一种高光通量微型光纤光谱仪的制作方法

1.本发明属于微型光纤光谱仪技术领域，涉及一种具有大数值孔径和线性入口狭缝的高光通量、微型化透射式光谱仪。


背景技术：

2.微型光纤光谱仪是光谱测量学中使用的重要测量仪器之一，因其体积小、检测快速、精度高而被广泛应用于生物、地质、农业、化学、颜色测量、漫反射、环境检测、光谱共焦测量、石油化工、半导体工业等领域。
3.微型光纤光谱仪通常是由一根单芯多模光纤、矩形入口狭缝、准直结构、分光元件、聚焦结构和探测器组成。商用的微型光纤光谱仪光路结构主要采用纯反射式光路结构，主要优点是反射式光路结构无色差、可设计光谱波段大、结构紧凑、信噪比较好。其中，czerny-turner反射式光路结构及其改进型是研究最为成熟和应用最为广泛的微型光纤光谱仪光路结构，但是，czerny-turner光路结构也至少存在如下问题：1）输入数值孔径小，通常小于0.1，即系统可输入光通量受限；2）结构中常用的反射式衍射光栅的衍射效率在波长范围内波动较大，受偏振效应影响大，且通常与光栅周期成反比；3）结构中的反射镜会导致离轴像散大，且难以消除；4）对结构中的元件偏转十分敏感，影响成像结果；5）需要考虑元件相对位置和角度关系，导致设计计算复杂和装配难度大。


技术实现要素：

4.本发明为了解决了上述现有技术的不足，提供了一种高光通量微型光纤光谱仪，以期采用基于相位体全息衍射光栅的棱栅组结构和透射式的光路结构设计，解决反射式微型光纤光谱仪输入数值孔径小，反射式衍射光栅效率低和重影严重，离轴像散大、对元件偏转敏感、不易装配和设计难度大的问题，从而实现具有高光通量、无光束偏差色散、高信噪比的微型光纤光谱仪光路结构。
5.本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：本发明一种高光通量微型光纤光谱仪的特点在于，包括：线性狭缝、“2+1”三片式消色差的准直物镜、棱栅组、tessar四片式的聚焦物镜、窗口片和面阵探测器、两个相同的直角棱镜反射镜；所述线性狭缝设置在所述准直物镜的焦面上，其开口高度sh与接入的线性光纤束的尺寸一致，且s
h ≤ 2f
col tan3
°
；且所述线性狭缝的开口高度方向垂直于相位体全息衍射光栅的色散平面，其开口宽度sw与单个光纤纤芯的直径相同；所述准直物镜是由消色差双胶合物镜及其前方冕牌玻璃的正透镜组成，并由所述正透镜承担所述准直物镜的部分偏角；令所述准直物镜的有效焦距和f数分别为f
col
、f1#；令所述准直物镜的物方焦点与线性狭缝的中心重合；所述棱栅组是由两个相同楔形棱镜对称于相位体全息衍射光栅放置而构成；令所述棱栅组的光轴分别与准直物镜出射光束的主光线，以及棱栅组出射的主波长λc光束的主
光线重合；所述tessar四片式的聚焦物镜是cooke三片式物镜结构的改进型，包括第一正透镜、第二负透镜和第三双胶合正透镜；令所述聚焦物镜的有效焦距和f数分别为f
foc
、f2#；令所述聚焦物镜的光轴与所述棱栅组出射的主波长λc光束的主光线重合；所述第一正透镜的前表面中心到最近的楔形棱镜的楔形面中心的距离为l；所述窗口片紧贴所述面阵探测器放置，用于保护所述面阵探测器的光敏面；所述面阵探测器的光敏面中心与整个光谱仪结构的像面中心重合，且所述面阵探测器的光敏面与所述聚焦物镜的后焦面之间的倾角γ的初值为0
°
；两个所述直角棱镜反射镜分别放置在所述棱栅组与聚焦物镜的两侧；来自所述线性狭缝的线发散光经过所述准直物镜准直后，光轴被直角棱镜反射镜以90
°
转折，得到的准直光束依次经过所述棱栅组的色散和聚焦物镜的集光后，光轴再次被直角棱镜反射镜以90
°
转折，得到的不同波长的聚焦光束被所述面阵探测器接收，从而形成所述高光通量微型光纤光谱仪的光路结构。
6.本发明所述的一种高光通量微型光纤光谱仪的特点也在于，当设计的线发散光的光谱波段δλ=λ2−
λ1大于线发散光的起始波长λ1的两倍时，在所述窗口片之前还设置有截止滤波器，用于消除相位体全息衍射光栅的二阶衍射带来的光谱重叠影响，其中，λ2表示线发散光的终止波长。
7.所述光谱仪中光路结构的参数是按如下过程设计：利用式()得到所述棱栅组中的楔形棱镜的楔形角θ：sinα
−nc sin(θ
−
sin-1
(sinθ/nc))=0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()式()中，nc为楔形棱镜的材料相对于主波长λc的折射率；α为主波长λc=(λ1+λ2)/2光束相对于相位体全息衍射光栅的入射角，且α=β=i=sin-1
