專利名稱：多光柵光譜成像儀設計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學電子器件技術領域，具體涉及一種多光柵光譜成像儀設計。
采用上述結構的光柵單色儀，在實際使用中需要具備控制功能1.機械控制光柵轉動，實現光柵掃描。
2.置換光柵。當單色儀在較寬的波長區(qū)工作時，為提高儀器的波長分辨率和獲得最佳的信噪比質量，需要根據所工作的光譜波長區(qū)更換光柵。例如，在目前使用最多的200-1100nm波長范圍，至少需要2塊光柵，甚至三塊光柵，方能較好地滿足光譜線精確測量的要求。
3.置換濾色片。由公式(1)可知，在某θ角位置，m＝1的較長波長和m＝2(或更高次)較短波長的衍射光會同時出現。因此，根據實際的波長應用范圍，至少需要使用一塊甚至數塊濾光片，將m＝2(或更高次)的高次衍射光濾去，方能滿足被檢測光子單色性的要求。
在目前大多數商品單色儀結構中，上述三個控制功能(光柵掃描、置換光柵、置換濾色片)均通過獨立的機械傳動結構進行。[參考文獻1.光柵單色儀產品說明書，OrielCorporation，250 Long Beach Blvd.Stratford，CT，06497-0872，USA。參考文獻2.光柵單色儀產品說明書，Scientific Measurement Systems，Inc.2527 Foresight CircleJunction，CO 81505-1007，USA。]這一方面增加了儀器的設計和結構復雜性，降低了可靠性，另一方面給使用帶來許多不方便，尤其是置換光柵時，需對系統的波長位置進行重新精確定標和調整，十分費時和麻煩。
為了提高波長掃描的效率和精度，面陣式CCD探測器已被廣泛應用于光柵型單色儀中，可取代單一光子探測器，在較寬的光譜范圍對波長進行快速掃描。由于受到由公式(1)所決定的光柵衍射張角結構和探測器尺寸的限制，即使采用面陣式CCD探測器，因其在一維方向有限的像素和尺寸，仍難于用一塊光柵實現在較寬的光譜范圍內進行高精度的全波長覆蓋掃描。因此，在目前大多數商品CCD光柵單色儀中，仍需要采用多塊光柵和濾光片，方能實現高質量和高精度的波長掃描[參考文獻3.Acton Research Co.USA，SpectroPro300型單色儀]。在上述商品CCD光柵單色儀設計中，其結構模式如下光源→光柵Gx→成像鏡Mx→探測器Dx光柵Gx為一塊或多塊光柵組成，并由步進馬達等機械傳動機構控制，由光柵出射的衍射光經單個球面反射成像鏡Mx，聚焦在面陣式CCD探測器上，形成光譜，實現對波長的分波長區(qū)掃描和測量。由于仍需要用到機械傳動裝置，在某種程度上削弱了采用面陣式CCD探測器的優(yōu)點，限制了光譜測量速度。
另外，當控制光柵轉動時，在機械位移極限位置長短波長的兩端，需采用專門的限位開關，以防止機械位移過頭而對單色儀造成損壞。這也增加了系統設計和結構的復雜性。
本發(fā)明提出的多光柵光譜成像儀是在上述結構模式基礎上，對其缺點進行改進，在本發(fā)明中，采用多塊光柵Gx、組合式柱面鏡光學聚焦系統Mx和組合式線陣或面陣探測器Dx，無需任何元件的機械位移和傳動機構，光柵固定，其法線方向按應用要求作組合排列，由不同光柵出射的具有不同波長的衍射光被組合式柱面光譜成像鏡Mx聚焦，成像在與不同光柵相對應的組合式線陣或面陣探測器Dx上。從而在全光譜區(qū)實現波長快速高分辨率成像，可免去設置機械限位開關的需要，從而極其簡化了儀器的設計和結構，增加了系統的長期工作可靠性和壽命。其全光譜數據檢測分析的速度僅取決于線陣光電探測器的響應時間和后繼數據傳輸、處理的時間，不超過0.01秒，同時全光譜區(qū)的分辨率可達0.08nm，這是傳統光譜成像儀所不具備的優(yōu)點。
