微型高分辨率光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种微型高分辨率光谱仪，所述光谱仪包括：狭缝、准直透镜、棱镜、会聚透镜、线阵或面阵CCD传感器、反射镜组和法珀腔，其中：所述反射镜组使用两面反射镜，与法珀腔构成一循环光路系统，两面反射镜将法珀腔反射回来的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循环利用，实现更高的能量利用率。本发明专利技术利用法珀腔获得分辨率极高的光谱，通过设计循环光路系统，产生一系列不同入射角的光，经过法珀腔和会聚镜聚焦后，在探测面上产生一系列不同波长的分立的光谱输出，实现多波长通道的光谱测量。本发明专利技术不需要扫描，简化了机构，缩小了体积，提高了光谱测量系统的稳定性，又提高了测量速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微型高分辨率光谱仪，属于光谱学、光谱仪器及测量

技术介绍
在很多光谱分析应用中需要用到超高光谱分辨率的光谱仪，例如拉曼光谱分析、激光诱导击穿光谱分析、激光光谱分析等等。为了提高光谱仪的光谱分辨率，常常需要使用高刻线密度的光栅以获得更强的色散能力。但是通过提高光栅刻线密度来提升光谱分辨率是有极限的，并要求很高的成像质量。一种提高光谱分辨率的途径是使用法布里--珀罗腔(以下简称法珀腔)滤波器。当具有一定带宽的入射光通过法珀腔的前后两个反射面发射会发生干涉，会产生梳状光谱的出射光，其输出的每一个梳齿都具有很窄的光谱带宽。利用法珀腔的透过率或者反射率特性，能获得超窄带宽的光谱，进而实现高分辨光谱的测量。由于固定式的法珀腔只能输出很有限的几个波长，实际应用中常常需要通过改变法珀腔的一些参量来获得更多的波长输出，其中应用的最多的是改变法珀腔的厚度(称厚度扫描)，或者改变光的入射角(称角度扫描)，使得出射光的波长发生改变。基于法珀腔的光谱仪就是通过连续的改变这些参量实现的。由于对精度要求很高，扫描式的法珀腔光谱仪对扫描机构的控制精度要求很高，而且扫描过程耗时相对较长。另一类高分辨率光谱仪器系统则使用虚像相位阵列技术。这种技术同时使用光栅和法珀腔，既有传统光栅光谱仪波长连续的特性，也有法珀腔光谱仪高分辨率的特点。但是系统中光栅同样带来了很大的光能量损失，光能量利用率低。并且这类系统结构复杂庞大，使其应用受到诸多限制。经检索，申请号CN200710093178.5的中国专利申请，该专利技术涉及一种宽光谱高分辨率微型光谱仪,它由分光成像部分、光谱信号获取与处理两大部分构成,主要由可控闭合狭缝、平面反射镜、平场凹面光栅、面阵光电探测器、光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件等部分组成。该专利技术是集成多个特定工作波段的平场凹面光栅和一块面阵光电探测器,从而在保证光谱仪微型化的同时实现宽光谱高分辨率的测试要求。但是上述专利存在以下不足：平场光栅的使用限制了光的利用率，光栅衍射会损失很大一部分光能量；系统相当于多组光路共用一个探测器，为了兼顾各组光路的成像质量，实际的系统调节过程会很复杂。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种微型高分辨率光谱仪，该光谱仪是非扫描式的法珀腔光谱仪，简化了机构，缩小了体积，提高了光谱测量系统的稳定性，又提高了测量速度。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种微型高分辨率光谱仪，包括：反射镜组和法珀腔，所述反射镜组使用两面反射镜，与法珀腔构成一循环光路系统，两面反射镜将法珀腔反射回来的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循环利用，实现更高的能量利用率。