏡組以入射角θ₀-4α入射至法珀腔；如此循環(huán)，直至入射角θ₀-2nα＜0，n為第一反射鏡角度遞減循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)；

前一次入射角θ₀-2(n-1)α是大于零的，入射角θ₀-2nα＜0之后的循環(huán)，入射角會以2(n+1)α-θ₀、2(n+2)α-θ₀、…的形式遞增，直至2(n+m)α-θ₀＞θ₀，m為第一反射鏡角度遞增循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)，此時，反射光將反射至反射鏡組中的第二面反射鏡；

之后入射角將以2(n+m-1)α-θ₀、2(n+m-2)α-θ₀、…的形式遞減，一直到入射角2(n+m-l)α-θ₀＜0時，l為第二反射鏡角度遞減循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)，入射角開始以θ₀-2(n+m-l)α、θ₀-2(n+m-l-1)α、…的形式遞增，直到θ₀-2(n+m-l-p)α＝θ₀，p為第二反射鏡角度遞增循環(huán)中的循環(huán)次數(shù)；

之后入射光以與最初相同的入射角至法珀腔表面，進入下一次反射大循環(huán)；

整個光路中，光線以一系列入射角：|θ₀-2kα|通過法珀腔，k＝0，1，2，...N，N為大于且最接近于θ₀/α的正整數(shù)，對應(yīng)的波長為λ₀，λ₁，…λ_N。

相對于傳統(tǒng)的法珀腔光譜儀，其光能利用率得到了很大的提升。

進一步的，所述棱鏡斜面出射后變?yōu)閷挾群苷钠叫泄猓銎叫泄獾膶挾葹椋?/p>

$w_1=w_0{\left(\frac{1-n^2{\sin }^2\mathrm{\β}}{{\cos }^2\mathrm{\β}}\right)}^{1/2};$

式中：w₀為準(zhǔn)直后平行光的寬度，β為棱鏡的劈角，n為棱鏡的折射率，由棱鏡出射后的平行光以入射角θ₀至法珀腔，經(jīng)過法珀腔后，光線被分為透射光和反射光，只有滿足2n_fpdcosθ＝mλ的光線才能透過法珀腔，其余會被反射，式中d為法珀腔的間隙厚度，n_fp為法珀腔的間隙介質(zhì)的折射率，θ為入射角，λ為波長，m為整數(shù)。

優(yōu)選地，所述法珀腔是在固定厚度的玻璃片上下兩表面鍍反射率薄膜構(gòu)成；上下兩層反射薄膜反射率的大小直接影響光譜的分辨率，反射率越高，光譜分辨率也會越高。

更優(yōu)選地，所述反射率薄膜，其反射率大于95％。

優(yōu)選地，所述反射鏡組則由兩面傾角相同對稱放置的平面鏡組成。

優(yōu)選地，所述反射鏡組與所述法珀腔均為光學(xué)膜層組。反射鏡組對應(yīng)的膜層分別鍍在棱鏡的兩個斜面上，法珀腔膜層組則鍍在棱鏡的底面上。在高度方向上設(shè)置多個厚度不同的法珀腔膜層。在這種設(shè)計中，光線的反射過程與前述示例相同，而且其測量的光譜通道數(shù)相對前述示例會成倍增加。

需要說明的是，為了防止多級光譜的疊加，測量光譜的帶寬應(yīng)在法珀腔的自由光譜范圍內(nèi)。兩種設(shè)計中反射鏡組的反射率盡可能高，法珀腔的兩個反射面的反射率可以根據(jù)分辨率的需要適當(dāng)調(diào)整。整個系統(tǒng)由簡單的光學(xué)元件組成，系統(tǒng)中不含可動部分，并且可以將整機微型化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)相對于傳統(tǒng)的光柵光譜儀，光源利用率更高。現(xiàn)有的光譜儀主要利用光柵衍射出的正負(fù)一級譜，其衍射效率不會很高，一般在80％以下；而本發(fā)明法珀腔光譜儀對所測波長的透過率是接近于1的，相對于光柵光的利用率更高。