按公式(1)，可采用多塊光柵，每塊光柵的槽間距為d，(也可采用不同d的槽間距)，對于一級衍射光，n＝1，不同波長對應的衍射角分布為Δλ1＝λ2-λ1＝d(sinθ2-sinθ1)Δλ2＝λ3-λ2＝d(sinθ3-sinθ2)Δλn＝λn+1-λn＝d(sinθn+1-sinθn)(2)因此，可將n塊光柵按n個波長區(qū)Δλ1，Δλ2……Δλn沿垂直于入射面的y方向排列，調整每塊光柵的法線方向，使得與每個波長區(qū)對應，每塊光柵在入射面內(x方向)具有相同的衍射張角范圍，即Δθ1(Δλ1)＝Δθ2(Δλ2＝……＝Δθ2(Δλn) (3)式中Δθ＝θ2-θ1＝θ3-θ2=---=θn+1-θn入射光經n塊光柵衍射，在與入射面垂直方向，可形成n個子波長首尾相連的波長區(qū)，構成覆蓋λ1至λn+1波長的全波長區(qū)。這n個具有相同衍射張角的單色平行光，經焦距為f1的柱面反射鏡M1沿x方向聚集，將光譜成像在置于焦點f1上的由n個線陣探測器D組成(或面陣探測器)的焦平面上。線陣探測器的探測像素沿x方向排列。由于M1的作用是將光譜沿波長分布方向聚焦，在與入射面垂直的y方向無聚集作用，仍保留n個波長區(qū)的分布空間，而線陣探測器的像素尺寸在y方向是有限的，僅占很小的比例。為了充分利用n個波長區(qū)在y方向的光強分布，采用n個子柱面反射鏡M2，焦距為f2，(f2＜f1)，將它們置于M1至探測器D的光路中。這n個柱面鏡沿y方向作平行排列，其作用是對各分波長區(qū)的光沿y方向聚焦，將每個波長區(qū)的光聚焦集中在與之對應的線陣探測器上，提高光的被探測效率。采用這種方法，就可免除任何機械傳動裝置，通過像素數目有限的n個線陣探測器，實現對由nxΔλ構成的全光譜區(qū)進行高光譜分辨測量和分析。
根據上述設計方法，本發(fā)明的多光柵光譜成像儀的結構模式如下光源→光柵Gx→成像鏡Mx→探測器Dx其中，Gx由多塊光柵組成，Mx為組合式柱面光學聚焦系統，Dx為組合式線陣或面陣探測器。光柵固定，其法線方向按應用要求作組合排列，由不同光柵出射的具有不同波長的衍射光被組合式柱面光譜成像鏡Mx聚焦，成像在與不同光柵相對應的組合式線陣或面陣探測器Dx上。
本發(fā)明中，光源與光柵Gx之間放置有寬度為0-2mm的可調狹縫S1，供光源射入，中間還設有平面鏡M4和球面反射鏡M3，使光源經S1，供光源射入，中間還設有平面鏡M4和球面反射鏡M3，使光源經S1、M4到M3，M3出射光為平行光。
Gx由n塊光柵組成，子光柵可以是平面光柵或球面光柵。n可根據實際需要確定。一般可選n＝1-10，例n＝3-8，n＝4-6。每塊光柵的槽間距為d，這n塊光柵按n個波長區(qū)Δλ1、Δλ2……Δλn沿垂直于入射面的y向排列，每塊光柵在入射面內(即x方向)具有相同的衍射張角范圍，見式(3)和式(4)。Gx的各子光柵的方位角可調。
成像鏡Mx是一個焦距為f1的柱面反射鏡M1，使從光柵Gx衍射出的光沿X方向聚集。f1根據實際需要設計確定。探測器Dx由n個線陣探測器或面陣探測器D組成，置于M1的焦點上。
為了充分利用n個波長區(qū)在y方向的光強分布，在M1至探測器Dx之間，對應設置n個子柱面反射鏡M2，M2的焦距為f2，f2＜f1，這n個子柱面鏡沿y向作平行排列，對各分波長區(qū)的光沿y方向聚焦，將每個波長區(qū)的光聚焦集中在與之對應的線陣(面陣)探測器上。
另外，在Gx的各子光柵G或子柱面反射鏡M2前設置相應的濾色片，將m＞2的高次衍射光濾去。
本發(fā)明由于在全光譜測量中無任何光學部件的機械位移，可實現光譜的高速和高分辨率測量。光譜檢測速度僅受線陣探測器響應速度以及后繼數據傳輸和處理速度的線陣。具有14-16bit數據動態(tài)范圍的全光譜測量速度可快于0.01秒。在實現全光譜快速檢測的同時，光譜分辨率受到探測器像素密度，焦距和波長分區(qū)數的限制。在本實施方案中，光譜的最高分辨率可達0.08nm。采用本設計方法，結合采用更長焦距光學系統，更高密度的線陣和面陣探測器，以及采用更多子光柵作波長分區(qū)，可獲得更高的光譜分辨率。
采用本方法設計的光譜成像儀可在光通訊領域獲得重要應用，實現對通訊光譜的高速高精度分析。本方法也可被推廣應用于其他光譜區(qū)，如在可見光區(qū)，可采用1200線/mm光柵，并采用硅基線陣或面陣探測器。對于m＞2的高次級衍射光，可在相應的子光柵或子柱面反射鏡前設置相應的濾色片，將高次衍射光濾去。
