本發(fā)明屬于光譜測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，涉及機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)元件、光電測(cè)量系統(tǒng)，具體涉及一種高分辨率的雙光柵單色儀光路裝置。
背景技術(shù)：
：光譜測(cè)量?jī)x器被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如顏色測(cè)量、化學(xué)成份的濃度檢測(cè)或電磁輻射分析等。光譜儀器一般都包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件(光柵或棱鏡)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個(gè)光譜中一個(gè)很窄的部分照射到單象元探測(cè)器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定，通過旋轉(zhuǎn)光柵來對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描。它是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)及光譜檢測(cè)技術(shù)原理,對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行觀測(cè)、分析和處理的基本設(shè)備,具有分析精度高、測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快和樣品用量少等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于冶金、地質(zhì)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等部門,也是航空航天、宇宙探索、資源和水文勘測(cè)所必不可少的儀器,具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值與廣闊的市場(chǎng)前景。不同領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)光譜儀器的分辨率有特定的要求，在某些要求比較高的領(lǐng)域?yàn)榱烁叩姆直媛什坏貌徊捎迷龃笸哥R和光柵尺寸或者級(jí)聯(lián)單色器的方法，這增加了儀器的體積和重量，又不利于特殊環(huán)境下的便攜要求。本發(fā)明主要光路只采用兩塊衍射光柵和一個(gè)透鏡，具有機(jī)構(gòu)緊湊體積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兩塊光柵形成3次衍射，提高了儀器的分辨率。隨著制造工藝水平的進(jìn)步,光柵制造技術(shù)得到了快速的發(fā)展，近年來由于成功的應(yīng)用干涉計(jì)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光柵刻劃?rùn)C(jī)的精密控制，使得高質(zhì)量光柵的復(fù)制成為可能，光柵在各種光電測(cè)量?jī)x器中得到了廣泛的應(yīng)用。采用光柵衍射色散技術(shù)的光譜儀器已成為當(dāng)今光譜儀的主要發(fā)展趨勢(shì)。一般光柵單色儀或光譜儀光路結(jié)構(gòu)由入射狹縫，準(zhǔn)直鏡，衍射光柵，聚焦鏡和出射狹縫或ccd探測(cè)器構(gòu)成，傳統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)中入射光只發(fā)生一次衍射，分辨率受光柵線密度的限制，難以做到很高。為了達(dá)到更高的分辨率，當(dāng)今的主流做法是將兩個(gè)單色儀光路級(jí)聯(lián)，即在一塊光柵衍射分光以后再串入第二塊光柵進(jìn)行第二次衍射，例如中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理所發(fā)明的高分辨率高純度光柵單色儀分光結(jié)構(gòu)(中國專利：cn103226244a)。該結(jié)構(gòu)的光譜儀中需要多個(gè)準(zhǔn)直和聚焦鏡，同時(shí)為了達(dá)到篩選波長(zhǎng)的目的，必須對(duì)兩塊光柵同時(shí)進(jìn)行精密的轉(zhuǎn)動(dòng)，儀器體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)電控制難度高。如果要實(shí)現(xiàn)更加高的分辨率，就必須再級(jí)聯(lián)第三個(gè)單色儀光路，整個(gè)儀器的體積和復(fù)雜度將會(huì)變得難以接受。exfo公司的光通信信道檢測(cè)光譜儀的光路(美國專利：us6636306b2)，主要包括：入射狹縫，準(zhǔn)直元件，光柵，直角棱鏡，聚焦元件，出射狹縫和機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這種光路結(jié)構(gòu)的功能實(shí)際上是可選波長(zhǎng)的單色器，即將待測(cè)的復(fù)色光信號(hào)分解為各單色光信號(hào)。工作過程是：準(zhǔn)直元件將從入射狹縫出射的發(fā)散復(fù)色光準(zhǔn)直為平行光照射到光柵上半部分上，光柵將復(fù)色光分解為單色光，各單色光被直角棱鏡再次反射到光柵下半部分，形成第二次分光后，只有一路單色光被聚焦元件聚焦于出射狹縫上輸出至探測(cè)電路，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)直角棱鏡旋轉(zhuǎn)完成選光功能。