本發(fā)明涉及光譜儀領(lǐng)域，尤其涉及一種多分辨率光譜儀。

背景技術(shù)：

光譜儀是一種用途很廣的分析儀器，尤其用于物質(zhì)的鑒定和分析。光譜儀利用色散元件將不同波長混合在一起的光信號分解并排列到探測器上，最終得到代表著不同波長處的信號強(qiáng)度分布的光譜圖線。光譜儀的分辨率表征了儀器對兩個相鄰波長信號間的分辨能力，決定了最終光譜圖攜帶特征信息的精細(xì)程度。在光譜探測和分析中，光譜儀的分辨率參數(shù)對于精確地鑒別物質(zhì)、確定其化學(xué)組成和相對含量有著重要的意義。

現(xiàn)有光譜儀通常采用單一寬度的狹縫，狹縫寬度確定后，分辨率就成了定值。不能保證分辨率和靈敏度兼得。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多分辨率光譜儀，其通過采用特定形狀的入射狹縫，能夠適應(yīng)于多種分辨率的光譜圖采集。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種多分辨率光譜儀，包括：入射狹縫，布置用于接收入射光束；準(zhǔn)直裝置，布置用于對來自入射狹縫的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；色散裝置，布置用于對經(jīng)過準(zhǔn)直裝置準(zhǔn)直的光束進(jìn)行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束；成像裝置和陣列式光子探測器，所述成像裝置布置用于將所述多個子光束分別成像在所述陣列式光子探測器上，所述陣列式光子探測器用于將成像到其上的多個子光束的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號用于形成光譜圖，其中，所述入射狹縫具有第一狹縫部分和第二狹縫部分，所述第二狹縫部分具有比第一狹縫部分更大的寬度。

在一實(shí)施例中，所述色散裝置布置成將所述多個子光束在第一方向上分離開，所述陣列式光子探測器具有多列探測單元，其中每列探測單元沿著與第一方向垂直的第二方向布置。

在一實(shí)施例中，所述多個子光束中的每個子光束在所述陣列式光子探測器上形成的圖案包括分別對應(yīng)于第一狹縫部分和第二狹縫部分的第一圖案部分和第二圖案部分，所述第二圖案部分具有比第一圖案部分更大的寬度。

在一實(shí)施例中，光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中的所有探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實(shí)施例中，所述陣列式光子探測器具有沿著第二方向依次布置的第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一圖案部分形成于所述第一區(qū)域中，所述第二圖案部分形成于所述第二區(qū)域中，所述光譜圖包括第一子光譜圖和第二子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處于第一區(qū)域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處于第二區(qū)域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實(shí)施例中，所述狹縫還包括第三狹縫部分，所述第三狹縫部分具有比第二狹縫部分更大的寬度。

在一實(shí)施例中，所述多個子光束中的每個子光束在所述陣列式光子探測器上形成的圖案包括分別對應(yīng)于第一狹縫部分、第二狹縫部分和第三狹縫部分的第一圖案部分、第二圖案部分和第三圖案部分，所述第二圖案部分具有比第一圖案部分更大但比第三圖案部分更小的寬度。

在一實(shí)施例中，所述陣列式光子探測器具有沿著第二方向依次布置的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，所述第一圖案部分、第二圖案部分和第三圖案部分分別形成于所述第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域中，所述光譜圖包括第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處于第一區(qū)域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處于第二區(qū)域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第三子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處于第三區(qū)域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實(shí)施例中，所述入射狹縫具有寬度漸變的形狀。

在一實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直裝置包括準(zhǔn)直透鏡或凹面反射鏡，所述色散裝置包括分色光柵，所述成像裝置包括會聚透鏡或凹面反射鏡。

如本發(fā)明的上述至少一個實(shí)施例中所述的多分辨率光譜儀，通過設(shè)置具有寬度不同的各個狹縫部分的入射狹縫，能夠在對入射光束進(jìn)行一次采集的過程中生成具有多種波長分辨率的光譜圖。

附圖說明

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的多分辨率光譜儀；

圖2a、2b、2c示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的多分辨率光譜儀的入射狹縫的形狀的示例；

