一種高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法以及光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法以及光譜儀，使用凹面光柵、兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器搭建光譜儀，包括以下步驟：1)確定波長(zhǎng)λ2和λ3的值，將整個(gè)光譜檢測(cè)范圍劃分為兩個(gè)波段范圍；2)根據(jù)兩個(gè)波段范圍復(fù)用一個(gè)光探測(cè)器的原則，由兩個(gè)入射狹縫的入射角滿足的光柵方程確定兩個(gè)入射角之間的關(guān)系式；3)確定得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；4)根據(jù)所述記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的凹面光柵；5)根據(jù)所述使用結(jié)構(gòu)參數(shù)初值確定兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得到的光譜儀，能提高大部分光譜區(qū)域內(nèi)的分辨率。
【專利說明】一種高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法以及光譜儀 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜儀的設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種使用凹面光柵的光譜儀的設(shè)計(jì)方 法以及光譜儀。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近年來，由于環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、科技農(nóng)業(yè)、軍事分析以及工業(yè)流程監(jiān)控等一些 需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試的應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室中的大型光譜儀器已難以滿足上述實(shí) 際使用要求。開發(fā)便攜式小型光譜儀器產(chǎn)品具有重要的實(shí)際意義以及廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn) 有小型光譜儀中，有使用凹面光柵進(jìn)行搭建的光譜儀，通常包括凹面光柵、入射狹縫和光探 測(cè)器。通過對(duì)凹面光柵的制作參數(shù)、入射狹縫的入射角度以及各器件之間的相對(duì)位置進(jìn)行 設(shè)計(jì)調(diào)整，從而搭建光譜儀，實(shí)現(xiàn)在某一波段范圍內(nèi)的光波檢測(cè)。然而，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法下 搭建的光譜儀，雖然能實(shí)現(xiàn)寬光譜區(qū)域的光波檢測(cè)，但在光譜檢測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的分辨率卻 較低，無法滿足高要求的應(yīng)用。目前，對(duì)于光譜儀分辨率的提高，單純依靠?jī)?yōu)化凹面光柵的 像質(zhì)不可能無限制提高光柵的分辨率。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光譜儀的設(shè) 計(jì)方法及光譜儀，在大部分光譜區(qū)域內(nèi)具有較高的分辨率，且光譜儀成本也不會(huì)增加太多。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
[0005] -種高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，通過設(shè)計(jì)，使用凹面光柵、兩個(gè)入射狹縫和一個(gè) 光探測(cè)器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測(cè)范圍為A 1?λ4;所述設(shè)計(jì)方法包括以下 步驟：1)確定波長(zhǎng)λ 2和λ 3的值，將整個(gè)光譜檢測(cè)范圍劃分為兩個(gè)波段范圍，分別為λ i? 入2和λ3?λ4;其中，A1C λ2< λ3< λ4;2)根據(jù)兩個(gè)波段范圍復(fù)用一個(gè)光探測(cè)器的 原則，由兩個(gè)入射狹縫的入射角滿足的光柵方程確定兩個(gè)入射角之間的關(guān)系式；3)根據(jù)光 譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)和步驟1)確定的四個(gè)波長(zhǎng)值，步驟2)中確定的兩個(gè)入射角之間的關(guān) 系式，基于光程函數(shù)級(jí)數(shù)展開法，確定得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；4)根據(jù)步驟3) 得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的凹面光柵；5)根據(jù)步 驟3)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述凹面光柵的位 置，從而搭建得到光譜儀。