由于該光路結(jié)構(gòu)仍是發(fā)生了兩次衍射，其分辨率與雙級(jí)聯(lián)光譜儀相當(dāng)。同時(shí)，兩次衍射需要照射到光柵上下兩部分，因此需要光柵的面積很大。針對(duì)上述缺陷，研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，又滿足高分辨率要求的單色儀或光譜儀器是十分必要的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，又滿足高分辨率要求的單色儀或光譜儀器。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是高分辨率的雙光柵單色儀光路裝置，結(jié)構(gòu)是由光環(huán)形器，光纖信號(hào)輸入端口，入射光纖端口，準(zhǔn)直與聚焦鏡，光柵1，光柵2，光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和出射光纖端口組成；光纖信號(hào)輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口,光信號(hào)經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口從入射光纖端口進(jìn)入自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡準(zhǔn)直以后照射到光柵1上發(fā)生第一次衍射，光柵1將光信號(hào)衍射到光柵2上進(jìn)行第二次衍射，緊接著光柵2又將光信號(hào)按原路衍射回光柵1進(jìn)行第三次衍射，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回雙膠合透鏡，然后被雙膠合透鏡聚焦后進(jìn)入入射光纖端口，從光環(huán)行器的第二端口進(jìn)入后，從第三端口即光纖出射端口出射；光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是具有可繞固定中心軸周期性擺動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)；光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)固定在其上面的光柵2轉(zhuǎn)動(dòng)形成角度掃描，通過光柵2的角度掃描，不同波長(zhǎng)的單色光分別從光纖出射端口出射。光纖出射端口后面放置單元探測(cè)器,在光柵旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)掃描過程中,不同波長(zhǎng)的單色光依次以特定衍射角經(jīng)光柵三次衍射分光，從而實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的單色光在探測(cè)器上的連續(xù)掃描探測(cè)。準(zhǔn)直和聚焦鏡為同一消色差雙膠合透鏡。外部待測(cè)光信號(hào),可以為自由空間光信號(hào)，自由空間光信號(hào)需先耦合進(jìn)光纖,然后經(jīng)光纖引入信號(hào)輸入端口。光纖連接裝置既可是標(biāo)準(zhǔn)的fc端口光纖連接器,又可是標(biāo)準(zhǔn)的sma端口光纖連接器。雙膠合準(zhǔn)直和聚焦透鏡也可以是離軸拋物面反射鏡。光柵1也可以是平面透射式衍射光柵。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：本發(fā)明采用兩塊平面反射式衍射光柵對(duì)待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行衍射，經(jīng)光柵三次分光,提高了此類光譜儀器的光學(xué)分辨率,使其在較寬的光譜范圍內(nèi)具有較高的光譜分辨率,能夠被廣泛應(yīng)用于各個(gè)光譜波段,根據(jù)具體需要可以采用靈活的參數(shù)設(shè)計(jì)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，體積小的特點(diǎn)。附圖說明：圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖:圖中1為光纖信號(hào)輸入端口、2為入射光纖端口、3為準(zhǔn)直與聚焦鏡、4為平面衍射光柵1、5為平面衍射光柵2、6為光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、7為出射光纖端口、8為光環(huán)形器；圖2為本發(fā)明的具體實(shí)施例的仿真結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施例的1335nm、1336nm、1337nm多波長(zhǎng)仿真光斑點(diǎn)列圖；圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施例的接收光纖面內(nèi)仿真光斑點(diǎn)列圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供的高分辨率雙光柵單色儀光路結(jié)構(gòu)是由光環(huán)形器，光纖信號(hào)輸入端口，入射光纖端口，準(zhǔn)直與聚焦鏡，光柵1，光柵2，光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和出射光纖端口組成。