圖3示意性地示出經(jīng)過入射狹縫的光束經(jīng)過色散裝置之后成像在陣列式光子探測器上的圖案的示例；

圖4示意性地示出光譜圖中的譜線。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號表示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發(fā)明實(shí)施方式的說明旨在對本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的一種限制。

根據(jù)本發(fā)明的總體構(gòu)思，提供一種多分辨率光譜儀，包括：入射狹縫，布置用于接收入射光束；準(zhǔn)直裝置，布置用于對來自入射狹縫的光束進(jìn)行準(zhǔn)直；色散裝置，布置用于對經(jīng)過準(zhǔn)直裝置準(zhǔn)直的光束進(jìn)行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束；成像裝置和陣列式光子探測器，所述成像裝置布置用于將所述多個子光束分別成像在所述陣列式光子探測器上，所述陣列式光子探測器用于將成像到其上的多個子光束的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號用于形成光譜圖，其中，所述入射狹縫具有第一狹縫部分和第二狹縫部分，所述第二狹縫部分具有比第一狹縫部分更大的寬度。

另外，在下面的詳細(xì)描述中,為便于解釋,闡述了許多具體的細(xì)節(jié)以提供對本披露實(shí)施例的全面理解。然而明顯地，一個或更多個實(shí)施例在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下也可以被實(shí)施。

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的多分辨率光譜儀100。該多分辨率光譜儀100可以包括入射狹縫10、準(zhǔn)直裝置20、色散裝置30、成像裝置40和陣列式光子探測器50。入射狹縫10布置用于接收入射光束。準(zhǔn)直裝置20布置用于對來自入射狹縫10的光束60進(jìn)行準(zhǔn)直。色散裝置30布置用于對經(jīng)過準(zhǔn)直裝置20準(zhǔn)直的光束進(jìn)行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束61、62(例如波長分別為λ₁和λ₂)。成像裝置40布置用于將所述多個子光束61、62分別成像在所述陣列式光子探測器50上。所述陣列式光子探測器50用于將成像到其上的多個子光束61、62的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號用于形成光譜圖。如圖2a所示，入射狹縫10具有第一狹縫部分11和第二狹縫部分12，所述第二狹縫部分12具有比第一狹縫部分11更大的寬度。

在光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，入射狹縫的寬度直接影響了分辨率的高低——狹縫越窄，分辨率越高；狹縫越寬，分辨率越低。單一地減小狹縫寬度雖然可以提高分辨率，但是會導(dǎo)致光通量減小，即信號強(qiáng)度下降。如果整個狹縫寬度都一致，則只能實(shí)現(xiàn)一種分辨率。而本發(fā)明的實(shí)施例中的多分辨率光譜儀中的入射狹縫10至少具有兩種不同寬度的狹縫部分，這樣在陣列式光子探測器50上產(chǎn)生的子光束的圖案也可以實(shí)現(xiàn)不同的波長分辨率。于是，在對入射光束的一次采集中就可以產(chǎn)生具有多種波長分辨率的光譜圖。這可以為用戶提供多種選擇，從而更好地平衡分辨率和光通量的要求。

雖然在上述實(shí)施例中僅提到了第一狹縫部分11和第二狹縫部分12，但是在本發(fā)明的實(shí)施例中，并不限于包括兩個狹縫部分的入射狹縫，例如入射狹縫10還可以包括第三狹縫部分13(如圖2b所示)，所述第三狹縫部分13具有比第二狹縫部分12更大的寬度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，入射狹縫10也還可以包括四個、五個或更多的具有不同的寬度的狹縫部分。

在一示例中，色散裝置30(例如可以為分色光柵)可以布置成將所述多個子光束61、62在第一方向(如圖3中所示的x方向)上分離開，所述陣列式光子探測器50具有多列探測單元51、52，其中每列探測單元51、52沿著與第一方向垂直的第二方向(如圖3中所示的y方向)布置。這意味著具有不同的波長的子光束61、62在空間上被分列開，從而陣列式光子探測器50可以獨(dú)立地接收光束中的不同波長成分的光信號。