2)本發(fā)明光譜儀的體積相對于光柵光譜儀更小。

3)本發(fā)明光路調(diào)節(jié)很方便，尤其是本發(fā)明給出的第二種設(shè)計中，將反射鏡組和法珀腔以薄膜組的形式鍍在一塊棱鏡上，使整體結(jié)構(gòu)更加一體化，方便光路系統(tǒng)的搭建。

4)本發(fā)明系統(tǒng)中無可動部分，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5)本發(fā)明中的光譜儀，在小體積的情形下能實現(xiàn)皮米或十皮米級的分辨率。而傳統(tǒng)的光柵光譜儀分辨率較高的在0.1nm或0.01nm這兩個數(shù)量級上，要實現(xiàn)皮米量級的分辨率是很困難的，而且伴隨的系統(tǒng)體積往往會變得很大。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的高分辨率光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一較優(yōu)實施例高分辨率光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一較優(yōu)實施例中的法珀腔膜層陣列示意圖；

圖4為圖1所示光譜儀獲得的光譜曲線；

圖5為圖1所示光譜儀中法珀腔的透過率曲線；

圖中：1為狹縫；2為準(zhǔn)直透鏡；3為棱鏡；4為反射鏡組；4’為高反膜；5為法珀腔；5’為法珀腔膜層陣列；6為會聚透鏡；7為線陣或面陣CCD傳感器；8為棱鏡的劈角β；9為反射鏡的傾角α；10為棱鏡；11為高反膜層中的(HL)⁴部分；12為高反膜層中的M部分；13為高反膜層中的(LH)⁴部分。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

一種緊湊的高分辨率光譜儀，示意圖見圖1。所述光譜儀包括狹縫1、準(zhǔn)直透鏡2、棱鏡3、反射鏡組4、法珀腔5、會聚透鏡6和線陣(或面陣)CCD傳感器7。其中：所述反射鏡組4使用兩面反射鏡，與法珀腔5構(gòu)成一循環(huán)光路系統(tǒng)，兩面反射鏡將法珀腔5反射回來的光再次收集，使之重新反射至法珀腔5，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。

如圖1所示，法珀腔5豎直設(shè)置，反射鏡組4中兩面反射鏡置于法珀腔5前，相對于法珀腔5的法線對稱設(shè)置，并與法珀腔5有一夾角，兩面反射鏡間有一間隙方便光線入射；棱鏡3置于反射鏡組4之前，用于調(diào)整入射光的寬度；狹縫1和準(zhǔn)直透鏡2組成準(zhǔn)直系統(tǒng)并處于整個光路的最前方；在法珀腔5的后方設(shè)置會聚透鏡6，用于使光線聚焦到線陣或面陣CCD傳感器7上。

本發(fā)明在光譜儀中采用上述的循環(huán)光路系統(tǒng)，實現(xiàn)更高的能量利用率，通過將反射鏡設(shè)置使每次入射至法珀腔的入射角發(fā)生改變，可以實現(xiàn)類似于掃描式法珀腔光譜儀的更多通道光譜輸出測量。整個光路中無可移動部分，結(jié)構(gòu)緊湊，可以制成微型的光譜儀。

具體的，光源經(jīng)會聚從狹縫1進入光譜儀后，由準(zhǔn)直透鏡2將其變?yōu)槠叫泄猓缓蟠怪比肷湓诶忡R3的直角面，由棱鏡3斜面出射后變?yōu)閷挾日钠叫泄?，其寬度為式中w₀為準(zhǔn)直后平行光的寬度，β為棱鏡的劈角，n為棱鏡的折射率；

