一种宽光谱高分辨率的光谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种宽光谱高分辨率的光谱仪，包括步进电机、多孔圆屏、滤光片、狭缝、准直镜、平面反射镜、滤光片阵列、光栅、柱面反射镜、聚焦镜和线阵CCD芯片。本发明专利技术将光谱仪工作光谱范围划分为几个子波段，并利用光栅的空分复用技术，将各个子波段的光谱依次投射在线阵CCD芯片上，再根据所有子波段的光谱图拼接出整个工作光谱范围的光谱图，具有结构紧凑、体积较小、造价低等特点，可以有效的增大光谱仪的分辨率和灵敏度，实现宽光谱高分辨率的光谱测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谱测量和分析仪器，广泛应用于生物医学、食品安全、环境监测、天文观测、地矿勘探和石油化工等领域。
技术介绍
光谱测量和分析仪器，主流的技术方案有两类，第一类是以单色仪进行波长扫描，以单通道光探测器逐个波长接收，绘出光谱图；第二类是以光栅将所有波长同时色散展开，以一个线阵光探测器同时接收所有波长的光功率，绘出光谱图。第一类光谱仪采用串行信号处理方式，光谱分辨率较高，但绘制一张光谱图需要较长时间，不能满足实时快速处理的需求，并且为了实现宽光谱测量范围，往往需要采用多级波长扫描装置，结构复杂且可靠性差；第二类光谱仪采用并行信号处理方式，光谱分辨率较低，但光谱分析速度快，可以满足实时快速光谱分析的需求，并且具有结构简单和可靠性高的优势。基于光栅和线阵光探测器的第二类光谱仪，一般采用Czerny-Turner型光学系统，从狭缝入射的光信号，首先被一个准直镜准直为平行光，入射在一个反射式光栅上，不同波长的光信号被色散展开为不同衍射角，再由一个聚焦镜将不同波长的光信号聚焦到线阵光探测器上的不同位置，从而检测各个波长的光信号强度，绘出光谱图。为了矫正光学系统的像散(光学像差的一种)，往往在光路系统中加入一个凹形柱面反射镜。除光学系统的像差之外，从原理上影响第二类光谱仪分辨率的主要因素有两个。其一，为了保证一定的入射光通量，光谱仪的入射狭缝应有一定的进光宽度，因此经准直之后不能得到理想的平行光，导致同一个波长的光信号最终在线阵光探测器上不能聚焦为一个理想线谱，而是存在一定的谱线弥散效应。其二，线阵光探测器，通常采用CCD(电荷耦合元件，以下将第二类光谱仪称为线阵CCD型光谱仪)，都是由一个个像素构成，每个像素都有一定的尺寸，因此靠得很近的两条谱线，会聚焦在同一个像素上，不能完全分辨开。对于线阵CCD型光谱仪，在保证光谱测量范围的情况下，为了提高波长分辨率，在对光学系统的像差进行优化之外，从原理而言有两个技术途径：其一是采用尽可能窄的入射狭缝，但是会降低系统的光通量，影响光谱灵敏度；其二是采用像素数量尽可能多的线阵CCD芯片，但受限于制作工艺和成本，不能无限增加像素数量，尤其是近红外和红外线阵CCD芯片，目前常用的像素数量只有256和512。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种宽光谱高分辨率的光谱仪，用于解决现有的线阵CCD型光谱仪存在的波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题。为实现上述目的，本专利技术提出一种宽光谱高分辨率的光谱仪，包括步进电机(1)、多孔圆屏(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、准直镜(5)、平面反射镜(6)、滤光片阵列(7)、光栅(8)、柱面反射镜(9)、聚焦镜(10)和线阵CCD芯片(11)；所述步进电机(1)转轴与多孔圆屏(2)相连，用于驱动其同轴转动；所述多孔圆屏(2)为圆盘形，其表面等角度设有多个圆孔，圆孔上覆盖有一个滤光片(3)，各圆孔上滤光片工作波长范围递增或递减，用于选择性通过一个子波段的光；各子