作為示例，所述多個子光束61、62中的每個子光束在所述陣列式光子探測器50上形成的圖案包括分別對應(yīng)于第一狹縫部分11和第二狹縫部分12的第一圖案部分81、81’和第二圖案部分82、82’，所述第二圖案部分82、82’具有比第一圖案部分81、81’更大的寬度。如圖3所示，波長為λ₁的第一子光束61在陣列式光子探測器50上形成第一子光束圖案91，波長為λ₂的第二子光束62在陣列式光子探測器50上形成第二子光束圖案92。第一子光束圖案91具有第一圖案部分81和第二圖案部分82，第二子光束圖案92也具有第一圖案部分81’和第二圖案部分82’。從圖3上可以看出，第一圖案部分81、81’的寬度比較小，而第二圖案部分82、82’的寬度比較大，但相鄰的第二圖案部分82、82’的中心之間的間距與相鄰的第一圖案部分81、81’的中心之間的間距是相同的。這樣，對于第一圖案部分81、81’而言，即使子光束的分布更密集一些，也仍然能夠?qū)⑾噜彽牡谝粓D案部分81、81’分辨出來，而在同等的情況下，相鄰的第二圖案部分82、82’可能就難以分辨。也就是說，第一圖案部分81、81’的分辨率比第二圖案部分82、82’的分辨率更高。

作為示例，圖3還示出了在入射狹縫10還包括第三狹縫部分13的情況下第一子光束圖案91和第二子光束圖案92中包含的第三圖案部分83、83’。如前所述，在本發(fā)明的實(shí)施例中還可能設(shè)置更多的狹縫部分，相應(yīng)地，在第一子光束圖案91和第二子光束圖案92中也可能包括第四、第五或更多的圖案部分。

在一示例中，光譜圖中的每條譜線101、102(如圖4所示)可以由一列探測單元51、52中的所有探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。在這種情況下，可以形成單一的光譜圖，而該光譜圖的分辨率是各個圖案部分(例如第一圖案部分81、81’和第二圖案部分82、82’或者第一圖案部分81、81’、第二圖案部分82、82’和第三圖案部分83、83’)的分辨率的折衷。

而在另一示例中，所述陣列式光子探測器50具有沿著第二方向(例如圖3中的y方向)依次布置的第一區(qū)域71和第二區(qū)域72，所述第一圖案部分81、81’形成于所述第一區(qū)域71中，所述第二圖案部分82、82’形成于所述第二區(qū)域72中。所述光譜圖包括第一子光譜圖和第二子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處于第一區(qū)域71中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處于第二區(qū)域72中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。以這種方式，在對入射光束進(jìn)行一次采集的情況下可以同時生成至少兩種具有不同的波長分辨率的光譜圖。如前所述，波長分辨率高可能會導(dǎo)致光信號變?nèi)?光通量變小)，而光譜儀的使用者在對于信號分析要求較高的應(yīng)用中尋求波長分辨率和光信號強(qiáng)度的最佳平衡是有益處的，甚至可能需要對于兩種以上的具有不同波長分辨率的光譜圖一起進(jìn)行分析來提高光譜儀的檢測精度。因此，利用入射狹縫的一次采集(或一次成像)來同時提供具有不同波長分辨率的光譜圖，對于光譜儀檢測信號的優(yōu)化是有幫助的。

作為示例，如圖3所示，所述多個子光束61、62中的每個子光束在所述陣列式光子探測器50上形成的圖案可以包括分別對應(yīng)于第一狹縫部分11、第二狹縫部分12和第三狹縫部分13的第一圖案部分81、81’、第二圖案部分82、82’和第三圖案部分83、83’，所述第二圖案部分82、82’具有比第一圖案部分81、81’更大但比第三圖案部分83、83’更小的寬度。這為基于同一入射狹縫同時提供三種波長分辨率的光譜圖提供可能。在一示例中，所述陣列式光子探測器50具有沿著第二方向(如圖3中的y方向)依次布置的第一區(qū)域71、第二區(qū)域72和第三區(qū)域73。所述第一圖案部分81、81’、第二圖案部分82、82’和第三圖案部分83、83’分別形成于所述第一區(qū)域71、第二區(qū)域72和第三區(qū)域73中，所述光譜圖包括第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處于第一區(qū)域71中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處于第二區(qū)域72中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第三子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處于第三區(qū)域73中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。在上述示例中，第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖具有不同的波長分辨率。第一圖案部分81、81’、第二圖案部分82、82’和第三圖案部分83、83’分別代表三種波長。該圖案部分的寬度越小，占據(jù)的探測器上的像素也越少，對應(yīng)的波長分辨率也就越高。因此，在圖3的示例中，第一子光譜圖的波長分辨率高于第二子光譜圖的波長分辨率，第二子光譜圖的波長分辨率高于第三子光譜圖的波長分辨率。同時提供三種具有不同波長分辨率的子光譜圖，可以進(jìn)一步提高光譜儀對于檢測應(yīng)用的適應(yīng)性。