所述光谱仪进一步包括狭缝、准直透镜、棱镜、会聚透镜、线阵或面阵CCD传感器，其中：法珀腔竖直设置，反射镜组中两面反射镜置于法珀腔前，相对于法珀腔的法线对称设置，并与法珀腔有一夹角，两面反射镜间有一间隙方便光线入射；棱镜置于反射镜组之前，用于调整入射光的宽度；狭缝和准直透镜组成准直系统并处于整个光路的最前方；在法珀腔的后方设置会聚透镜，用于使光线聚焦到线阵或面阵CCD传感器上。本专利技术在光谱仪中设计了一种新的循环光路系统，使用两面反射镜，将法珀腔反射回来的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循环利用，实现更高的能量利用率。通过将反射镜设置使每次入射至法珀腔的入射角发生改变，可以实现类似于扫描式法珀腔光谱仪的更多通道光谱输出测量。整个光路中无可移动部分，结构紧凑，可以制成微型的光谱仪。具体的，光源经狭缝进入光谱仪后，由准直透镜变为平行光，然后垂直入射在棱镜的直角面，由棱镜斜面出射后变为宽度窄的平行光，该平行光以入射角θ0至法珀腔，经过法珀腔后，光线被分为透射光和反射光，其中透射光经会聚镜聚焦在CCD传感器上，波长为λ0；反射光则经反射镜组再次反射后，以入射角θ0-2α入射至法珀腔，α为反射镜组中两个反射镜和法珀腔的夹角，法珀腔的透射光经会聚镜聚焦在CCD传感器上，波长为λ1；反射光会再次经反射镜组以入射角θ0-4α入射至法珀腔；如此循环，直至入射角θ0-2nα＜0，n为第一反射镜角度递减循环中的循环次数；前一次入射角θ0-2(n-1)α是大于零的，入射角θ0-2nα＜0之后的循环，入射角会以2(n+1)α-θ0、2(n+2)α-θ0、…的形式递增，直至2(n+m)α-θ0＞θ0，m为第一反射镜角度递增循环中的循环次数，此时，反射光将反射至反射镜组中的第二面反射镜；之后入射角将以2(n+m-1)α-θ0、2(n+m-2)α-θ0、…的形式递减，一直到入射角2(n+m-l)α-θ0＜0时，l为第二反射镜角度递减循环中的循环次数，入射角开始以θ0-2(n+m-l)α、θ0-2(n+m-l-1)α、…的形式递增，直到θ0-2(n+m-l-p)α＝θ0，p为第二反射镜角度递增循环中的循环次数；之后入射光以与最初相同的入射角至法珀腔表面，进入下一次反射大循环；整个光路中，光线以一系列入射角：|θ0-2kα|通过法珀腔，k＝0，1，2，...N，N为大于且最接近于θ0/α的正整数，对应的波长为λ0，λ1，…λN。相对于传统的法珀腔光谱仪，其光能利用率得到了很大的提升。进一步的，所述棱镜斜面出射后变为宽度很窄的平行光，所述平行光的宽度为：w1=w0(1-n2sin2βcos2β)1/2;]]>式中：w0为准直后平行光的宽度，β为棱镜的劈角，n为棱镜的折射率，由棱镜出射后的平行光以入射角θ0至法珀腔，经过法珀腔后，光线被分为透射光和反射光，只有满足2nfpdcosθ＝mλ的光线才能透过法珀腔，其余会被反射，式中d为法珀腔的间隙厚度，nfp为法珀腔的间隙介质的折射率，θ为入射角，λ为波长，m为整数。优选地，所述法珀腔是在固定厚度的玻璃片上下两表面镀反射率薄膜构成；上下两层反射薄膜反射率的大小直接影响光谱的分辨率，反射率越高，光谱分辨率也会越高。更优选地，所述反射率薄膜，其反射率大于95％。优选地，所述反射镜组则由两面倾角相同对称放置的平面镜组成。优选地，所述反射镜组与所述法珀腔均为光学膜层组。反射镜组对应的膜层分别镀在棱镜的两个斜面上，法珀腔膜层组则镀在棱镜的底面上。在高度方向上设置多个厚度不同的法珀腔膜层。在这种设计中，光线的反射过程与前述示例相同，而且其测量的光谱通道数相对前述示例会成倍增加。