串联光栅光谱仪制造技术

本实用新型专利技术的一个方面的串联光栅光谱仪，其包括：光源，其为出射多色光的宽光谱光源；狭缝，其包含特定形状的通孔，并位于所述多色光的主光线的位置；第一凹面镜，其将来自所述狭缝的所述多色光设为平行光；多个衍射光栅，彼此串联地设置在所述多色光的行进方向上的第一凹面镜的所述平行光的出射侧，所述平行光分别在多个衍射光栅的每一个中发生色散，任一个衍射光栅的色散方向与沿着处于该任一个衍射光栅的上游的衍射光栅色散后的光的色散方向相交；第二凹面镜，将来自所述多个衍射光栅的被色散的光会聚于光学探测器。被色散的光会聚于光学探测器。被色散的光会聚于光学探测器。

【技术实现步骤摘要】
串联光栅光谱仪


[0001]本技术涉及串联光栅光谱仪，尤其是涉及消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析的串联光栅光谱仪。

技术介绍

[0002]光谱仪又称分光仪，使用了光谱仪的光谱测量技术被广泛应用在物质成分分析、生物制药、环境监测、地质测量和军事侦察等多个方面。现有的光谱仪大多采用Czerny
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Turner光谱仪的光路结构，如图3所示，由一个入射狭缝220、两片凹面反射镜231和232、作为色散元件的光栅241以及一个检测产生色散的光的图像传感器等的探测器250构成，通过优化光栅241和两片凹面反射镜231和232的不同偏转角度以实现最佳波长探测范围和分辨率。

