專利名稱：一種采用面陣式ccd探測器的多光柵單色儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)電子器件領(lǐng)域，是一種采用面陣式CCD探測器的多光柵單色儀。
單色儀是一種光子能量和波長選擇器，是一種基本的光譜分析和測量儀器，在光學(xué)和光電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代喇曼和熒光光譜、光吸收和光反射光譜，以及調(diào)制光譜等眾多光譜分析儀器的核心光學(xué)器件。其中，在近紫外至近紅外區(qū)，應(yīng)用最廣泛的是光柵型單色儀，這是利用了波動性的光子在光柵上產(chǎn)生衍射的原理。光柵結(jié)構(gòu)通常為在具有一定尺寸的光學(xué)基板上刻有許多等間距的凹槽，如每毫米1200條或每毫米1800條等，實(shí)際條紋數(shù)目取決于具體的工作波長區(qū)和設(shè)計(jì)要求。光子落在這些細(xì)槽上，由于衍射的作用，將引起各光波的振幅和相位發(fā)生疊加，反射后的光子便會按能量或波長在空間有規(guī)則地排列起來，其關(guān)系式為dsinθm=mλ (1)式中d和θm分別是光柵的槽間距和第m級的波長為λ的光子在空間的分布角(θm被定義為反射光子方向與光柵法線之間的夾角)。因此，如取m=1，就可在不同θ角位置上獲得相應(yīng)波長的第一級衍射光子。在傳統(tǒng)光柵單色儀的設(shè)計(jì)中，均固定光子的入射和出射狹縫位置不變，而采用一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)體控制光柵的θ角轉(zhuǎn)動，對波長進(jìn)行掃描，就能從出射狹縫中獲得所需要的單色性光子。
采用上述結(jié)構(gòu)的光柵單色儀，在實(shí)際使用中需要解決下述兩個(gè)問題1．當(dāng)單色儀在較寬的波長區(qū)工作時(shí)，為提高儀器的波長分辨率和獲得最佳的信噪比質(zhì)量，需要根據(jù)所工作的光譜波長區(qū)不斷更換光柵。例如，在目前使用最多的200-1100nm波長范圍，至少需要2塊光柵，甚至三塊光柵，方能較好地滿足光譜線精確測量的要求。
2．由公式(1)可知，在某θ角位置，m=1的較長波長和m=2(或更高次)較短波長的衍射光會同時(shí)出現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)際的波長應(yīng)用范圍，至少需要使用一塊甚至數(shù)塊濾光片，將m=2(或更高次)的高次衍射光濾去，方能滿足被檢測光子單色性的要求。
在目前大多數(shù)商品單色儀結(jié)構(gòu)中，上述兩個(gè)控制功能(置換光柵和濾色片)均通過獨(dú)立的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行，(參考文獻(xiàn)1．光柵單色儀產(chǎn)品說明書，Oriel Corporation,250 Long Beach Blvd.Stratford,CT,06497-0872,USA。參考文獻(xiàn)2．光柵單色儀產(chǎn)品說明書，ScientificMeasurement Systems,Inc.2527 Foresight Circle Junction,CO81505-1007,USA)。這一方面增加了儀器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，降低了可靠性，另一方面給使用帶來許多不方便，尤其是置換光柵時(shí)，需對系統(tǒng)的波長位置進(jìn)行重新精確定標(biāo)和調(diào)整，十分費(fèi)時(shí)和麻煩。
為了提高波長掃描的效率和精度，面陣式CCD探測器已被廣泛應(yīng)用于光柵型單色儀中，可取代單一光子探測器，在較寬的光譜范圍對波長進(jìn)行快速掃描。由于受到由公式(1)所決定的光柵結(jié)構(gòu)的限制，即使采用面陣式CCD探測器，仍難用一塊光柵實(shí)現(xiàn)在較寬的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行高精度的全波長覆蓋掃描。因此，在目前大多數(shù)商品CCD光柵單色儀中，仍需要采用多塊光柵和濾光片，方能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的波長掃描。在上述商品CCD光柵單色儀設(shè)計(jì)中，即光柵Gx→CCD光柵Gx為一塊或多塊光柵組成，并由步進(jìn)馬達(dá)等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)控制，通過面陣式CCD探測器，實(shí)現(xiàn)對波長的掃描和測量。由于仍需要用到機(jī)械傳動裝置，在某種程度上削弱了采用面陣式CCD探測器的優(yōu)點(diǎn)。另外，當(dāng)控制光柵轉(zhuǎn)動時(shí)，在機(jī)械位移極限位置長短波長的兩端，需采用專門的限位開關(guān)，以防止機(jī)械位移過頭而對單色儀造成損壞。這也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