在一示例中，入射狹縫10可以具有寬度漸變的形狀，如圖2c所示。這種形狀的入射狹縫10也可以被劃分成多個具有不同寬度的狹縫部分。在圖2a和2b所示的示例中，每一段狹縫部分都具有固定的寬度。而對于圖2c所示的示例，由于是寬度漸變的，因此劃分之后的狹縫部分的寬度也不是完全一致的。與包含各個具有固定寬度的狹縫部分的入射狹縫(如分階形狀)相比，圖2c所示的示例的優(yōu)勢在于可以根據(jù)需要來劃分各個狹縫部分以及陣列式光子探測器50上的各個區(qū)域(例如第一區(qū)域71、第二區(qū)域72和第三區(qū)域73等)以更靈活地獲取各個光譜子圖，但缺點(diǎn)是更容易引入相鄰波長之間的串?dāng)_。

雖然圖2a至圖2c給出了一些入射狹縫的示例，但是在本發(fā)明的實(shí)施例中，入射狹縫的形狀不限于此，例如，在同一入射狹縫中的各個狹縫部分的中心可以位于同一條中心線上(如圖2a至圖2c所示)，但也可以不位于同一條中心線上(即各個狹縫部分可以彼此之間具有橫向偏移)。再例如，在同一入射狹縫中的各個狹縫部分的寬度可以依次變大(如圖2a至圖2c所示)，但也可以任意排列，如對于圖2b的示例，寬度最大的狹縫部分可以位于其它兩個狹縫部分之間，而不是位于最下方。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，每個子光束71、72具有第一子光束部分(對應(yīng)于第一圖案部分81、81’)和第二子光束部分(對應(yīng)于第二圖案部分82、82’)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，色散裝置可以將入射光束60在第一方向(例如圖3中示出的x方向)上分解成多個子光束，每個子光束具有各自的波長，而入射狹縫的寬度不同的各個狹縫部分可以將每個子光束在第二方向(例如圖3中示出的y方向)上分成寬窄不同的各個子光束部分，以獲得不同的波長分辨率。作為示例，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多分辨率光譜儀中，入射狹縫10中的各個狹縫部分可以沿著第二方向排布，但這不是必須的，例如，入射狹縫10中的各個狹縫部分也可以沿著除第二方向之外的其它方向排布，為了使子光束在陣列式光子探測器50上形成的例如第一圖案部分81、81’、第二圖案部分82、82’和第三圖案部分83、83’等圖案部分可以沿著第二方向排布，可以在多分辨率光譜儀的光路中將成像方向(必要時可以設(shè)置光束折疊或旋轉(zhuǎn)部件)調(diào)節(jié)成期望的方向。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多分辨率光譜儀中，準(zhǔn)直裝置20例如可以包括準(zhǔn)直透鏡或凹面反射鏡，色散裝置30例如可以包括分色光柵，成像裝置40例如可以包括會聚透鏡或凹面反射鏡。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于此，準(zhǔn)直裝置20、色散裝置30和成像裝置40也可以采用本領(lǐng)域已知的任何其它形式的準(zhǔn)直裝置、色散裝置和成像裝置。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多分辨率光譜儀可以用于各種光譜(例如拉曼光譜、紅外光譜、熒光光譜等)的檢測和物質(zhì)鑒定等應(yīng)用。

雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是附圖中公開的實(shí)施例旨在對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行示例性說明，而不能理解為對本發(fā)明的一種限制。附圖中的尺寸比例僅僅是示意性的，并不能理解為對本發(fā)明的限制。

雖然本發(fā)明總體構(gòu)思的一些實(shí)施例已被顯示和說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不背離本總體發(fā)明構(gòu)思的原則和精神的情況下，可對這些實(shí)施例做出改變，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求和它們的等同物限定。