专利名称：小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构的制作方法
技术领域：
本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及一种小型光栅光谱仪的光路结构。
背景技术：
光谱仪器是进行光谱分析的基本测试设备，随着现代科学技术的不断发展，小型化、轻量化、便携化和高分辨率逐渐成为光谱仪器发展的主流趋势。(2008年昆明理工大学硕士论文“一种小型光栅光谱仪的设计原理及参数分析”，2009年，第17卷I期“微小型红外光栅光谱仪光学系统的设计与优化”，2010年，第3卷3期，“微型平像场近红外光谱仪的消杂散光设计”)报道了关于“小型光栅光谱仪”，该形式的光谱仪由聚光镜、入射针孔、准直镜、光栅、聚焦镜和线阵探测器构成。聚光镜将入射光束聚焦到入射针孔，从入射针孔出射的光束照射准直镜，准直镜反射的平行光直接入射到光栅表面，光栅衍射的光束经聚焦镜反射后由线阵探测器接收。该光谱仪由于采用光栅将入射的复色光分解为光谱，由线阵探 测器接收，分辨率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、体积小、重量轻、光谱分辨率高的小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构。为了解决上述技术问题，本发明的小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构包括聚光镜、入射针孔、准直镜、中阶梯光栅、交叉色散棱镜、聚焦镜、柱面镜和面阵探测器；所述准直镜和聚焦镜均采用球面镜；聚光镜将入射光束聚焦到入射针孔，从入射针孔出射的光束照射准直镜，准直镜反射的平行光直接入射到中阶梯光栅表面，中阶梯光栅衍射的光束经交叉色散棱镜表面反射后照到聚焦镜上，聚焦镜反射的汇聚光经过柱面镜消色散后由面阵探测器接收。当准直镜和聚焦镜均为球面镜时，引入柱面镜，减小了经色散系统后成像在弧矢面的像散，能够有效提高光谱仪的光谱分辨力。本发明的积极效果采用主色散的中阶梯光栅与棱镜相配合的交叉色散形式，解决了由于中阶梯光栅使用高级次而造成的衍射级次彼此重叠的问题，不仅利于提高中阶梯光栅的衍射效率，同时利于后端谱线标定与算法实现。得到的光强随波长变化的谱图为二维谱图，可以对实际拍摄的光谱图像进行处理，将二维光谱还原为一维光谱信息，能够有效地平衡传统光栅光谱仪高分辨率与小体积间的矛盾，实现了小体积结构形式下的高光谱分辨率。本发明的小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构具有独特的优越性，它结构紧凑、体积小、重量轻、探测速度快、使用方便、耗能耗材少、性能稳定、可批量生产，特别是它易于实现模块化，可以进行多通道实时分析，具有现场应用价值，并且它还具有二次开发性能，可以用来进一步制造其他分析仪器。小体积，高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光路结构还可以成为激光诱导等离子体原子发射光谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪的最佳选择。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图I是本发明的小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，本发明小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构包括聚光镜I、入射针孔2、准直镜3、中阶梯光栅4、交叉色散棱镜5、聚焦镜6、柱面镜7和面阵探测器8 ;所述准直镜3和聚焦镜6均采用球面镜；光源发出的光束经最前端的聚光镜I会聚于入射针孔2，沿入射针孔2出射光线方向距离入射针孔f处放置反射球面镜作为准直镜3，在准直镜3反射光方向放置中阶梯光栅4，交叉色散棱镜5放置于中阶梯光栅4衍射光方向上，经交叉色散棱镜5反射的光束照到前方的反射球面镜即聚焦镜6，聚焦镜6出射的聚焦光通过柱面镜7后聚焦在面阵探测器8上。所有镜面(包括聚光镜I、准直镜3、中阶梯光栅4、交叉色散棱镜5、聚焦镜6、柱面镜7)的中心高度与入射针孔2的中心位置等高。本发明的基本组成部分光源系统为了保证光源射出的光束强度以及仪器主体的相对孔径，使用了焦距和通光孔径适宜的凸透镜作为聚光镜I。准直系统由入射针孔2和准直镜3组成，入射针孔2位于准直镜3的焦平面上，入射针孔2的大小限制进入后端光学系统光能量的多少。入射针孔2处发出的光束经准直镜3后变成平行光束投向色散系统。
色散系统色散系统的作用是将入射的复色光分解为光谱，由于来自准直系统的平行光束经中阶梯光栅4后光谱存在重叠问题，需要采用交叉色散棱镜5将光谱分开，这一结构大大地提高了系统的光谱分辨率。成像系统将经交叉色散后的各波长光束聚焦在聚焦镜6的焦平面上，当准直镜3和聚焦镜6为球面镜时，后面增加柱面镜7来消除像散的影响。接收系统采用面阵探测器接收成像系统焦平面上的光谱信息。经面阵探测器将光信号转换为电信号后又经放大、检测、记录得到光强随波长变化的二维谱图。对实际拍摄的光谱图像进行处理，将二维光谱还原为一维光谱信息，可以实现波长的精确标定。实施例I本发明光路结构中，准直镜3和聚焦镜6均为球面反射镜，曲率半径均为200. 76mm，离轴角分别为5. 2°、8.63°，焦距均为IOOmm ;中阶梯光栅4采用光栅常数d为1/54. 49mm的反射式刻划中阶梯光栅,入射角为46° ;为方便光路安排将中阶梯光栅沿光轴法线方向旋转3° (即光栅偏转角Y=3° );交叉色散棱镜5由半顶角10°的熔石英构成，入射角为21. 01° ;面阵探测器8采用e2v背照式(XD47-10AIMA芯片，分辨率1024X 1024像素，180-300nm范围内光谱响应很高。通过光学设计软件追迹，本实施例构成的小型中阶梯光栅光谱仪光路结构的理论分辨率可以达到O. 015nm@200nm。实施例2
