一种采用多光栅的光谱成像仪制造技术

一种多光栅光谱成像仪，具有如下结构模式：光源→光栅Ｇｘ→成像镜Ｍｘ→探测器Ｄｘ，其特征在于Ｇｘ由多块光栅组成，Ｍｘ为组合式柱面光学聚焦系统，Ｄｘ为组合式线阵或面阵探测器，光栅固定，其法线方向按应用要求作组合排列。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光学电子器件
，具体涉及一种采用多光栅的光谱成像仪。采用上述结构的光栅单色仪，在实际使用中需要具备控制功能1.机械控制光栅转动，实现光栅扫描。2.置换光栅。当单色仪在较宽的波长区工作时，为提高仪器的波长分辨率和获得最佳的信噪比质量，需要根据所工作的光谱波长区更换光栅。例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，方能较好地满足光谱线精确测量的要求。3.置换滤色片。由公式(1)可知，在某θ角位置，m＝1的较长波长和m＝2(或更高次)较短波长的衍射光会同时出现。因此，根据实际的波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤光片，将m＝2(或更高次)的高次衍射光滤去，方能满足被检测光子单色性的要求。在目前大多数商品单色仪结构中，上述三个控制功能(光栅扫描、置换光栅、置换滤色片)均通过独立的机械传动结构进行。这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，尤其是置换光栅时，需对系统的波长位置进行重新精确定标和调整，十分费时和麻烦。为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，可取代单一光子探测器，在较宽的光谱范围对波长进行快速扫描。由于受到由公式(1)所决定的光栅衍射张角结构和探测器尺寸的限制，即使采用面阵式CCD探测器，因其在一维方向有限的像素和尺寸，仍难于用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描。因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤光片，方能实现高质量和高精度的波长扫描。在上述商品CCD光栅单色仪设计中，其结构模式如下光源→光栅Gx→成像镜Mx→探测器Dx光栅Gx为一块或多块光栅组成，并由步进马达等机械传动机构控制，由光栅出射的衍射光经单个球面反射成像镜Mx，聚焦在面阵式CCD探测器上，形成光谱，实现对波长的分波长区扫描和测量。由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式CCD探测器的优点，限制了光谱测量速度。另外，当控制光栅转动时，在机械位移极限位置长短波长的两端，需采用专门的限位开关，以防止机械位移过头而对单色仪造成损坏。这也增加了系统设计和结构的复杂性。本技术提出的多光栅光谱成像仪是在上述结构模式基础上，对其缺点进行改进，在本技术中，采用多块光栅Gx、组合式柱面镜光学聚焦系统Mx和组合式线阵或面阵探测器Dx，无需任何元件的机械位移和传动机构，光栅固定，其法线方向按应用要求作组合排列，由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被组合式柱面光谱成像镜Mx聚焦，成像在与不同光栅相对应的组合式线阵或面阵探测器Dx上。从而在全光谱区实现波长快速高分辨率成像，可免去设置机械限位开关的需要，从而极其简化了仪器的设计和结构，增加了系统的长期工作可靠性和寿命。其全光谱数据检测分析的速度仅取决于线阵光电探测器的响应时间和后继数据传输、处理的时间，不超过0.01秒，同时全光谱区的分辨率可达0.08nm，这是传统光谱成像仪所不具备的优点。