(λc/(2λ))；其中，β为主波长λc光束相对于相位体全息衍射光栅的衍射角，i、λ分别为相位体全息衍射光栅(121)的固定入射角和光栅周期；利用式()确定所述面阵探测器的光敏面尺寸lh和lw： ()式()中，β1、β2分别为λ1和λ2相对于相位体全息衍射光栅的衍射角；利用式()得到所述高光通量微型光纤光谱仪中平均每个光谱通道所占的像元数ppc：ppc=
⌈
2sw⋅
na
⋅ffoc
∕(pw⋅w⋅
cosβ)
⌉
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()式()中，
⌈
·
⌉
表示向上取整操作，na为所述高光通量微型光纤光谱仪的输入数值孔径，且na≥0.15，w为棱栅组被准直光束照射的宽度，pw为面阵探测器的像素宽度，且与之对应的像素高度为ph；若在所述光谱波段δλ内设计n个光谱通道，则面阵探测器在宽度方向上的像素数x满足x=lw∕pw》 ppc
ꢀ×ꢀ
n。
8.所述“2+1”三片式消色差的准直物镜是按如下步骤进行设计：
步骤1. 将f
col
、f1#作为“2+1”三片式消色差的准直物镜的目标设计指标，并确定消色差双胶合物镜与正透镜的光焦度之比r=f2∕f1，其中，f1、f2分别是消色差双胶合物镜和正透镜的焦距，并由式()得到：f
col = f
1 f2∕(f1+ f2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()步骤2. 确定入射光束的半高度h=f
col
∕(2f1#)，且f1# =1∕(2na)，并根据h和f1确定消色差双胶合物镜的f数为f
db
#；步骤3. 在典型消色差双胶合物镜参考镜头库中选择信息量最接近f
db
#的一个参考设计，然后对所选择的参考设计进行焦距缩放、入射半高h修改后得到所述消色差双胶合物镜的初始结构；步骤4. 选择一个凸面曲率半径r=(nd−
1)
∗ꢀ
f2、厚度为d的平凸透镜作为正透镜的初始结构，其中，nd为正透镜的折射率；步骤5. 将步骤3和4分别得到的初始结构进行组合，得到“2+1”三片式消色差的准直物镜的初始结构，然后从焦距约束、球差校正、纵向色差校正、边界条件约束、材料优化五个方面对所述“2+1”三片式消色差的准直物镜的初始结构进行优化，得到最终的“2+1”三片式消色差的准直物镜。
9.所述tessar四片式的聚焦物镜是按照如下步骤进行设计：步骤a. 根据式()求解所述tessar四片式的聚焦物镜的半视场角ω=(β
’1+β
’2)∕2： ()式()中，n1、n2分别棱栅组中楔形棱镜的材料相对于λ1、λ2的折射率，β
’1、β
’2分别是λ1和λ2从棱栅组出射后与光轴的夹角；步骤b. 根据式()确定所述tessar四片式的聚焦物镜的孔径d
foc
： ()式()中，a、b分别是楔形棱镜的薄端和厚端的厚度；步骤c. 确定所述tessar四片式的聚焦物镜的f数：f2# = f
foc
∕d
foc
，且|f1#
−
f2#|≤0.3时，设计效果最佳；步骤d. 将ω和f2#作为所述tessar四片式的聚焦物镜的目标设计指标，在无限共轭tessar物镜参考镜头库中选择信息量最接近(ω, f2#)的一个参考设计，然后对所选择的参考设计进行焦距缩放、技术参数修改后得到所述tessar四片式的聚焦物镜的初始结构；步骤e. 确定优化变量，包括所述聚焦物镜的初始结构各个面的曲率半径、四片透镜的厚度以及透镜间的空气厚度，然后从焦距约束、镜头长度约束、像距约束、球差校正、纵
向色差校正和边界条件约束六个方面对所述聚焦物镜的初始结构进行优化，得到最终的tessar四片式的聚焦物镜。
10.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：1、本发明在基于na≥0.15的大输入数值孔径的基础上，采用线性狭缝增大了光纤光谱仪的可输入光通量，然后结合具有高峰值衍射效率的相位体全息衍射光栅，以及三片式的准直物镜和四片式的聚焦物镜结构（镜片数量少，光吸收率低），使得光谱仪的光通量效率进一步得到保证，提高了光纤光谱仪检测弱光谱的能力和信噪比。
11.2、本发明采用了特殊设计的无光束偏差色散的棱栅组结构，使得在实现色散的同时，主波长不改变行进方向，光路具有易装配性；增加的两个直角棱镜反射镜在不改变装配难度和成像效果的情况下，实现了光谱仪光路的折叠，达到了微型化体积的效果。