由棱鏡3出射后的平行光以入射角θ₀至法珀腔5，經(jīng)過法珀腔5后，光線被分為透射光和反射光，只有滿足2n_fpdcosθ＝mλ的光線才能透過法珀腔5，其余會被反射，式中d為法珀腔的間隙厚度，n_fp為法珀腔5的間隙介質(zhì)的折射率，θ為入射角，λ為波長，m為整數(shù)。

經(jīng)法珀腔5的透射光經(jīng)會聚透鏡6聚焦在CCD傳感器7上，波長為λ₀；反射光則反射經(jīng)反射鏡組再次反射后，以入射角θ₀-2α入射至法珀腔5，α為反射鏡組中兩個反射鏡和法珀腔的夾角。經(jīng)法珀腔5的透射光經(jīng)會聚鏡聚6焦在CCD傳感器7上，波長為λ₁；反射光會再次經(jīng)反射鏡組4以入射角θ₀-4α入射至法珀腔5。

如此循環(huán)，直至入射角θ₀-2nα＜0(n為第一反射鏡角度遞減循環(huán)中的循環(huán)次數(shù))。此時前一次入射角θ₀-2(n-1)α是大于零的。之后的循環(huán)，入射角會以2(n+1)α-θ₀、2(n+2)α-θ₀、…的形式遞增，直至2(n+m)α-θ₀＞θ₀(m為第一反射鏡角度遞增循環(huán)中的循環(huán)次數(shù))。此時，反射光將反射至第二面反射鏡。之后入射角將以2(n+m-1)α-θ₀、2(n+m-2)α-θ₀、…的形式遞減，一直到入射角2(n+m-l)α-θ₀＜0時(l為第二反射鏡角度遞減循環(huán)中的循環(huán)次數(shù))，入射角開始以θ₀-2(n+m-l)α、θ₀-2(n+m-l-1)α、…的形式遞增，直到θ₀-2(n+m-l-p)α＝θ₀(p為第二反射鏡角度遞增循環(huán)中的循環(huán)次數(shù))。之后入射光以與最初相同的入射角至法珀腔表面，進入下一次反射大循環(huán)。所以，整個光路中，光線以一系列入射角：|θ₀-2kα|(k＝0，1，2，...N，N為大于且最接近于θ₀/α的正整數(shù))通過法珀腔，其對應(yīng)的波長為λ₀，λ₁，…λ_N。

相對于傳統(tǒng)的法珀腔光譜儀，其光能利用率得到了很大的提升，同時簡化了機構(gòu)，縮小了體積，提高了光譜測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了測量速度。

實施例2

一種緊湊的高分辨率光譜儀，如圖1所示，所述光譜儀包括狹縫1、準(zhǔn)直透鏡2、棱鏡3、反射鏡組4、法珀腔5、會聚透鏡6和線陣(或面陣)CCD傳感器7。其中：所述反射鏡組4使用兩面反射鏡，與法珀腔5構(gòu)成一循環(huán)光路系統(tǒng)，兩面反射鏡將法珀腔5反射回來的光再次收集，使之重新反射至法珀腔5，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。

與實施例1不同之處在于：

所述法珀腔5是通過在固定厚度的玻璃片上下兩表面鍍高反射膜實現(xiàn)。

所述反射鏡組4則由兩面傾角相同對成放置的平面鏡組成。

作為一具體應(yīng)用的實施例，各器件采用以下參數(shù)：

入射光經(jīng)過光纖，再通過狹縫進入光譜儀，各光學(xué)器件參數(shù)為：

狹縫寬度：20μm；

準(zhǔn)直鏡焦距：7mm；孔徑4.5mm；

棱鏡折射率為：1.516；劈角：39.6度；

反射鏡尺寸：6mm×5mm；傾角：0.5度；

法珀腔尺寸：12mm×5mm。

法珀腔膜層總數(shù)為17層，其結(jié)構(gòu)為(HL)⁴M(LH)⁴。其中H為厚度86.046nm的ZnS膜層；L為厚度為142.196nm的MgF₂膜層；M為厚度為0.520mm的N-BK7玻璃。

