本實用新型涉及光譜探測領域，尤其涉及一種光譜探測裝置。

背景技術：

光譜探測技術在物質(zhì)的鑒定和分析中應用十分廣泛。光譜探測裝置可以通過采集從待測樣品獲得的光信號來生成待測樣品的光譜圖，例如可以通過將實際探測到的光譜圖與已有的光譜庫中的已知物質(zhì)的光譜圖進行對比來確定待測樣品的成分。光譜儀是一種常用的光譜探測設備，其可以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)、確定其化學組成和相對含量有著重要的意義。為了獲得高的分辨率，往往希望采用比較狹窄的狹縫。而這又可能導致光的強度被狹縫顯著地削弱而影響光學效率。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種光譜探測裝置，其通過采用與狹縫匹配的照射光斑，能夠提高光學效率和光譜檢測的信噪比。

本實用新型的實施例提供了一種光譜探測裝置，包括：

激光源，布置用于發(fā)射光束；

聚焦透鏡，布置用于將所述光束會聚至待測樣品上；

光束收集裝置，布置用于收集待測樣品被所述光束激發(fā)的光束信號以形成收集光束并將該收集光束進行會聚以形成長條形光斑；

狹縫，布置用于接收經(jīng)過光束收集裝置會聚的收集光束并將所述收集光束向光路的下游耦合；

準直裝置，布置用于對來自狹縫的收集光束進行準直；

色散裝置，布置用于對經(jīng)過準直裝置準直的收集光束進行分色，以形成具有不同波長的多個子光束；

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，由激光源發(fā)出的光束具有矩形的橫截面，所述聚焦透鏡是柱面透鏡，所述長條形光斑照射到狹縫上，且所述長條形光斑的長度小于狹縫的長度以使長條形光斑在長度方向上能夠完全落入狹縫。

在一實施例中，所述長條形光斑在寬度方向上完全覆蓋所述狹縫。

在一實施例中，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。

在一實施例中，每列探測單元在第二方向上的長度大于或等于狹縫經(jīng)由成像裝置在所述陣列式光子探測器的表面上所成的像的沿著第二方向的高度。

在一實施例中，所述長條形光斑沿著第二方向的高度和狹縫沿著第二方向的高度與每列探測單元在第二方向上的長度一致。

在一實施例中，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。

在一實施例中，所述光束收集裝置包括：

第一透鏡，布置用于接收來自所述待測樣品的光束；

第二透鏡，布置用于將該收集光束會聚至所述狹縫上；以及

濾光片，位于所述第一透鏡和第二透鏡之間，布置用于使收集光束中選定波長范圍的光通過而濾除其它波長范圍的光。

在一實施例中，所述聚焦透鏡的焦點與所述第一透鏡的焦點重合。

在一實施例中，所述陣列式光子探測器由二維電荷耦合器件陣列形成。

在一實施例中，所述準直裝置包括準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。

如本實用新型的上述至少一個實施例中所述的光譜探測裝置，通過矩形截面的光束和柱面透鏡的組合來在待測樣品上形成狹長光斑。并通過會聚在待測樣品上的狹長光斑、位于狹縫處的長條形光斑、狹縫以及陣列式光子探測器的尺寸的匹配來提高光學信號的信噪比。

附圖說明

圖1示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置；

圖2示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置的狹縫與照射在其上的光斑；

圖3示意性地示出經(jīng)過狹縫的光束經(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；

圖5示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置的沿著y方向的局部視圖；以及

圖6示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置中的聚焦透鏡和光束收集裝置的示例性布置。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號表示相同或相似的部件。下述參照附圖對本實用新型實施方式的說明旨在對本實用新型的總體實用新型構(gòu)思進行解釋，而不應當理解為對本實用新型的一種限制。