按公式(1)，可采用多块光栅，每块光栅的槽间距为d，(也可采用不同d的槽间距)，对于一级衍射光，n＝1，不同波长对应的衍射角分布为Δλ1＝λ2-λ1＝d(sinθ2-sinθ1)Δλ2＝λ3-λ2＝d(sinθ3-sinθ2)Δλb＝λn+1-λn＝d(sinθn+1-sinθn) (2)因此1可将n块光栅按n个波长区Δλ1，Δλ2……Δλn沿垂直于入射面的y方向排列，调整每块光栅的法线方向，使得与每个波长区对应，每块光栅在入射面内(x方向)具有相同的衍射张角范围，即Δθ1(Δλ1)＝Δθ2(Δλ2)＝……＝Δθn(Δλn) (3)式中Δθ＝θ2-θ1＝θ3-θ2＝……＝θn+1-θn(4)入射光经n块光栅衍射，在与入射面垂直方向，可形成n个子波长首尾相连的波长区，构成覆盖λ1至λn+1波长的全波长区。这n个具有相同衍射张角的单色平行光，经焦距为f1的柱面反射镜M1沿x方向聚集，将光谱成像在置于焦点f1上的由n个线阵探测器D组成(或面阵探测器)的焦平面上。线阵探测器的探测像素沿x方向排列。由于M1的作用是将光谱沿波长分布方向聚焦，在与入射面垂直的y方向无聚集作用，仍保留n个波长区的分布空间，而线阵探测器的像素尺寸在y方向是有限的，仅占很小的比例。为了充分利用n个波长区在y方向的光强分布，采用n个子柱面反射镜M2，焦距为f2，(f2＜f1)，将它们置于M1至探测器D的光路中。这n个柱面镜沿y方向作平行排列，其作用是对各分波长区的光沿y方向聚焦，将每个波长区的光聚焦集中在与之对应的线阵探测器上，提高光的被探测效率。采用这种方法，就可免除任何机械传动装置，通过像素数目有限的n个线阵探测器，实现对由nxΔλ构成的全光谱区进行高光谱分辨测量和分析。根据上述设计方法，本技术的多光栅光谱成像仪的结构模式如下光源→光栅Gx→成像镜Mx→探测器Dx其中，Gx由多块光栅组成，Mx为组合式柱面光学聚焦系统，Dx为组合式线阵或面阵探测器。光栅固定，其法线方向按应用要求作组合排列，由不同光栅出射的具有不同波长的衍射光被组合式柱面光谱成像镜Mx聚焦，成像在与不同光栅相对应的组合式线阵或面阵探测器Dx上。本技术中，光源与光栅Gx之间放置有宽度为0-2mm的可调狭缝S1，供光源射入，中间还设有平面镜M4和球面反射镜M3，使光源经S1，供光源射入，中间还设有平面镜M4和球面反射镜M3，使光源经S1、M4到M3，M3出射光为平行光。Gx由n块光栅组成，子光栅可以是平面光栅或球面光栅。n可根据实际需要确定。一般可选n＝1-10，例n＝3-8，n＝4-6。每块光栅的槽间距为d，这n块光栅按n个波长区Δλ1、Δλ2……Δλn沿垂直于入射面的y向排列，每块光栅在入射面内(即x方向)具有相同的衍射张角范围，见式(3)和式(4)。Gx的各子光栅的方位角可调。成像镜Mx是一个焦距为f1的柱面反射镜M1，使从光栅Gx衍射出的光沿X方向聚集。f1根据实际需要设计确定。探测器Dx由n个线阵探测器或面阵探测器D组成，置于M1的焦点上。为了充分利用n个波长区在y方向的光强分布，在M1至探测器Dx之间，对应设置n个子柱面反射镜M2，M2的焦距为f2，f2＜f1，这n个子柱面镜沿y向作平行排列，对各分波长区的光沿y方向聚焦，将每个波长区的光聚焦集中在与之对应的线阵(面阵)探测器上。另外，在Gx的各子光栅G或子柱面反射镜M2前设置相应的滤色片，将m＞2的高次衍射光滤去。本技术由于在全光谱测量中无任何光学部件的机械位移，可实现光谱的高速和高分辨率测量。光谱检测速度仅受线阵探测器响应速度以及后继数据传输和处理速度的线阵。具有14-16bit数据动态范围的全光谱测量速度可快于0.01秒。在实现全光谱快速检测的同时，光谱分辨率受到探测器像素密度，焦距和波长分区数的限制。在本实施方案中，光谱的最高分辨率可达0.08nm。采用本设计方法，结合采用更长焦距光学系统，更高密度的线阵和面阵探测器，以及采用更多子光栅作波长分区，可获得更高的光谱分辨率。采用本方法设计的光谱成像仪可在光通讯领域获得重要应用，实现对通讯光谱的高速高精度分析。本方法也可被推广应用于其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈良尧，王松有，郑玉祥，张荣君，李晶，杨月梅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：实用新型
国别省市：