需要说明的是，为了防止多级光谱的叠加，测量光谱的带宽应在法珀腔的自由光谱范围内。两种设计中反射镜组的反射率尽可能高，法珀腔的两个反射面的反射率可以根据分辨率的需要适当调整。整个系统由简单的光学元件组成，系统中不含可动部分，并且可以将整机微型化。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)相对于传统的光栅光谱仪，光源利用率更高。现有的光谱仪主要利用光栅衍射出的正负一级谱，其衍射效率不会很高，一般在80％以下；而本专利技术法珀腔光谱仪对所测波长的透过率是接近于1的，相对于光栅光的利用率更高。2)本专利技术光谱仪的体积相对于光栅光谱仪更小。3)本专利技术光路调节很方便，尤其是本专利技术给出的第二种设计中，将反射镜组和法珀腔以薄膜组的形式镀在一块棱镜上，使整体结构更加一体化，方便光路系统的搭建。4)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型高分辨率光谱仪，其特征在于：所述光谱仪包括：狭缝、准直透镜、棱镜、会聚透镜、线阵或面阵CCD传感器、反射镜组和法珀腔，其中：所述反射镜组使用两面反射镜，与法珀腔构成一循环光路系统，两面反射镜将法珀腔反射回来的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循环利用，实现更高的能量利用率。

【技术特征摘要】
1.一种微型高分辨率光谱仪，其特征在于：所述光谱仪包括：狭缝、准直透镜、棱镜、会聚透镜、线阵或面阵CCD传感器、反射镜组和法珀腔，其中：所述反射镜组使用两面反射镜，与法珀腔构成一循环光路系统，两面反射镜将法珀腔反射回来的光再次收集，使之重新反射至法珀腔，如此循环利用，实现更高的能量利用率。2.根据权利要求1所述的微型高分辨率光谱仪，其特征在于：所述法珀腔竖直设置，反射镜组中两面反射镜置于法珀腔前，相对于法珀腔的法线对称设置，并与法珀腔有一夹角，两面反射镜间有一间隙方便光线入射；棱镜置于反射镜组之前，用于调整入射光的宽度；狭缝和准直透镜组成准直系统并处于整个光路的最前方；在法珀腔的后方设置会聚透镜，用于使光线聚焦到线阵或面阵CCD传感器上。3.根据权利要求2所述的微型高分辨率光谱仪，其特征在于：光源经狭缝进入光谱仪后，由准直透镜变为平行光，然后垂直入射在棱镜的直角面，由棱镜斜面出射后变为宽度窄的平行光，该平行光以入射角θ0至法珀腔，经过法珀腔后，光线被分为透射光和反射光，其中透射光经会聚镜聚焦在CCD传感器上，波长为λ0；反射光则经反射镜组再次反射后，以入射角θ0-2α入射至法珀腔，α为反射镜组中两个反射镜和法珀腔的夹角，法珀腔的透射光经会聚镜聚焦在CCD传感器上，波长为λ1；反射光会再次经反射镜组以入射角θ0-4α入射至法珀腔；如此循环，直至入射角θ0-2nα＜0，n为第一反射镜角度递减循环中的循环次数；前一次入射角θ0-2(n-1)α是大于零的，入射角θ0-2nα＜0之后的循环，入射角会以2(n+1)α-θ0、2(n+2)α-θ0、…的形式递增，直至2(n+m)α-θ0＞θ0，m为第一反射镜角度递增循环中的循环次数，此时，反射光将反射至反射镜组中的第二面反射镜；之后入射角将以2(n+m-1)α-θ0、2(n+m-2)α-θ0、…的形式递减，一直到入射角2(n+m-l)α-θ0＜0时，l为第二反射镜角度递减循环中的循环次数，入射角开始以θ0-2(n+m-l)α、θ0-2(n+m-l-1)α、…的形式递增，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梅珍，汪洋，王柯卉，陈婕，陈晓帆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31