12.3、本发明提出的组合式光路结构设计方法，是先按照准直和聚焦物镜分别快速设计优化，然后再组合后整体优化的设计思路来实现的，整个设计步骤清晰简洁，且准直和聚焦物镜结构简单，易于优化。
附图说明
13.图1. 为本发明所述一种高光通量微型光谱仪光路结构图；图2. 为本发明所述棱栅组12的光学布局图；图3. 为本发明所述一个具体实施例的全波段范围内rms点半径曲线图；图4. 为本发明所述一个具体实施例的中心波长处的中心视场和边缘视场的mtf曲线图；图5. 为本发明所述一个具体实施例对线性狭缝10的几何成像结果图；图6. 为本发明所述一个具体实施例在扩展线光源下y方向的圈入能量曲线图；图7. 为本发明所述一个具体实施例在扩展线光源下x方向的圈入能量曲线图；图中标号： 10线性狭缝；11“2+1”三片式消色差的准直物镜；110消色差双胶合物镜；111冕牌玻璃的正透镜；12棱栅组；120楔形棱镜；121相位体全息衍射光栅；13 tessar四片式的聚焦物镜；130第一正透镜；131第二正透镜；132第三正透镜；14截止滤波器；15窗口片；16面阵探测器；17直角棱镜反射镜；18线性光纤束；180单个光纤纤芯。
具体实施方式
14.本实施例中，如图1所示，一种高光通量微型光纤光谱仪光路，包括：线性狭缝10、“2+1”三片式消色差的准直物镜11、棱栅组12、tessar四片式的聚焦物镜13、窗口片15和面阵探测器16、两个相同的直角棱镜反射镜17；线性狭缝10设置在准直物镜11的焦面上，其开口高度sh与接入的线性光纤束18的尺寸一致，且s
h ≤ 2f
col tan3
°
，其中3
°
是“2+1”三片式消色差准直物镜11可承受的最大半视场角；且线性狭缝10的开口高度方向垂直于相位体全息衍射光栅121的色散平面，其开口宽度sw与单个光纤纤芯180的直径相同；其中线性光纤束18是由多个多模光纤除去涂覆层后进行线性排列后，集成在一起获得的光纤阵列，其数值孔径仍是单个多模光纤的数值孔径；在具体实施时，必须将该光纤阵列对准线性狭缝，以达到最佳使用效果。
15.准直物镜11是由消色差双胶合物镜110及其前方冕牌玻璃的正透镜111组成，并由
正透镜111承担准直物镜11的部分偏角，这种双分离的结构可以校正消色差双胶合物镜110在大数值孔径下的剩余带球差；令准直物镜11的有效焦距和f数分别为f
col
、f1#；令准直物镜11的物方焦点与线性狭缝10的中心重合；且在符合实际装配的情况下，准直物镜11与其后的直角棱镜反射镜17的距离越小，光路则越紧凑；棱栅组12是由两个相同楔形棱镜120对称于相位体全息衍射光栅121放置而构成；令棱栅组12的光轴分别与准直物镜11出射光束的主光线，以及棱栅组12出射的主波长λc光束的主光线重合，这样主波长λc光束在经过棱栅组12后将不改变行进方向，实现无光束偏差色散；tessar四片式的聚焦物镜13是cooke三片式物镜结构的改进型，其f数在2.2~6.3之间，具有优良的近轴和轴上像质，其包括第一正透镜130、第二负透镜131和第三双胶合正透镜132，其中，第一正透镜130和第三双胶合正透镜132均选择高折射率、低色散型的材料，第二负透镜131选择高折射率、高色散的材料；令聚焦物镜13的有效焦距和f数分别为f
foc
、f2#；令聚焦物镜13的光轴与棱栅组12出射的主波长λc光束的主光线重合，以及第一正透镜130的前表面中心到最近的楔形棱镜120的楔形面中心的距离为l；窗口片15紧贴面阵探测器16放置，用于保护面阵探测器16的光敏面；面阵探测器16的光敏面中心与整个光谱仪的光路像面中心重合，且面阵探测器16的光敏面与聚焦物镜13的后焦面之间的倾角γ的初值为0
°
，最终的γ根据优化结果确定；两个直角棱镜反射镜17分别放置在棱栅组12与聚焦物镜13的两侧；且在符合实际装配的情况下，两个直角棱镜反射镜17分别与棱栅组12、聚焦物镜13的距离越小，光路则越紧凑；来自线性狭缝10的线发散光经过准直物镜11准直后，光轴被直角棱镜反射镜17以90
°
转折，然后，准直光束先后经过棱栅组12色散和聚焦物镜13集光后，光轴再次被直角棱镜反射镜17以90
°
转折，最后，不同波长的聚焦光束被面阵探测器16接收，形成携带波长信息的线光斑，从而构成了高光通量微型光纤光谱仪的光路结构；另外，当设计的光谱波段δλ=λ2−
