一种衍射元件及高分辨率光谱仪制造技术

本实用新型专利技术涉及光谱检测设备领域，公开了一种衍射元件及高分辨率光谱仪。待测光源通过准直透镜平行入射到所述光谱仪的衍射元件上，所述衍射元件由多个衍射光栅单元构成，所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或刻痕倾斜方向不同，待测光经过所述衍射元件后发生无规则散射，通过图像传感器记录待测光在零级衍射处和一级衍射处的散斑图案，再由光谱分析系统将所述散斑图案与波长‑散斑图案标准库进行比对，反推出待测光的光谱数据。本实用新型专利技术的光谱仪结构简单、具有高分辨率，并且人为可控、可进行批量生产，同时使用该光谱仪进行光谱检测误差小、操作简单，具有广泛的应用价值。

A Diffraction Element and High Resolution Spectrometer

The utility model relates to the field of spectral detection equipment, and discloses a diffraction element and a high resolution spectrometer. The light source to be measured is incident parallel to the diffraction element of the spectrometer through a collimating lens. The diffraction element consists of a plurality of diffraction grating elements. The distribution of the notch density and/or the inclination direction of the notch of the diffraction grating element are different. The irregular scattering of the light to be measured occurs after passing through the diffraction element. The light to be measured is recorded at the zero-order diffraction and the first-order diffraction by an image sensor. The speckle pattern is then compared with the standard library of wavelength and speckle pattern by the spectral analysis system, and the spectral data to be measured are deduced. The spectrometer of the utility model has the advantages of simple structure, high resolution, human controllability and mass production. At the same time, the spectrometer has the advantages of small spectral detection error and simple operation, and has wide application value.