技术实现思路

[0003]但在Czerny
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Turner的光路结构中，入射到多缝光栅的光会产生n衍射阶次的光，当n>0(非零级)时，会产生不同阶次光谱的重叠，其中，除一阶衍射光以外的高阶衍射(n>1)光和一些杂散光在探测器中成为限制检测精度的因素，例如，高阶衍射和杂散光导致信噪比低下(约
‑
20～
‑
25dB)。
[0004]在现有技术中通常使用带有特殊涂层的滤光片来去除高阶衍射光，以获取高分辨率，从而提高检测精度。通常如图4所示，将上述那样的滤光片305设置在光接收元件306的入光侧。然而，滤光片的效果取决于涂层的工艺，制作滤光片也增加了生产成本，另外，经过滤光片后的光的一部分被其吸收，使到达探测器的光的强度被大幅降低，对于一些感光高度较小的探测器仅能收集到很小部分的信号光，因而灵敏度受到限制，即需要较长时间才能收集到足够强的信号，不能满足高速成像的需求，效率低下，同时，使用滤光片导致部分一阶衍射光被损耗，不能满足更高分辨率要求的光谱分析，并且，不适用于宽波长范围(例如从紫外到近红外波长的整体范围)的光谱分析。
[0005]本技术是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析的串联光栅光谱仪。
[0006]根据本技术的一个方面的串联光栅光谱仪，其包括：光源，其为出射多色光的宽光谱光源；狭缝，其包含特定形状的通孔，并位于所述多色光的主光线的位置；第一凹面镜，其将来自所述狭缝的所述多色光设为平行光；多个衍射光栅，彼此串联地设置在所述多色光的行进方向上的第一凹面镜的所述平行光的出射侧，所述平行光分别在多个衍射光栅的每一个中发生色散，任一个衍射光栅的色散方向与沿着处于该任一个衍射光栅的上游的衍射光栅色散后的光的色散方向相交；第二凹面镜，将来自所述多个衍射光栅的被色散的光会聚于光学探测器。
[0007]根据本技术的串联光栅光谱仪，能够消除杂散光以及高阶衍射光以实现高速
成像、高信噪比、高分辨率以及宽波长范围的光谱分析。
附图说明
[0008]图1A是示出本技术的第一实施方式的串联光栅光谱仪的示意性俯视图。
[0009]图1B是示出根据第一实施方式的串联光栅光谱仪的衍射光栅的色散角。
[0010]图2A是示出本技术的第二实施方式的串联光栅光谱仪的示意性俯视图。
[0011]图2B是示出根据第二实施方式的串联光栅光谱仪的衍射光栅的色散角。
[0012]图3是示出Czerny
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Turner光谱仪的光路结构的示意性俯视图。
[0013]图4是示出现有技术中的一个例子的图。
具体实施方式
[0014][第一实施方式][0015]图1A是示出本技术的第一实施方式的串联光栅光谱仪1的示意性俯视图。如图1A所示，串联光栅光谱仪1包括：光源(未图示)、狭缝20、两个凹面镜31
·
32、两个衍射光栅 41
·
42以及光学探测器50。从光源出射的光依次经过狭缝20、第一凹面镜31、第一衍射光栅41、第二衍射光栅42、第二凹面镜32、光学探测器50。
[0016]光源为发出不同波长的多种光的多色光的宽光谱光源，优选为能够在从紫外到近红外波长的波长范围内发出连续的光的光源。例如，可以是能够发出连续的宽光谱的光的氙灯或发光二极管(LED)灯。
[0017]狭缝20可以在不透光的材料中形成包含特定形状的通孔。例如，狭缝20的通孔可以为线状(例如，条状)并且在垂直于包含多色光的主光线的平面的方向上延伸。例如，狭缝20的线状通孔的宽度方向可以是光在第一衍射光栅41中被分散的方向。狭缝20可以包括多个平行的线状通孔，优选多个线状通孔等距排列。狭缝20可以配置在光源的成像透镜(未图示)会聚多色光的焦点位置(或成像平面位置)处。
[0018]两个凹面镜31
·
32在多色光的行进方向上分别被配置在两个衍射光栅41
·
42的入光侧和出光侧。第一凹面镜31配置在狭缝20与第一衍射光栅41之间，用于将光源经由狭缝20出射的光准直成平行光并向第一衍射光栅41偏转。第二凹面镜32配置在第二衍射光栅42与光学探测器50之间，用于将经由第二衍射光栅42出射的光会聚于光学探测器50。可以在凹面镜31
·
32中的每一个的反射表面上形成反射膜。例如，在玻璃基板上沉积包含高折射率材料层和低折射率材料层的层叠膜来形成反射膜。高折射率材料的示例可以包括二氧化锆(ZrO2)和二氧化钛(TiO2)。低折射率材料的示例可以包括二氧化硅(SiO2)和氟化镁(MgF2)。另外，凹面镜也可替换为其他光学元件，例如凸面镜、平面镜等。
[0019]在图1A的例子中，两个衍射光栅41
·
42均采用了反射型衍射光栅，反射型衍射光栅可以包含多条凹槽，但不限于此，也可以使用透射型衍射光栅，透射型衍射光栅可以包含多条狭缝，这些凹槽可以是等距的，也可以是不等距的。通过衍射效应，使入射到衍射光栅多色光根据波长而产生色散。两个衍射光栅 41
·
42形成为在多色光的行进方向上串联的结构，在该串联的结构中，第一衍射光栅41处于沿光的行进方向上的最上游侧，第二衍射光栅42处于沿光的行进方向上的最下游侧。图1B是示出根据第一实施方式的串联光栅光谱仪1的衍射光栅41
·
42的色散角。第一衍射光栅41的色散方向λ
x
与第二衍射光栅42的色散方
向λ
y
相交，第一衍射光栅41将光沿色散方向λ
x
进行色散，第二衍射光栅42将光沿色散方向λ
y
进行色散。优选地，如图1B所示，x轴示出了第一衍射光栅41的色散方向λ
x
，y轴示出了第二衍射光栅42的色散方向λ
y
，第一衍射光栅41的色散方向λ
x
与第二衍射光栅42的色散方向λ
y
正交，最终，出射光沿着包含圆点的虚线λ
xy
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种串联光栅光谱仪，其特征在于，包括：光源、狭缝、多个衍射光栅以及光学探测器，所述光源出射的光经由狭缝、所述多个衍射光栅入射到光学探测器上，在光的行进方向上串联设置的所述多个衍射光栅中，任一个衍射光栅色散后的光的色散方向与最靠近该衍射光栅的出光侧的衍射光栅的色散方向相交。2.根据权利要求1所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，所述多个衍射光栅的色散方向互不相同。3.根据权利要求2所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，多个衍射光栅包含第一衍射光栅和第二衍射光栅，第一衍射光栅的色散方向与第二衍射光栅的色散方向正交。4.根据权利要求3所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，多个衍射光栅还包含第三衍射光栅，依次沿着第一衍射光栅和第二衍射光栅色散后的光的色散方向与第三衍射光栅的色散方向正交。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的串联光栅光谱仪，其特征在于，所述光源为出射多色光的宽光谱光源。6.根据权利要求1至4中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋承泽，
申请(专利权)人：爱博能广州科学技术有限公司，
类型：新型
国别省市：