根據(jù)本實用新型的總體構(gòu)思，提供一種光譜探測裝置，包括：激光源，布置用于發(fā)射光束；聚焦透鏡，布置用于將所述光束會聚至待測樣品上；光束收集裝置，布置用于收集待測樣品被所述光束激發(fā)的光束信號以形成收集光束并將該收集光束進行會聚以形成長條形光斑；狹縫，布置用于接收經(jīng)過光束收集裝置會聚的收集光束并將所述收集光束向光路的下游耦合；準直裝置，布置用于對來自狹縫的收集光束進行準直；色散裝置，布置用于對經(jīng)過準直裝置準直的收集光束進行分色，以形成具有不同波長的多個子光束；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，由激光源發(fā)出的光束具有矩形的橫截面，所述聚焦透鏡是柱面透鏡，所述長條形光斑照射到狹縫上，且所述長條形光斑的長度小于狹縫的長度以使長條形光斑在長度方向上能夠完全落入狹縫。

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

圖1示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置100。該光譜探測裝置100可以包括：激光源10，布置用于發(fā)射光束20，所述光束20具有矩形的橫截面；聚焦透鏡30，布置用于將所述光束20會聚至待測樣品40上；光束收集裝置50，布置用于收集待測樣品40被該光束20激發(fā)的光束信號以形成收集光束21并將該收集光束21進行會聚以形成長條形光斑25；狹縫60，布置用于接收經(jīng)過光束收集裝置50會聚的收集光束21并將所述收集光束21向光路的下游耦合(如將收集光束21傳導向位于光路下游的準直裝置70、色散裝置71等)；準直裝置70，布置用于對來自狹縫60的收集光束21進行準直；色散裝置71，布置用于對經(jīng)過準直裝置70準直的收集光束21進行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束81、82；成像裝置80和陣列式光子探測器90，所述成像裝置80布置用于將所述多個子光束81、82分別成像在所述陣列式光子探測器90上，所述陣列式光子探測器90用于將成像到其上的多個子光束81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，所述長條形光斑25照射到狹縫60上，且所述長條形光斑25的長度小于狹縫60的長度以使長條形光斑25在長度方向(圖2中示出的y方向)上能夠完全落入狹縫60。所述聚焦透鏡30是柱面透鏡。圖1中示出的xyz表示直角坐標系的各個軸線。

圖2中示出了長條形光斑25和狹縫60的示例。狹縫60是決定最終得到的光譜圖的分辨率的重要部件。狹縫60的寬度越小，所得到的光譜圖的分辨率就越高。因此，狹縫60通?？梢栽O置成狹長形狀以獲得比較小的寬度。狹縫60處的通光量也是重要的指標，如果狹縫60處的通光量低，則可能導致在陣列式光子探測器90上獲得的光學信號強度低，而導致信噪比較低，從而影響檢測精度。最常用的圓形光斑與狹縫60的形狀的匹配程度較低，往往會有絕大部分的光能被狹縫60遮擋而損失掉，而長條形光斑25可以與狹縫60的狹長形狀進行良好的匹配。長條形光斑25的長度方向可以設置成與狹縫60的長度方向一致(如圖2中示出的y方向)。長條形光斑25的長度小于狹縫60的長度，從而使得在長度方向上，狹縫60基本上不遮擋該長條形光斑25。這有助于提升狹縫60處的通光量，而使載有待測樣品的光譜信息的更多的光能夠穿過狹縫60到達陣列式光子探測器90，從而到達提高信噪比的目的。

為了獲得上述長條形光斑25，可以選用具有能夠發(fā)射具有矩形的橫截面的光束的激光源，例如，半導體激光二極管。半導體激光二極管發(fā)射的激光束由于快慢軸發(fā)散角不同，可以被整形成具有矩形的橫截面的平行光束。這種整形可以由本領域的已知的光束整形技術來實現(xiàn)。該具有矩形的橫截面的光束經(jīng)過聚焦透鏡30(柱面透鏡)會聚之后在待測樣品40上形成狹長光斑(或稱為線狀光斑)。在橫穿聚焦透鏡30的柱形表面的方向上(圖1中示出為x方向)，形成在待測樣品40上的光斑的尺度顯著變窄。相應地，該狹長光斑經(jīng)過光束收集裝置50在狹縫60所在的平面上形成了長條形光斑25。

