快照式光栅光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及光谱仪器技术，提出了一种在相同探测器面积下，单次曝光能同时提高光谱分析仪器的波长范围、分辨率和光能利用率，且工艺性好，性价比高的快照式光栅光谱仪结构。本发明专利技术采用的技术方案是，快照式光栅光谱仪，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光。本发明专利技术主要应用于光谱仪器设计制造场合。

Snapshot grating spectrometer

【技术实现步骤摘要】
快照式光栅光谱仪
本专利技术涉及光谱仪器
，具体讲，涉及采用像切分器的快照式光栅光谱仪。
技术介绍
在相同探测器尺寸下，同时提高分辨率，光谱范围和衍射效率是光谱仪器发展追求的主要目标。常规光栅光谱仪利用探测器接收一维方向上的色散光谱，所得光谱图的分辨率和光谱范围难以同时达到测量要求。若使用单块闪耀光栅覆盖宽光谱范围势必造成衍射效率损失。为了获得宽波段光谱，常采用更换多块光栅或机械扫描的方法，则不能满足实时测量的要求。专利ZL98225262.5提出了一种采用组合光栅和面阵CCD的光谱仪结构，其中组合光栅是由不同光栅常数、不同闪耀角的子光栅构成的平面闪耀光栅。它通过在相同入射角下，改变光栅常数，来获得不同的波段和分辨率。该专利在一次曝光中覆盖整个测量光谱范围。该专利的优点是可以对较宽范围内的光谱实时测量，缺点是光栅常数的变化直接影响分辨率，在长波部分的极限分辨率小于短波部分，而且衍射效率低。专利ZL02260755.2提出了另一种采用多光栅一次曝光成像的光谱仪结构，如附图1所示，其光路主要部分包括光源S，球面反射镜M3，组合光栅G，柱面反射镜M1和探测器D。其中组合光栅由多个子光栅构成，子光栅沿x轴倾角可调，光栅常数也可以不同，可以控制衍射角大小，控制每组衍射光的波长范围。它通过在不同子光栅间引入特定的偏角，达到改变各子光栅入射角、获得不同子波段和分辨率的目的。优点是实现无机械位移的实时测量，缺点是组合光栅结构复杂不易加工，衍射光路中色散器件不易装调，装置稳定性差，更换维护光栅器件操作困难，系统价格昂贵。YuhangWan在其论文“CompactcharacterizationofliquidabsorptionandemissionspectrausinglinearvariablefiltersintegratedwithaCMOSimagingcamera”中提出了使用线性可调谐滤波器(LVF)代替光谱仪结构中的光栅的方法，优点是实现了小型化，价格低廉，可以快速测量，缺点是需要针对测量波段更换LVF器件，相比于光栅光谱仪的光通量也较低。另外，像差是光路成像分辨率的重要影响因素。慧差出现在光谱色散方向，影响分辨率；像散出现在垂直色散方向，使狭缝像变长。像差分析在设计光谱仪器中非常重要，但上述光谱仪器的设计并未考虑分析像差。目前，快照式光栅光谱仪不能同时满足宽谱测量、高光通量和高分辨率的要求。采用新型色散元件替换普通光栅，则要求对衍射光路的精确调整，且器件的加工复杂，成本较高。因此，需要一种能通过单次曝光，在相同探测器面积下同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种在固定探测器尺寸下，单次曝光能同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。为此，本专利技术采用的技术方案是，快照式光栅光谱仪，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，但在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光，光栅的衍射输出经成像镜投射到探测器进行接收。所述的快照式光栅光谱仪中，光栅是复合闪耀光栅，所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出，由多块子光栅沿x方向组合而成，子光栅的尺寸和数量与像切分器的子镜一一对应；所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出。所述的快照式光栅光谱仪中，所述成像镜由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，子镜的数量与用作准直镜的像切分器的子镜数量相同，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整探测器上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。所述的快照式光栅光谱仪中，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，中心波长主光线对所述准直镜的离轴角α，对所述成像镜的离轴角β，中心波长主光线对所述光栅的入射角i和衍射角θ应满足以下cos3关系式：根据cos3公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率；同时成像镜(4)在子午面内圆心到光栅中心的距离OG满足平场条件：根据该公式使得像面为一平面，以便探测器采集。所述的快照式光栅光谱仪，光栅为复合闪耀光栅，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，每个波段下的中心波长主光线对用作准直镜的像切分器子镜的离轴角αn，对用作成像镜的像切分器子镜的离轴角βn，每个波段下的中心波长主光线对所述光栅的入射角in和衍射角θn应满足以下关系式：通过调节像切分器子镜的离轴角，达到针对不同波段分别控制慧差的目的。所述的快照式光栅光谱仪中，所述准直镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。所述的快照式光栅光谱仪中，在光源和准直镜之间，设置狭缝供光线射入，狭缝为物方，狭缝尺寸影响分辨率。像切分器由多片不同二维偏向角的球面反射条状子镜组成，将条状子镜放回原始完整的球反射面镜中，以球面镜顶点为轴心，条状子镜的短边和长边分别为x和y方向，形成坐标系，Dx和Dy分别是子镜中心的x和y坐标，则偏向角δx和δy表示为：为保证后方光路结构简单，保持主光线对光栅的出射角不变，只改变入射角来切分各个波段，根据光栅方程和具体的结构参数确定每个子镜的二维偏向角。准直镜和成像镜的离轴角根据主光线光路的消慧差条件以及平场条件计算得到。成像镜可以是球面镜，也可以是柱面镜、超环面镜、抛物面镜或自由曲面，还可以是像切分器；所述成像镜像切分器子镜可以是回转体反射镜或自由曲面反射镜。本专利技术的特点及有益效果是：用于准直镜(2)的像切分器输出多组不同角度的平行光，用以切分波段，在相同探测器尺寸下提高了分辨率，实现无机械移动、高采集速率的宽光谱测量；复合闪耀光栅保证全波段的衍射效率；用于成像镜(4)的像切分器进一步控制像面分布，减小所需探测器的尺寸。本专利技术综合以上方法，提供了一种快照式光栅光谱仪，在相同探测器面积下，单次曝光同时提高了光谱分析仪器的波长范围、分辨率和光能利用率，相比于其他光谱仪工艺性好，性价比高。附图说明：图1是专利ZL02260755.2光路结构图。图2是本专利技术系统整体结构示意图；图3是像切分器子镜的二维偏向角原理示意图；图4是复合闪耀光栅的光栅面结构图；图5是复合闪耀光栅原理图；图6是例一的系统仿真结构图；图7是例一的仿真谱线图；图8是600nm和600.25nm点列图；图9是例一的分辨率仿真图；图10是200nm，400nm，600nm，800nm，1000nm的LSF曲线图。图11是例二的系统仿真结构图；图12是例二的仿真谱线图；图13是例三的系统仿真结构图；图14是例三的仿真谱线图。具体实施方式本专利技术要解决的技术问题是提供一种在固定探测器尺寸下，单次曝光能同时获得高分辨率、宽光谱范围和高衍射效率，工艺性好，性价比高，易于加工、调整和测试，价格低廉的光谱仪结构。为此目的，本专利技术提出了一种快照式光栅光谱仪，包括光源(1)，准直镜(2)，光栅(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快照式光栅光谱仪，其特征是，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光，光栅的衍射输出经成像镜投射到探测器进行接收。