會聚鏡尺寸：12mm×6mm；焦距30mm。該透鏡是截取孔徑12mm的透鏡中心部分獲得，高度為6mm。

CCD感光面尺寸：7mm×5mm。

本實例中入射光經(jīng)準(zhǔn)直后，初始入射角為5.3度。經(jīng)反射循環(huán)系統(tǒng)，入射至法珀腔表面的入射角為5.3,4.3,3.3,2.3,1.3,0.3,0.7,1.7,2.7,3.7,4.7,5.7度共12個角度。對應(yīng)的波長分別為785.884nm,785.863nm,785.801nm,785.738nm,785.614nm,785.510nm,785.713nm,785.567nm,785.708nm,785.521nm,785.600nm,785.761nm。光譜范圍為785.5-785.9nm。CCD上光譜曲線見圖4。

本實例中法珀腔垂直入射時透過率曲線見圖5，此時法珀腔的分辨率為6pm，因此光譜儀的最高分辨率為6pm。整個譜儀大小為80mm×20mm×15mm。

本發(fā)明使用上述反射鏡組與法伯腔，反射鏡將法珀腔反射回來的光再次反射，使之重新反射至法珀腔，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。通過設(shè)計反射鏡的放置角度，使每次入射至法珀腔的入射角發(fā)生改變，可以實現(xiàn)類似于掃描式法珀腔光譜儀的更多通道光譜輸出測量。

實施例3

一種高分辨率光譜儀，其示意圖見圖2，包括狹縫1、準(zhǔn)直透鏡2、棱鏡3、反射鏡組4、法珀腔5、會聚透鏡6和線陣(或面陣)CCD傳感器7。其中：所述反射鏡組4使用兩面反射鏡，與法珀腔5構(gòu)成一循環(huán)光路系統(tǒng)，兩面反射鏡將法珀腔5反射回來的光再次收集，使之重新反射至法珀腔5，如此循環(huán)利用，實現(xiàn)更高的能量利用率。

與實施例2不同之處在于：

反射鏡組4與法珀腔5均為光學(xué)膜層組。反射鏡組4對應(yīng)的膜層分別鍍在棱鏡的兩個斜面上，法珀腔膜層組則鍍在棱鏡的底面上。在所述光譜儀的高度方向(參照圖2，垂直于紙面方向)上設(shè)置了多個厚度不同的法珀腔膜層，膜層的示意圖見圖3。這種設(shè)計其測量的光譜通道數(shù)相對于實施例2中的設(shè)計具有較大的提高。

本實施例將反射鏡組4和法珀腔5以薄膜組的形式鍍在一塊棱鏡上，使整體結(jié)構(gòu)更加一體化，方便光路系統(tǒng)的搭建。

需要說明的是，為了防止多級光譜的疊加，測量光譜的帶寬應(yīng)在法珀腔的自由光譜范圍內(nèi)。以上實施例中反射鏡組4的反射率盡可能高，法珀腔5的兩個反射面的反射率可以根據(jù)分辨率的需要適當(dāng)調(diào)整。整個系統(tǒng)由簡單的光學(xué)元件組成，系統(tǒng)中不含可動部分，并且可以將整機小型化。

綜上所述，本發(fā)明利用法珀腔獲得分辨率極高的光譜，通過設(shè)計循環(huán)光路系統(tǒng)，產(chǎn)生一系列不同入射角的光，經(jīng)過法珀腔和會聚鏡聚焦后，在探測面上產(chǎn)生一系列不同波長的分立的光譜輸出，實現(xiàn)多波長通道的光譜測量。本發(fā)明中的光譜儀的分辨率與法珀腔一致，由于采用了循環(huán)光路系統(tǒng)，使得入射光的能量得到充分利用。相比較于傳統(tǒng)的法珀腔光譜儀，不需要掃描，簡化了機構(gòu)，縮小了體積，提高了光譜測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了測量速度。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。