作為示例，所述長條形光斑25的寬度小于所述狹縫60的寬度的5倍，例如小于所述狹縫60的寬度的3倍，小于所述狹縫60的寬度的2倍，甚至更小。所述長條形光斑25的寬度越接近狹縫60的寬度，其被狹縫60遮擋的光量也就越小，經(jīng)由狹縫60的通光比例也就越大。在一示例中，所述長條形光斑25在寬度方向上完全覆蓋所述狹縫60。也就是說，狹縫60的寬度小于所述長條形光斑25的寬度，如圖2所示。這可以盡可能地利用長條形光斑25的光能來獲取盡可能大的分辨率。

在一示例中，色散裝置71(例如可以為分色光柵)可以布置成將所述多個子光束81、82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90具有多列探測單元91、92，其中每列探測單元91、92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81、82在空間上被分列開，從而陣列式光子探測器90可以獨立地接收收集光束中的不同波長成分的光信號。

作為示例，每列探測單元91、92在第二方向上的長度L可以大于或等于狹縫60經(jīng)由成像裝置80在所述陣列式光子探測器90的表面上所成的像61、62的沿著第二方向(如圖3中所示的y方向)的高度H。在圖3中示出的狹縫60的像61、62分別對應于波長為λ₁和λ₂的子光束81、82。作為示例，可以采用探測單元的二維陣列(即每列探測單元中都包括多個探測單元)，而不是探測單元的一維陣列，可以顯著地提高陣列式光子探測器90在第二方向上的尺寸。對于普通的圓形光斑，由于其在狹縫60的長度方向上的尺寸通常較短(如果過長會導致光能損失過大的問題)，可以采用沿著第一方向(在圖3中示出的x方向)排列的探測單元的一維陣列。但對于根據(jù)本實用新型的實施例的長條形光斑，其可以在狹縫60的長度方向上獲得更大的長度以爭取更多的光量通過狹縫60，而如果采用探測單元的一維陣列，陣列式光子探測器90在第二方向上的尺寸可能會收到單個探測單元的尺寸的限制。采用探測單元的二維陣列，能夠提高與狹縫60和長條形光斑25的匹配程度，有助于更充分地利用長條形光斑所帶來的通光量的優(yōu)勢。作為示例，所述陣列式光子探測器90可以由二維電荷耦合器件(CCD)陣列形成。

在一示例中，所述長條形光斑25沿著第二方向的高度和狹縫60沿著第二方向的高度與每列探測單元91、92在第二方向上的長度一致。在這種示例中，可以在成像裝置80的放大率為1的情況下對長條形光斑25、狹縫60和陣列式光子探測器90的尺寸進行理想的匹配，以保證光信號完全被探測器捕捉。但是，本實用新型的實施例不限于此，其它的示例也是可以采用的，例如，長條形光斑25沿著第二方向的高度小于或等于狹縫60沿著第二方向的高度且小于或等于每列探測單元91、92在第二方向上的長度。也可以結(jié)合成像裝置80的放大率來設定長條形光斑25、狹縫60及每列探測單元91、92的上述尺寸以獲得期望的匹配。

在一示例中，尤其是在每列探測單元中包括多個探測單元的情況下，光譜圖中的每條譜線可以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。