本实施例将发明的光路结构中的准直镜3和聚焦镜6曲率半径改为200. 66mm,其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 023nm@200nm。实施例3本实施例将发明的光路结构中准直镜3的离轴角改为5. 1°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 025nm@200nm。实施例4本实施例将发明的光路结构中准直镜6的离轴角改为8. 53°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 020nm@200nm。实施例5本实施例将发明的光路结构中准直镜3焦距改为100. 2mm,同样在其他结构参数 均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 033nm@200nm。实施例6本实施例将发明的光路结构中中阶梯光栅4入射角改为45. 92°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 018nm@200nm。实施例7本实施例将发明的光路结构中中阶梯光栅4离轴角改为3. 08°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 021nm@200nm。实施例8本实施例将发明的光路结构中交叉色散棱镜5半顶角改为9. 8°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 023nm@200nm。实施例9本实施例将发明的光路结构中交叉色散棱镜5入射角改为20. 31°，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 017nm@200nm。实施例10本实施例将发明的光路结构中柱面镜7由曲率半径改为149_，同样在其他结构参数均不变情况下进行光学追迹，系统分辨率为O. 019nm@200nm。通过以上实施例小范围变换光学结构中任意一个参数，系统理论分辨率都会变大，说明本发明实施例I的光路结构各个光学参数均达到最佳值。仪器的整体结构可以采用铝合金材料，内部结构小巧简单，满足轻量化、便携化的要求。本发明为便携式激光诱导等离子体原子光谱仪、电感耦合等离子体原子发射光谱仪提供了一种小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构。其特征在于采用了交叉色散形式、消色散的柱面镜以及面阵CCD来接收二维光谱信息，该结构形式不仅可以保证分辨率的使用要求，优化了系统光学性能，而且大大缩小了光谱仪的体积，便于携带。平衡了光谱仪器小体积与高分辨率、全谱直读之间的矛盾。
权利要求
1.一种小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构，包括聚光镜(I)、入射针孔(2)、准直镜(3)、聚焦镜(6);所述准直镜3和聚焦镜6均采用球面镜；其特征在于还包括中阶梯光栅(4)、交叉色散棱镜(5)、柱面镜(7)和面阵探测器(8);所述聚光镜(I)将入射光束聚焦到入射针孔(2)，从入射针孔(2)出射的光束照射准直镜(3)，准直镜(3)反射的平行光直接入射到中阶梯光栅(4)表面，中阶梯光栅(4)衍射的光束经交叉色散棱镜(5)表面反射后照到聚焦镜(6)上，聚焦镜￠)反射的汇聚光经过柱面镜(7)消色散后由面阵探测器(8)接收。
2.根据权利要求I所述的小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构，其特征在于所述准直镜 (3)和聚焦镜(6)的曲率半径均为200. 76mm，离轴角分别为5. 2。、8· 63。，焦距均为IOOmm ；中阶梯光栅(4)采用光栅常数d为1/54. 49mm的反射式刻划中阶梯光栅，入射角为46°，光栅偏转角为Y =3° ;交叉色散棱镜(5)由半顶角10°的熔石英构成，入射角为21. 01° ;面阵探测器(8)采用e2v背照式(XD47-10AIMA芯片。
全文摘要
本发明涉及一种小型中阶梯光栅光谱仪的光路结构，该结构包括聚光镜、入射针孔、准直镜、中阶梯光栅、交叉色散棱镜、聚焦镜、柱面镜和面阵探测器；所述准直镜和聚焦镜均采用球面镜；聚光镜将入射光束聚焦到入射针孔，从入射针孔出射的光束照射准直镜，准直镜反射的平行光直接入射到中阶梯光栅表面，中阶梯光栅衍射的光束经交叉色散棱镜表面反射后照到聚焦镜上，聚焦镜反射的汇聚光经过柱面镜消色散后由面阵探测器接收。本发明能够有效地平衡传统光栅光谱仪高分辨率与小体积间的矛盾，实现了小体积结构形式下的高光谱分辨率，具有结构紧凑、体积小、重量轻、无移动部件、宽谱段同时测量等优点。
文档编号G01J3/18GK102778293SQ201210259560
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者唐玉国, 宁春丽, 崔继承, 巴音贺希格, 陈少杰, 齐向东 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所