【技术特征摘要】
1.一种快照式光栅光谱仪，其特征是，包括光源、准直镜、光栅、成像镜和探测器，其中，所述准直镜是像切分器，所述像切分器由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整每组出射平行光的角度；所述像切分器接收光源发出的入射光并向光栅反射输出多组不同角度的平行光，光栅的衍射输出经成像镜投射到探测器进行接收。2.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，光栅是复合闪耀光栅，所述复合闪耀光栅由多块子光栅沿x方向组合而成，子光栅的尺寸和数量与像切分器的子镜一一对应；所述复合闪耀光栅接收像切分器的输出光并向成像镜衍射输出。3.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，所述成像镜由多个球面反射子镜沿x方向排列组成，子镜的数量与用作准直镜的像切分器的子镜数量相同，每个子镜在x和y方向上具有二维偏向角，通过改变二维偏向角可以调整探测器上每个光谱区的位置，减小所需探测器的尺寸。4.如权利要求1所述的快照式光栅光谱仪，其特征是，所述准直镜子午方向的曲率半径R1，成像镜子午方向的曲率半径R2，中心波长主光线对所述准直镜的离轴角α，对所述成像镜的离轴角β，中心波长主光线对所述光栅的入射角i和衍射角θ应满足以下cos3关系式：根据cos3公式设计参数可以有效地减少色散光路中的彗差，从而提高光路的分辨率；同时成像镜(4)在子午面内圆心到光栅中心的距离OG满足平场条件：根据该公式使得像面为一平面，以便探测器采集。5.如权利要求1所述的快照式光栅光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张尹馨，杨怀栋，张震坤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12