[0006] -種高分辨率光譜儀，包括凹面光柵、兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器，所述凹面光 柵的制作參數(shù)以及兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述凹面光柵的位置根據(jù)如上所 述的設(shè)計(jì)方法確定得到。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明的光譜儀的設(shè)計(jì)方法，先確定光譜檢測(cè)區(qū)域λ4)內(nèi)的截止點(diǎn)\2和 λ 3，然后根據(jù)兩個(gè)波段范圍復(fù)用一個(gè)光探測(cè)器的原則確定兩個(gè)入射狹縫的入射角之間的 關(guān)系式，進(jìn)而根據(jù)確定的兩個(gè)入射角的關(guān)系式和四個(gè)波長(zhǎng)值進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，得到記錄結(jié)構(gòu) 參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而確定凹面光柵的結(jié)構(gòu)以及凹面光柵與兩個(gè)入射狹縫、一個(gè)光探 測(cè)器之間的相對(duì)位置，搭建得到光譜儀。該搭建的光譜儀能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，檢測(cè)A1?λ4 范圍內(nèi)的光波。本發(fā)明的光譜儀實(shí)現(xiàn)雙入射狹縫入射，且兩個(gè)入射角滿足一定關(guān)系，相對(duì)于 傳統(tǒng)的光譜儀僅通過一個(gè)入射狹縫，本發(fā)明的光譜儀通過兩個(gè)入射狹縫分別對(duì)兩個(gè)波段進(jìn) 行光譜檢測(cè)，光譜儀設(shè)計(jì)時(shí)分別針對(duì)兩個(gè)入射狹縫的兩個(gè)波段A 1?λ2、λ3?λ4進(jìn)行設(shè) 計(jì)，相對(duì)于現(xiàn)有設(shè)計(jì)時(shí)僅通過一個(gè)入射狹縫針對(duì)整個(gè)波段A 1?\ 4進(jìn)行設(shè)計(jì)，本發(fā)明的光 譜儀能更好的擬合各個(gè)波長(zhǎng)處的最佳成像點(diǎn)，從而光譜儀在整個(gè)光波檢測(cè)范圍內(nèi)的分辨率 較高。本發(fā)明改善光譜儀分辨率時(shí)，僅需增加一個(gè)入射狹縫而不需要額外添加其它元件，光 譜儀體積和成本得到有效控制。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0009] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的光譜儀設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0011] 圖3是發(fā)明【具體實(shí)施方式】中新結(jié)構(gòu)的光譜儀與普通光譜儀在各波長(zhǎng)處的分辨率 對(duì)比示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0012] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013] 如圖1所示，為本【具體實(shí)施方式】要設(shè)計(jì)的光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖。光譜儀包括 兩個(gè)入射狹縫、凹面光柵和一個(gè)光探測(cè)器。光探測(cè)器優(yōu)選的可以采用光電倍增管、熱電探測(cè) 器、半導(dǎo)體光探測(cè)器或者CCD(Charge-coupled Device,電荷稱合器件）陣列探測(cè)器，但并 非限制于這幾種。圖1中，ApA2為入射狹縫，B1B 2為整個(gè)光探測(cè)器，光探測(cè)器上B1B4區(qū)域?qū)?應(yīng)波長(zhǎng)范圍為λ 3?λ 4的光譜檢測(cè)、B3B2區(qū)域?qū)?yīng)波長(zhǎng)范圍為λ i?λ 2的光譜區(qū)域。以 凹面光柵G的中心0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，依光的傳播方向，在光路上依次設(shè)置入射狹 縫、凹面光柵G和光探測(cè)器B 1B2。凹面光柵G的參數(shù)以及入射狹縫、光探測(cè)器的位置通過如下 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到，從而搭建出能夠檢測(cè)波長(zhǎng)范圍在A 1?λ4的光波的凹面光柵光譜儀。 經(jīng)設(shè)計(jì)搭建，第一入射狹縫A1經(jīng)凹面光柵G匯聚分光后出射的光線照射到光探測(cè)器B 1B2上 的B3B2區(qū)域，波長(zhǎng)范圍為A 1?λ2;第二入射狹縫A2經(jīng)凹面光柵G匯聚分光后出射的光線 照射到光探測(cè)器B 1B2上的B1B4區(qū)域，波長(zhǎng)范圍為λ3?λ 4，其中，A1CA2S λ3<λ4。
[0014] 設(shè)計(jì)方法的流程圖如圖2所示，包括以下步驟：
[0015] Pl)確定波長(zhǎng)\ 2和λ3的值，將整個(gè)光譜檢測(cè)范圍劃分為兩個(gè)波段范圍，分別為 入1 ?λ2 和 λ3?λ4;其中，λ^< λ3< λ4。