λ1大于线发散光的起始波长λ1的两倍时，在窗口片15之前还设置有截止滤波器14，用于消除相位体全息衍射光栅121的二阶衍射带来的光谱重叠影响，其中，λ2表示线发散光的终止波长。且截止滤波器14是通过在其部分区域涂上对相应波段有截止效应的膜层来实现光谱重叠的消除，涂层区域的位置是根据设计结果计算确定；本实施例中，一种高光通量微型光谱仪中光路结构的参数是按如下过程进行设计：利用式()得到棱栅组12中的楔形棱镜120的楔形角θ：sinα
−nc sin(θ
−
sin-1
(sinθ/nc))=0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()式()中，nc为楔形棱镜120的材料相对于主波长λc的折射率；如图2所示，α为主波长λc=(λ1+λ2)/2光束相对于相位体全息衍射光栅121的入射角，且α=β=i=sin-1
(λc/(2λ))。其中，β为主波长λc光束相对于相位体全息衍射光栅121的衍射角，i、λ分别为相位体全息衍射光栅121的固定入射角和光栅周期；利用式()确定面阵探测器16的光敏面尺寸lh和lw，以确保选择的面阵探测器16能够探测到所有光谱波段，且不造成能量损失；
ꢀ
()式()中，f
col
、f
foc
是根据设计光谱分辨率、像素分辨率和光谱仪尺寸要求预先确定的；β1、β2分别为λ1和λ2相对于相位体全息衍射光栅121的衍射角；利用式()得到高光通量微型光纤光谱仪中平均每个光谱通道所占像元数ppc：ppc=
⌈
2sw⋅
na
⋅ffoc
∕(pw⋅w⋅
cosβ)
⌉
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()式()中，
⌈
·
⌉
表示向上取整操作，na为光谱仪输入数值孔径，且na≥0.15，w为棱栅组12被准直光束照射的宽度，pw为面阵探测器16的像素宽度，且与之对应的像素高度为ph；若在光谱波段δλ内设计n个光谱通道，则面阵探测器16在宽度方向上的像素数x满足x=lw∕pw》 ppc
ꢀ×ꢀ
n；本实施例中，一种高光通量微型光谱仪的光路结构是按照准直和聚焦物镜的先分别设计优化，然后组合后再整体优化的设计方法进行。其中，“2+1”三片式消色差的准直物镜11是按如下步骤进行设计：步骤1. 将f
col
、f1#作为“2+1”三片式消色差的准直物镜11的目标设计指标，并确定消色差双胶合物镜110与正透镜111的光焦度之比r=f2∕f1，其中，f1、f2分别是消色差双胶合物镜110和正透镜111的焦距，并由式()得到：f
col = f
1 f2∕(f1+ f2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
()步骤2. 确定入射光束的半高度h=f
col
∕(2f1#)，且f1# =1∕(2na)，并根据h和f1确定消色差双胶合物镜110的f数为f
db
#；步骤3. 在典型消色差双胶合物镜参考镜头库中选择信息量最接近f
db
#的一个参考设计，然后对所选择的参考设计进行焦距缩放、入射半高h修改得到消色差双胶合物镜110的初始结构；步骤4. 选择一个凸面曲率半径r=(nd−
1)
∗ꢀ
f2、厚度为d的平凸透镜作为正透镜111的初始结构，其中，nd为正透镜111的折射率；其中d根据正透镜111的孔径大小选择；步骤5. 将步骤3和4分别得到的初始结构进行组合，得到“2+1”三片式消色差的准直物镜11的初始结构，然后从焦距约束、球差校正、纵向色差校正、边界条件约束、材料优化五个方面对“2+1”三片式消色差的准直物镜11的初始结构进行优化，得到最终的“2+1”三片式消色差的准直物镜11。
16.本实施例中，tessar四片式的聚焦物镜13是按照如下步骤进行设计：步骤a. 根据式()求解tessar四片式的聚焦物镜13的半视场角ω = (β
’1+β
’2)∕2： ()式()中，n1、n2分别棱栅组12中楔形棱镜120的材料相对于λ1、λ2的折射率；如图2
um的线光源下的典型波长处y方向42 um内的圈入能量曲线和x方向2700um内的圈入能量曲线，分别表征了面阵探测器16的y方向上7个像素即可接收4 mm
×
50 um的线性狭缝10宽度方向上99%以上的能量，即ppc≈7，以及表征了面阵探测器16的x方向上225个像素即可接收4 mm
×
50 um的线性狭缝10高度方向上99%以上的能量。