本實(shí)用新型的目的在于提出一種通過面陣式CCD探測器，可在全光譜區(qū)實(shí)現(xiàn)快速掃描、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠的多光柵單色儀。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的多光柵單色儀由多塊子光柵和面陣式CCD探測器、控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其中多塊子光柵以等份形式平行組合成一個(gè)新的光柵平面，并覆蓋對應(yīng)于CCD探測器的200～1100nm波長范圍的整個(gè)光譜區(qū)，光柵平面垂直于光子入射方向，第一塊光柵開始的各光柵前端分別放置一片高通濾光片，各濾光片的截止波長與對應(yīng)光柵的前緣波長一致，以便濾去光柵光譜區(qū)對應(yīng)的2次以上的高次衍射光；與光柵結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，CCD探測器的焦平面也等分成對應(yīng)的多個(gè)光譜區(qū)，每個(gè)等分部分的探測元數(shù)目按波長掃描方向再均勻分為若干個(gè)小區(qū)，使每個(gè)小區(qū)的探測元與各被檢測波長位置相對應(yīng)，每一個(gè)探測小區(qū)在測量中互不干擾。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。本多光柵單色儀的結(jié)構(gòu)如

圖1所示。
本實(shí)用新型中平行組合成的子光柵的塊數(shù)可根據(jù)不同用戶對光譜范圍和波長掃描精度需要而確定，塊數(shù)越多，其精度越高；一般可用3-6塊子光柵。而且，平行子光柵的位置可以互換。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的面陣式CCD探測器的無機(jī)械位移多光柵單色儀具有以下特點(diǎn)無需任何機(jī)械傳動裝置，就可在200-1100nm波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全波長的高精度和快速掃描，從而充分發(fā)揮了CCD探測器的作用和優(yōu)點(diǎn)，使得CCD光柵單色儀的結(jié)構(gòu)十分簡單和可靠，波長掃描精度高，光譜范圍寬，性能穩(wěn)定，易于調(diào)試和壽命長，便于用戶使用。
隨著紅外面陣式探測器的出現(xiàn)和應(yīng)用，本方法也能很容易地被應(yīng)用于紅外光譜區(qū)，只要將多塊紅外光柵按本實(shí)用新型的原理組合在一起，實(shí)現(xiàn)無機(jī)械傳動和位移的全紅外光譜區(qū)快速波長掃描。各塊光柵覆蓋相對應(yīng)的光譜區(qū)。在每塊光柵前設(shè)置相應(yīng)的濾光片，濾去與光柵光譜區(qū)對應(yīng)的m≥2的高次衍射光。
在本實(shí)用新型中，需在整個(gè)波長掃描范圍完成CCD探測元與波長之間的精確定位，這可以通過對高分辨率的標(biāo)準(zhǔn)線狀光譜進(jìn)行測量，然后由計(jì)算機(jī)擬合，獲得各CCD探測元與掃描波長之間的對應(yīng)關(guān)系，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定標(biāo)，使得在全光譜工作范圍內(nèi)波長的掃描和控制精度可優(yōu)于0.5nm。(如采用2000×2000探測元CCD探測器，并用5塊子光柵按不同的θ角組成復(fù)合型光柵，在200-1100nm光譜區(qū)范圍，波長掃描精度可優(yōu)于0.1nm)。在以后的長期使用中，單色儀都可處于可靠的工作狀態(tài)中，而能將日常維護(hù)的工作減至最少，從而顯著地提高了工作和科研效率。
下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步描述本實(shí)用新型。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為三塊光柵平行組合成的新的光柵；其中，光柵1為1800線/mm，光柵2為1200線/mm，光柵3為600線/mm；G為三塊光柵平行組成的光柵，M1、M2為球面反射鏡；S1、S2為分別入射和出射狹縫。Light光源，CCD面陣式CCD探測器，A/D:A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，Computer計(jì)算機(jī)。
實(shí)施例，如附圖所示，在傳統(tǒng)面陣式CCD光柵單色儀中光柵位置，取消原有的光柵機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。在與面陣式CCD探測器相對應(yīng)的200-1100nm波長范圍內(nèi)，采用三塊子光柵覆蓋整個(gè)光譜區(qū)，分別為(1)．200-400nm,1800線/mm光柵，閃耀波長為250nm。
(2)．300-600nm,1200線/mm光柵，閃耀波長為450nm。