[0016] 本步驟中，確定兩個(gè)入射狹縫分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍，具體地根據(jù)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì) 光譜儀的目標(biāo)要求來確定。例如希望光譜檢測(cè)重點(diǎn)關(guān)注檢測(cè)范圍內(nèi)的某兩個(gè)小段區(qū)間時(shí)， 可相應(yīng)取\ 2和λ3的值，從而劃分為對(duì)應(yīng)的兩個(gè)小段區(qū)間。當(dāng)取λ2= \3時(shí)，兩個(gè)波段范 圍共同覆蓋整個(gè)光譜檢測(cè)范圍。優(yōu)選地，將整個(gè)光譜檢測(cè)范圍等分，均分為兩個(gè)波段范圍， 使兩個(gè)入射狹縫分別對(duì)應(yīng)檢測(cè)一半。此時(shí)，
【權(quán)利要求】
1. 一種高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：通過設(shè)計(jì)，使用凹面光柵、兩個(gè)入射 狹縫和一個(gè)光探測(cè)器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測(cè)范圍為A1?λ4;所述設(shè)計(jì)方 法包括以下步驟： 1) 確定波長(zhǎng)\2和λ3的值，將整個(gè)光譜檢測(cè)范圍劃分為兩個(gè)波段范圍，分別為A1? λ2和λ3?λ4 ;其中，λ^< λ3<λ4; 2) 根據(jù)兩個(gè)波段范圍復(fù)用一個(gè)光探測(cè)器的原則，由兩個(gè)入射狹縫的入射角滿足的光柵 方程確定兩個(gè)入射角之間的關(guān)系式； 3) 根據(jù)光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)和步驟1)確定的四個(gè)波長(zhǎng)值，步驟2)中確定的兩個(gè)入 射角之間的關(guān)系式，基于光程函數(shù)級(jí)數(shù)展開法，確定得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)； 4) 根據(jù)步驟3)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的 凹面光柵； 5) 根據(jù)步驟3)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述 凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟2)中， .,, .,, }}} , , fftAn 具體按照如下方程確定：sm 十sm，sm +sm6^2=--L ' -dd sinθΒλ1 =sinθΒλ2，其中，m =l，d表示光柵常數(shù)，ΘA1表示第一入射狹縫的入射角度，θA2 表示第二入射狹縫的入射角度；θΒλ1表示波長(zhǎng)為λi的光波通過第一入射狹縫時(shí)的出射角 度，θΒλ2表示波長(zhǎng)為λ2的光波通過第二入射狹縫時(shí)的出射角度；化簡(jiǎn)后可得兩入射狹縫 Λ-A,,) 的入射角的關(guān)系式為：sin6^2=sm汐," +---- rk L· /11 J 〇 d
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟1)中根 據(jù)如下公式確定波長(zhǎng)λ2的值：人=& = 從而使整個(gè)光譜檢測(cè)范圍均分為兩 個(gè)波段范圍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟5)包括 對(duì)步驟3)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMX軟件進(jìn)行優(yōu)化后得到優(yōu)化后的使 用結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化后的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)確定兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述凹 面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光譜儀的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：所述步驟1)中， 所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)包括光譜檢測(cè)范圍值，所述凹面光柵的曝光波長(zhǎng)、工作級(jí)次、邊 長(zhǎng)、基底曲率半徑、光柵常數(shù)，所述兩個(gè)入射狹縫的寬度。
6. -種高分辨率光譜儀，其特征在于：包括凹面光柵、兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器， 所述凹面光柵的制作參數(shù)以及兩個(gè)入射狹縫和一個(gè)光探測(cè)器相對(duì)于所述凹面光柵的位置 根據(jù)權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法確定得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分辨率光譜儀，其特征在于：所述光探測(cè)器為光電倍增管、 熱電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器或CCD陣列探測(cè)器。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK104316182SQ201410626161
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】倪凱, 周倩, 逄錦超, 張錦超, 田瑞, 許明飛, 董昊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院