【技术实现步骤摘要】
一种衍射元件及高分辨率光谱仪
本技术涉及光谱检测设备领域，具体涉及一种衍射元件及高分辨率光谱仪。
技术介绍
光谱仪是一种用来解析光源中波长成份和相对强度关系的仪器，它已经有上百年的发展历史。传统的光谱仪是利用棱镜、光栅等色散元件把复合光源按照波长顺序分开，再利用波长扫描机构及探测器进行测量。目前最流行的光谱仪结构是采用Czerny-Turner型光路，它包含入口狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、出口狭缝以及探测器。这种光谱仪分辨率取决于光栅色散能力、聚焦镜的焦距、狭缝宽度以及光路的调节水平。通常而言，要获得较好的分辨率，往往需要尽量窄的狭缝，但这样会导致进入仪器的光能量大大降低，从而会影响仪器的测量效率和信噪比。在这类光谱仪中，色散元件(光栅、棱镜)会将某个波长映射到一个特定的成像点。以CCD等阵列传感器作为探测器的光谱仪为例，波长和CCD像素之间形成一种一一映射关系。因此，光谱仪的波长解析性能主要取决于硬件(光路、光栅、探测器等)的性能，换句话说，光谱仪对硬件要求很高。近年来，一种利用随机媒质的无规则散射现象构建的新型光谱检测方法得到迅速发展，被称为是计算光谱仪(computationalspectrometer)。例如，耶鲁大学CaoHui研究团队提出利用光在多模光纤内部多次反射的随机性来构成光谱测量装置，每一个单色波长的光从光纤出射后形成的散斑图案都不相同，而且即使波长间隔很小的两个单色光，它们散斑图案之间的相关性也很低，因而可以利用这种波长低相关散斑图案的特点来反推入射光的波长成份。再比如，美国犹他大学的MennonR提出利用相位随机光栅的无序散射来实现光谱检测。它也利用了随机介质散射图案的低波长相关性这一特点，从而实现对入射光源的光谱检测目的。由于此类光谱仪的分辨率不依赖于光学元件的色散本领和尺寸，而是依赖于介质的随机性和软件计算，因而这种光谱仪有望克服仪器尺寸与分辨率的矛盾，有望得到高分辨率的微型光谱仪。但是，上述技术依赖于介质的自然随机性，这种随机性是无法控制的，进而导致光谱检测无规则散射图案之间的相关性也不能控制，因此依据同样原理制造出来的两台光谱仪具有不同的参数，在性能上也可能会有差别，对每套系统都需要重新校准，重新建模，所以没有办法做到标准化生产。除此之外，美国犹他大学的MennonR教授虽然利用相位随机光栅中的刻痕深度不同来实现待测光的无序散射，但该方法在实际制备过程难度较高，刻痕深度复制精度难以保证，因此也不适合批量化生产。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术的目的是提供一种可形成不同散斑图案的衍射元件以及一种结构简单具有高分辨率且人为可控可进行批量生产的光谱仪。为达到上述目的，本技术提供了一种衍射元件，包括：基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，通过改变所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或所述刻痕的倾斜方向，使得不同波长的单色光从所述衍射元件出射后形成的散斑图案不同。本技术还提供了一种高分辨率光谱仪，包括如上所述的衍射元件，以及，入射单元，所述入射单元包括待测光源发出的待测光和准直透镜；以及，所述待测光在所述衍射元件中发生无规则散射，出射后在所述衍射元件一侧形成散斑图案；以及，用于记录所述散斑图案的图像传感器；以及，用于将得到的所述散斑图案与波长-散斑图案标准库比对的光谱分析系统，其中，所述波长-散斑图案标准库中存有不同波长的单色光与对应的衍射散斑图案的映射关系数据。进一步地，所述衍射元件包括衍射光栅阵列，其中，单块衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元的刻痕密度分布不同和刻痕倾斜方向不同。进一步地，所述图像传感器记录至少零级衍射处的散斑图案和一级衍射处的散斑图案。进一步地，所述光谱分析系统包括，信号采集单元，所述信号采集单元与所述图像传感器耦接，用于接收所述图像传感器输出的所述散斑图案数据；以及，与所述信号采集单元耦接的信号处理单元，所述信号处理单元用于从所述信号采集单元获取所述散斑图案数据并将所述散斑图案数据与所述波长-散斑图案标准库进行分析比对；以及，用于存储所述波长-散斑图案标准库的缓存单元，所述缓存单元具有等于或超过所述波长-散斑图案标准库大小的存储空间；以及，用于输出所述待测光光谱分析结果的输出单元。进一步地，所述衍射光栅单元通过激光干涉和点扫描方法获得，后续可通过模压复制的方法制备。进一步地，所述准直透镜的基材和所述衍射元件的基板为光学玻璃或光学有机玻璃。进一步地，所述待测光源位于所述准直透镜的焦点位置处。进一步地，所述图像传感器为CCD感光元件或CMOS感光元件。本技术还提供了一种光谱检测方法，使用如上所述的高分辨率光谱仪进行检测，包括以下步骤：S1、使用不同波长的单色光入射所述高分辨率光谱仪，构建波长-散斑图案标准库；S2、通过图像传感器记录待测光在衍射元件后的零级衍射处和一级衍射处的散斑图案；S3、光谱分析系统采集、分析所述散斑图案并输出所述待测光的光谱数据。进一步地，步骤S3中，分析所述散斑图案的具体方法为：Sa1、若待测光为单色光，则将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行比对，计算对应的相关系数；Sa2、若所述相关系数大于或等于筛选阈值，则所述待测光的波长等于所述相关系数对应的标准库中的已知波长，由输出模块输出结果；Sa3、若所述相关系数小于所述筛选阈值，则扩大波长标定范围，返回S1重新构建波长-散斑图案标准库；Sb1、若待测光为复色光，将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行线性组合近似，计算最佳线性组合；Sb2、所述待测光的光谱成分为所述最佳线性组合中对应的波长成分，并由输出模块输出结果。本技术中，待测光在衍射元件中发生无规则散射，记录下待测光的衍射散斑图案，与波长-散斑图案标准库比对即可快速准确地反推出待测光的光谱数据；并且构成衍射单元的衍射光栅容易复制制备，从而能更好地控制散斑图案之间的相关性；除此之外，该光谱仪结构简单、对硬件的依赖性小且制造成本低，因此具有广泛的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本技术优选实施例的结构示意图；图2是图1所述实施例的光谱分析系统结构示意图；图3是使用图1所述实施例的光谱检测方法的步骤流程图。图中各符号表示如下：1、待测光源，2、准直透镜，3、衍射元件，4、衍射光栅单元，5、第一CCD，6、第二CCD具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。实施例参见附图1～附图3，本技术的优选实施例光谱仪包括入射单元、衍射元件、图像传感器以及光谱分析系统四个部分。入射单元包括待测光源1入射的待测光以及准直透镜2，待测光经准直透镜2准直后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种衍射元件，包括基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，其特征在于：单块衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元的刻痕密度分布不同和/或刻痕倾斜方向不同。

【技术特征摘要】
1.一种衍射元件，包括基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，其特征在于：单块衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元的刻痕密度分布不同和/或刻痕倾斜方向不同。2.一种高分辨率光谱仪，包括如权利要求1所述的衍射元件，其特征在于，还包括：入射单元，所述入射单元包括待测光源发出的待测光和准直透镜；所述待测光在所述衍射元件中发生无规则散射，出射后在所述衍射元件一侧形成散斑图案；以及，用于记录所述散斑图案的图像传感器；以及，用于将得到的所述散斑图案与波长-散斑图案标准库比对的光谱分析系统，其中，所述波长-散斑图案标准库中存有不同波长的单色光与对应的衍射散斑图案的映射关系数据。3.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述图像传感器记录至少零级衍射处的散斑图案和一级衍...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志坚，吴利，苏衍峰，吴建宏，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32