(3)．600-1200nm,600線/mm光柵，閃耀波長為750nm。在與光子入射面垂直方向，將這三塊光柵以三等分平行組合在一起，組成一個(gè)新的光柵平面，即最后組合成的光柵尺寸為L×L，每塊光柵的尺寸為(L/3)×L。在光柵(2)和(3)的前端各分別放置一片高通濾光片，與光柵相對應(yīng)的濾光片的截止波長分別為300nm和600nm，可將m=2或更高次衍射光濾去。按照公式(1)，上述三塊光柵的線間距d為1∶1.5∶3，在上述光譜范圍內(nèi)，三塊光柵的工作波長區(qū)都對應(yīng)于相同的θ張角，即都在約21-46度范圍內(nèi)。因此，當(dāng)光子入射到光柵上時(shí)，其上、中、下三等分的衍射光將同時(shí)覆蓋不同的光譜區(qū)。然后通過一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，將具有相同θ張角的全部衍射光聚焦在面陣式CCD探測器的焦平面上。與光柵結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，CCD探測器的焦平面也三等分被分成上、中、下三個(gè)光譜區(qū)，分別覆蓋200-400nm、300-600nm、600-1200nm波長區(qū)。例如，采用1000×1000探測元的背照射Si基CCD面陣式探測器，光譜區(qū)范圍為200-1100nm，每個(gè)探測元的尺寸為24×24μm。在與光子入射面垂直方向，CCD探測器被分成三等分，即每一等分部分的探測元數(shù)目為333×1000，并按波長掃描方向再均分成1000個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)為333個(gè)探測元，與各被檢測波長的位置相對應(yīng)。每一探測小區(qū)的面積為24μm×0.8cm，在測量中互不干擾。這樣，便可在無任何機(jī)械傳動裝置和限位開關(guān)的條件下，本儀器可實(shí)現(xiàn)在200-1100nm光譜范圍內(nèi)的高精度和高速波長掃描測量。
權(quán)利要求1.一種多光柵單色儀，由多塊光柵和面陣式CCD探測器、控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，其特征在于多塊光柵以等分形式平行組合成一個(gè)新光柵平面，并覆蓋對應(yīng)于CCD探測器的波長范圍的整個(gè)光譜區(qū)，光柵平面垂直于入射方向；第一塊光柵以后各塊光柵前端分別放置一片高通濾光片，各濾光片的截止波長與對應(yīng)的光柵的前緣波長一致，以便濾去光柵光譜區(qū)對應(yīng)的2次以上的高次衍射光；與光柵結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，CCD探測器的焦平面也等分成多個(gè)光譜區(qū)，每個(gè)等分部分的探測元數(shù)目按波長掃描方向再均勻等分為若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)探測小區(qū)探測元與各被檢測波長位置相對應(yīng)，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光柵單色儀，其特征在于組成新光柵平面的光柵塊數(shù)為3～6塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多光柵單色儀，其特征在于與面陣式CCD探測器相對應(yīng)的200～1100nm波長范圍內(nèi)，采用三塊光柵覆蓋整個(gè)光譜區(qū)，具體為光柵(1)．200-400nm,1800線/mm光柵，閃耀波長為250nm；光柵(2)．300-600nm,1200線/mm光柵，閃耀波長為450nm；光柵(3)．600-1200nm,600線/mm光柵，閃耀波長為750nm；在光柵(2)和(3)的前端各分別放置一片高通濾光片，其截止波長分別為300nm和600nm；與光柵結(jié)構(gòu)對應(yīng)，CCD探測器的焦平面也等分成上、中、下三個(gè)光譜區(qū)，分別覆蓋200-400nm、300-600nm、600-1200nm波長區(qū)。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光學(xué)電子器件領(lǐng)域,它將多塊光柵平行組合成新的光柵平面,覆蓋CCD探測器全波長范圍的整個(gè)光譜區(qū),無需任何機(jī)械傳動和位移裝置,便能在200—1100nm波長范圍,實(shí)現(xiàn)高精度和快速波長掃描。本儀器的原理還可被推廣應(yīng)用于紅外光譜區(qū)。本光柵單色儀,設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)簡單,波長掃描精度高,光譜范圍寬,性能穩(wěn)定,易于調(diào)試、使用壽命長,可廣泛應(yīng)用于各種光譜分析和測量。
文檔編號G01J3/18GK2347149SQ9822526
公開日1999年11月3日 申請日期1998年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月30日
發(fā)明者陳良堯, 鄭玉祥, 張榮君, 夏國強(qiáng), 陳岳立, 趙海斌, 楊月梅 申請人:復(fù)旦大學(xué)