波段的波长范围可以部分交叠，但全部子波段应覆盖所测对象光谱范围；所述狭缝(4)设在入射光路上，用于挡住杂散光，其狭缝中心与准直镜中心重合；所述准直镜(5)的反射面正对狭缝(4)，用于将通过狭缝(4)的各子波段光准直后，反射到平面反射镜(6)；所述平面反射镜(6)与所述准直镜(5)错位相对设置，用于折叠光路，将准直镜(5)反射来的光，反射到滤光片阵列(7)；所述滤光片阵列(7)由多个不同波长的条形滤光片组成，其数量与多孔圆屏的开孔数量相同；各滤光片的一端互不相连，各滤光片角间距由子波段中心波长确定；各滤光片阵列的滤光片波长选择与多孔圆屏上各孔滤光片按顺序相对应，各滤光片的工作波长从光入射方向开始依次递增或递减；所述光栅(8)设在滤光片阵列(7)反射光路上，用于将滤光片阵列(7)反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的柱面反射镜(9)，在空间上将不同波长的入射光予以分离；所述柱面反射镜为凹柱面镜(9)，用于矫正光谱仪光学系统的像散，将光栅反射来的光投射到与其相对设置的聚焦镜(10)的反射面；所述聚焦镜(10)为一球面反射镜，用于将柱面反射镜反射来的光，反射聚焦于所述CCD芯片(11)；工作时，入射光经过步机电机(1)驱动的多孔圆屏(2)，由于各孔覆盖有不同波长的滤光片(3)，随着步进电机(1)转动，不同子波段的光束依次通过其上等角距排列的孔，经准直镜(5)准直后，反射在用于折叠光路的平面反射镜(6)上，由其反射到滤光片阵列(7)上；由于滤光片阵列(7)处的滤光片与多孔圆屏处的滤光片阵列相对应，因此不同子波段的光束将打在相对应的滤光片上；并以不同的角度被反射在光栅(8)的反射表面，由其反射并在空间上分离后，以相同的角度反射到柱面反射镜(9)，由柱面反射镜(9)反射并通过聚焦镜(10)聚焦，投射在线阵CCD芯片(11)上；随着多孔圆屏(2)转动，入射光谱的各子波段的光束逐一投射在线阵CCD芯片(11)上，从而实现了宽光谱高分辨率的光谱测量。进一步的，所述多孔圆屏(2)之前或之后，设有一个狭缝(4)，用于挡住杂散光。进一步的，所述光栅(8)是闪耀光栅。进一步的，所述滤光片阵列(7)中，各滤光片角间距按各滤光片中心波长衍射角相等的原则确定。本专利技术将光谱仪工作波段分割为数个子波段，然后让不同子波段的光束以不同的倾角入射在反射光栅上，根据光栅的衍射特性，通过适当的参数设计，可以让这些以不同倾角入射的不同子波段的光束，其中心波长具有相同的衍射角，因而每个子波段的衍射角范围相近，都能在聚焦之后，依次被线阵CCD芯片接收。因此在线阵CCD芯片的像素数量相同的情况下，为单位宽度的光谱分配的像素数量增加，光谱仪的分辨率得到大幅提升；同时，由于采用了波段分割技术，可以选用色散较大、线数较多的光栅，从而提高光谱仪的灵敏度。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用光谱的波段分割技术及光栅的空分复用技术，克服传统线阵CCD型光谱仪波长分辨率不高和光谱灵敏度低的问题，大幅提升了光谱仪的分辨率和灵敏度。附图说明图1是现有的线阵CCD型光谱仪结构；图2是本专利技术的线阵CCD型光谱仪结构；图3是光栅的空分复用原理；图4是光谱仪空分复用光路结构；图5是分割波段方法-总体结构图；图6是分割波段方法-五孔圆屏结构图；图7是入射模块处滤光片透射光谱—高、低通滤光片组合；图8是入射模块处滤光片透射光谱—带通滤光片；图9是滤光片阵列处透射光谱；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-步进电机、2-多孔圆屏、3-滤光片、4-狭缝、5-准直镜、6-平面反射镜、7-滤光片阵列、8-光栅、9-柱面反射镜、10-聚焦镜、11-线阵CCD芯片。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。