在一示例中，所述光束收集裝置50可以包括第一透鏡51、第二透鏡52以及濾光片53。該第一透鏡51布置用于接收來自所述待測樣品的光束。該第二透鏡52布置用于將該收集光束會聚至所述狹縫60上。該濾光片53位于所述第一透鏡51和第二透鏡52之間，布置用于使收集光束中選定波長范圍的光通過而濾除其它波長范圍的光。作為示例，在對于拉曼光譜進行檢測時，濾光片53可以為長通濾光片，用于使波長較長的拉曼散射光通過，而濾除如瑞利散射光等其他干擾光。但是，濾光片53并不是必須的，在一些實施例中，可以不包含濾光片53，例如測量連續(xù)光譜(例如熒光光譜)時。

作為示例，聚焦透鏡30的焦點可以與第一透鏡51的焦點重合。在此情況下，收集光束21中的拉曼光的信號強度大，有利于提高檢測精度。

雖然在圖2示出的實施例中，狹縫60被示出為矩形狹縫形狀，但是這不是必須的，例如狹縫60也可以多個具有不同寬度的狹縫部分，成階梯狀或梯形等形狀，以實現(xiàn)多分辨率成像。

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91、92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。

在根據(jù)本實用新型的實施例的光譜探測裝置100中，準直裝置70例如可以包括準直透鏡或凹面反射鏡，色散裝置71例如可以包括分色光柵，成像裝置80例如可以包括會聚透鏡或凹面反射鏡。然而，本實用新型的實施例不限于此，準直裝置70、色散裝置71和成像裝置80也可以采用本領域已知的任何其它形式的準直裝置、色散裝置和成像裝置。

圖5示意性地示出根據(jù)本實用新型的一實施例的光譜探測裝置的沿著y方向的局部視圖。從圖5中可以清楚地看出色散裝置71將光束20分解成具有不同的波長的子光束，例如具有波長λ₁和λ₂的子光束81、82。

根據(jù)本實用新型的實施例的光譜探測裝置，采用了矩形截面的光束和柱面透鏡的組合來在待測樣品40上形成狹長光斑。該狹長光斑可以降低焦點處的功率密度而保護待測樣品40不被強激光損壞。在一示例中，會聚在待測樣品40上的狹長光斑、位于狹縫處的長條形光斑、狹縫以及陣列式光子探測器的尺寸設置成滿足對應的匹配關系，能夠保證待測樣品處的信號光能夠最大限度地被探測以提高光的利用率，從而提高光學信號的信噪比及系統(tǒng)的靈敏度。

作為示例，由激光源10發(fā)出的光束經(jīng)過聚焦透鏡30(柱透鏡)聚焦后形成長度和該光束的矩形截面等高的狹長光斑，陣列式光子探測器高度方向上的尺寸足以保證樣品被激發(fā)的信號被盡可能多地接收。

雖然圖1將激光器10、聚焦透鏡30、待測樣品40以及光束收集裝置50示出在一紙面中示出，但是本領域技術人員應當理解，這種圖示僅僅是為了更清楚地表示光路，而不是要將光譜探測裝置中的各個光學部件的空間位置限定成沿著一條直線。例如，由聚焦透鏡30聚焦的光束20和光束收集裝置50所收集的收集光束21之間可以成任意角度(由于待測樣品40受到光束20的激發(fā)之后散射出的拉曼光是可以向各個方向發(fā)射的，而不是普通的反射，因此，不受反射定律的限制)，如圖6所示。

在本申請所記載的上述實施例除非存在技術沖突或障礙，均可以相互組合而形成新的實施例。這些新的實施例也在本實用新型的保護范圍內(nèi)。

雖然結(jié)合附圖對本實用新型進行了說明，但是附圖中公開的實施例旨在對本實用新型優(yōu)選實施方式進行示例性說明，而不能理解為對本實用新型的一種限制。附圖中的尺寸比例僅僅是示意性的，并不能理解為對本實用新型的限制。

雖然本實用新型總體構(gòu)思的一些實施例已被顯示和說明，本領域普通技術人員將理解，在不背離本總體實用新型構(gòu)思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本實用新型的范圍以權利要求和它們的等同物限定。