在傳統光柵單色儀結構中，取消原有的光柵機械傳動結構。采用500mm焦距的光學系統和5塊600線/mm光柵G(也可按應用要求選取其他槽間距密度光柵和更多的光柵數)，每塊光柵的尺寸為20×100mm，光柵與短邊平行，組合成的有效光柵面積為100×100mm。將5塊光柵沿與入射面垂直的y方向排列，調整各光柵方位角，按公式(3-4)，使得在同一衍射張角內，各子波長區(qū)的波長分布不同，但波長首尾銜接，構成完整的波長區(qū)。該光譜儀的色散特性約為3.0nm/mm，為了在近紅外區(qū)的光通訊1400-1600nm波長區(qū)使用，其全波長的覆蓋區(qū)約為200nm。在探測器所在光譜成像的焦平面位置，沿波長分布方向(x方向)的總探測覆蓋尺寸約為60.0mm。采用5個線陣探測器，每個探測器約覆蓋12mm光譜探測區(qū)(相當于40nm波長區(qū))。采用512像素的InGaAs線陣紅外探測器，波長工作區(qū)為700-1700nm，每個像素的尺寸為0.024(H)×0.080(V)mm，構成的探測面約為12.3(H)×0.08(V)mm，其中，H表示為水平x方向，V為垂直y方向。
因此，精確調節(jié)每塊光柵的方位角，使得其在相同衍射張角內光譜的分布分別為1400-1440nm，1440-1480nm，1480-1520nm，1520-1560nm，1560-1600nm，即每塊子光柵的工作光譜區(qū)為40納米，與每組為512像元的InGaAs線陣探測器(共5組，沿入射面垂直的y方向排列)相對應，每個像元所對應的波長分辨率為0.08nm。
入射光進入0-2mm狹縫可調的光譜儀，采用f1＝500mm焦距的柱面反射鏡M1對光譜沿x方向進行聚集。M1柱面反射鏡的尺寸為100×100mm，接收來自光柵的平行衍射光，將光譜反射后聚焦成像在探測器D的焦平面上，。采用5個f2＝250mm焦距的子柱面反射鏡M2，尺寸都為20×100mm，聚焦面為短邊。M2鏡沿短邊并行排列，將它們置于M1和D光路間的位置中間，其作用是對各子光譜區(qū)的光強沿y方向聚焦。調節(jié)各M2的方位角，將5個子光譜區(qū)的光強分別聚焦在具有一定間隔排列的5個線陣探測器D上。采用標準氣體線光譜光源或具有0.04-0.08nm帶寬的標準紅外通訊光學濾波片對各探測器像素隨波長的分布進行精確定標，擬合成定標曲線，作光譜數據的定量分析使用。
權利要求
1.一種多光柵光譜成像儀，具有如下結構模式光源→光柵Gx→成像鏡Mx→探測器Dx，其特征在于Gx由多塊光柵組成，Mx為組合式柱面光學聚焦系統，Dx為組合式線陣或面陣探測器，光柵固定，其法線方向按應用要求作組合排列，由不同光柵出射的具有不同波長的衍射光被組合式柱面光譜成像鏡Mx聚焦，成像在與不同光柵相對應的組合式線陣或面陣探測器Dx上。
2.根據權利要求1所述的多光柵光譜成像儀，其特征在于設Gx的子光柵數為n，這n個子光柵按n個波長區(qū)Δλ1、Δλ2……Δλn沿垂直于入射面的y向排列，每塊光柵在入射面內具有相同的衍射張角范圍Δθ1(Δλ1)＝Δθ2(Δλ2)＝……＝Δθn(Δλn)(3)式中Δθ＝θ2-θ1＝θ3-θ2＝……＝θn+1-θn(4)Gx各子光柵的方位角可調。
3.根據權利要求1或2所述的多光柵光譜成像儀，其特征在于成像鏡Mx是一個焦距為f1的柱面反射鏡M1，探測器Dx由n個探測器D組成，位于M1的焦點上。
4.根據權利要求3所述的多光柵光譜成像儀，其特征在于在M1與探測器Dx之間對應設置有n個子柱面反射鏡M2，M2的焦距為f2，f2＜f1，n個子柱面鏡沿y向作平行排列，對各分波長區(qū)的光沿y方向聚焦，將每個波長區(qū)的光聚焦集中到與之對應的探測器上。
5.根據權利要求4所述的多光柵光譜成像儀，其特征在于在Gx的各子光柵G或子柱面反射鏡M2前設置有相應的濾色片，濾去高次衍射光。
6.權利要求1-5所述的多光柵光譜成像儀，其特征在于光源與光柵Gx之間設置有寬度為0-2mm可調的狹縫S1，供光源射入，中間還設有平面鏡M4和球面鏡M3，使光源經S1、M4到M3，M3出射光為平行光。
全文摘要
本發(fā)明是一種多光柵光譜成像儀。在傳統采用光柵和陣列探測器結合光譜成像儀結構中，受探測器的像素尺寸和數目的限制，難以兼顧光譜覆蓋寬度和分辨率的矛盾，因此，仍需采用機械傳動控制光柵的辦法，限制了光譜檢測速度。本發(fā)明采用由多個子光柵和多個線陣探測器構成的組合式光柵和探測器系統，無任何光學部件的機械位移，即可實現全光譜的快速檢測和分析，具有很高的光譜分辨率和工作可靠性。
文檔編號G02B27/42GK1415945SQ0213750
公開日2003年5月7日 申請日期2002年10月17日 優(yōu)先權日2002年10月17日
發(fā)明者陳良堯, 王松有, 鄭玉祥, 張榮君, 李晶, 楊月梅 申請人:復旦大學