现有的线阵CCD型光谱仪结构如图1所示，一般采用Czerny-Turner型光学系统，从狭缝入射的光信号，首先被一个准直镜准直为平行光，入射在一个反射式光栅上，不同波长的光信号被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽光谱高分辨率的光谱仪，其特征在于，包括步进电机(1)、多孔圆屏(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、准直镜(5)、平面反射镜(6)、滤光片阵列(7)、光栅(8)、柱面反射镜(9)、聚焦镜(10)和线阵CCD芯片(11)；所述步进电机(1)转轴与多孔圆屏(2)相连，用于驱动其同轴转动；所述多孔圆屏(2)为圆盘形，其表面等角度设有多个圆孔，圆孔上覆盖有一个滤光片(3)，各圆孔上滤光片工作波长范围递增或递减，用于选择性通过一个子波段的光；各子波段的波长范围允许部分交叠，但全部子波段应覆盖所测对象光谱范围；所述狭缝(4)设在入射光路上，用于挡住杂散光，其狭缝中心与准直镜中心重合；所述准直镜(5)的反射面正对狭缝(4)，用于将通过狭缝(4)的各子波段光准直后，反射到平面反射镜(6)；所述平面反射镜(6)与所述准直镜(5)错位相对设置，用于折叠光路，将准直镜(5)反射来的光，反射到滤光片阵列(7)；所述滤光片阵列(7)由多个不同波长的条形滤光片组成，其数量与多孔圆屏的开孔数量相同；各滤光片的一端互不相连，各滤光片角间距由子波段中心波长确定；各滤光片阵列的滤光片波长选择与多孔圆屏上各孔滤光片按顺序相对应，各滤光片的工作波长从光入射方向开始依次递增或递减；所述光栅(8)设在滤光片阵列(7)反射光路上，用于将滤光片阵列(7)反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的柱面反射镜(9)，在空间上将不同波长的入射光予以分离；所述柱面反射镜为凹柱面镜(9)，用于矫正光谱仪光学系统的像散，将光栅反射来的光投射到与其相对设置的聚焦镜(10)的反射面；所述聚焦镜(10)为一球面反射镜，用于将柱面反射镜反射来的光，反射聚焦于所述CCD芯片(11)。...

【技术特征摘要】
1.一种宽光谱高分辨率的光谱仪，其特征在于，包括步进电机(1)、多孔圆屏(2)、滤光片(3)、狭缝(4)、准直镜(5)、平面反射镜(6)、滤光片阵列(7)、光栅(8)、柱面反射镜(9)、聚焦镜(10)和线阵CCD芯片(11)；所述步进电机(1)转轴与多孔圆屏(2)相连，用于驱动其同轴转动；所述多孔圆屏(2)为圆盘形，其表面等角度设有多个圆孔，圆孔上覆盖有一个滤光片(3)，各圆孔上滤光片工作波长范围递增或递减，用于选择性通过一个子波段的光；各子波段的波长范围允许部分交叠，但全部子波段应覆盖所测对象光谱范围；所述狭缝(4)设在入射光路上，用于挡住杂散光，其狭缝中心与准直镜中心重合；所述准直镜(5)的反射面正对狭缝(4)，用于将通过狭缝(4)的各子波段光准直后，反射到平面反射镜(6)；所述平面反射镜(6)与所述准直镜(5)错位相对设置，用于折叠光路，将准直镜(5)反射来的光，反射到滤光片阵列(7)；所述滤光片阵列(7)由多个不同波长的条形滤光片组成，其数量与多孔圆屏的开孔数量相同；各滤光片的一端互不相连，各滤光片角间距由子波段中心波长确定；各滤光片阵列的滤光片波长选择与多孔圆屏上各孔滤光片按顺序相对应，各滤光片的工作波长从光入射方向开始依次递增或递减；所述光栅(8)设在滤光片阵列(7)反射光路上，用于将滤光片阵列(7)反射来的入射光，反射到与其错位相对设置的柱面反射镜(9)，在空间上将不同波长的入射光予以分离...

【专利技术属性】
技术研发人员：万助军，占爽，颜世佳，冯冬，罗志祥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42