光纖信號(hào)輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口,光信號(hào)經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口從入射光纖端口進(jìn)入自由空間，自由空間是相對(duì)于光纖等器件而言的，是指在空氣或者真空等不存在實(shí)質(zhì)傳輸介質(zhì)的路徑中傳播。經(jīng)過雙膠合透鏡準(zhǔn)直以后照射到光柵1上發(fā)生第一次衍射，光柵1將光信號(hào)衍射到光柵2上進(jìn)行第二次衍射，緊接著光柵2又將光信號(hào)按原路衍射回光柵1進(jìn)行第三次衍射，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回雙膠合透鏡，然后被雙膠合透鏡聚焦后進(jìn)入入射光纖端口，從光環(huán)行器的第二端口進(jìn)入后，從第三端口即光纖出射端口出射。光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)固定在其上面的光柵2轉(zhuǎn)動(dòng)形成角度掃描，通過光柵2的角度掃描，不同波長(zhǎng)的單色光分別從光纖出射端口出射。光纖出射端口后面放置高靈敏度單元探測(cè)器,在光柵旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)掃描過程中,不同波長(zhǎng)的單色光依次以特定衍射角經(jīng)光柵三次衍射分光，從而實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的單色光在探測(cè)器上的連續(xù)掃描探測(cè)。準(zhǔn)直和聚焦鏡為同一消色差雙膠合透鏡。本發(fā)明采用了新結(jié)構(gòu)的光學(xué)分光系統(tǒng),利用兩塊平面衍射光柵對(duì)入射光進(jìn)行三次衍射，具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明中,外部待測(cè)光信號(hào),可以為自由空間光信號(hào)，自由空間光信號(hào)需先耦合進(jìn)光纖,然后經(jīng)光纖引入信號(hào)輸入端口。本發(fā)明中,光纖連接裝置既可是標(biāo)準(zhǔn)的fc端口光纖連接器,又可是標(biāo)準(zhǔn)的sma端口光纖連接器。本發(fā)明中，雙膠合準(zhǔn)直和聚焦透鏡也可以是離軸拋物面反射鏡。本發(fā)明中，光柵1也可以是平面透射式衍射光柵。本發(fā)明中，在光纖芯徑較大的情況下，可在入射光纖端口后附加狹縫對(duì)入射光束進(jìn)行調(diào)整,以提高儀器的光譜分辨率。本發(fā)明中，光環(huán)形器可也可以是雙端口光纖陣列，光纖陣列的兩個(gè)光纖端口都位于準(zhǔn)直與聚焦鏡的焦平面內(nèi)，并關(guān)于焦點(diǎn)上下對(duì)稱分布，分別作為入射和出射狹縫。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖1所示,本裝置由光環(huán)形器(8)，光纖信號(hào)輸入端口(1)，入射光纖端口(2)，準(zhǔn)直與聚焦鏡(3)，光柵1(4)，光柵2(5)，光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(6)和出射光纖端口(7)組成。光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(6)是具有可繞固定中心軸周期性擺動(dòng)的機(jī)電系統(tǒng)。待測(cè)光信號(hào)光纖信號(hào)輸入端口連接光環(huán)行器的第一端口1,光信號(hào)經(jīng)過光環(huán)行器的第二端口2從入射光纖端口進(jìn)入自由空間，經(jīng)過雙膠合透鏡3準(zhǔn)直以后照射到光柵1上進(jìn)行第一次衍射分光，然后光柵1將光信號(hào)衍射射到光柵2上進(jìn)行第二次衍射分光，緊接著光柵2又將光信號(hào)按原路衍射回光柵1進(jìn)行第三次衍射分光，第三次衍射光按第一次衍射的入射角返回雙膠合透鏡，然后經(jīng)過雙膠合透鏡聚焦后進(jìn)入入射光纖端口2，從光環(huán)行器的第二端口2進(jìn)入后，從第三端口7即光纖出射端口出射。通過光柵旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度掃描，不同波長(zhǎng)的單色光分別從光纖出射端口7出射。光環(huán)行器的端口芯徑為10μ射，實(shí)施例一的系統(tǒng)參數(shù)如下：表面編號(hào)名稱曲率半徑/mm厚度/mm玻璃口徑/mm1雙膠合透鏡面1-31.9201.3n-sf6ht42雙膠合透鏡面28.6003.3n-lak2243雙膠合透鏡面3-7.75030-44光柵1infinity-30-205光柵2infinity30-20光柵刻線密度為1050lp/mm。選取波長(zhǎng)為1335nm、1336nm、1337nm的復(fù)色光輸入單色儀中，設(shè)定1336nm為所需單色光。以上三個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)色光經(jīng)過單色儀分光以后，由圖3可知，在接收面其線色散率達(dá)到了280μm/nm，接收光纖口徑為10μm，因此該單色儀的分辨率可達(dá)35pm。從圖4可以看出，接收光纖面內(nèi)只有1336nm的光，光斑rms半徑3.347μm，小于光纖半徑，容易實(shí)現(xiàn)高效率耦合。當(dāng)前第1頁12