本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀。

背景技術(shù)：

光譜測量和分析儀器，主流的技術(shù)方案有兩類，第一類是以單色儀進(jìn)行波長掃描，以單通道光探測器逐個(gè)波長接收，繪出光譜圖；第二類是以光柵將所有波長同時(shí)色散展開，以一個(gè)線陣光探測器同時(shí)接收所有波長的光功率，繪出光譜圖。第一類光譜儀采用串行信號(hào)處理方式，光譜分辨率較高，但繪制一張光譜圖需要較長時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)快速處理的需求，并且為了實(shí)現(xiàn)寬光譜測量范圍，往往需要采用多級波長掃描裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性差；第二類光譜儀采用并行信號(hào)處理方式，光譜分辨率較低，但光譜分析速度快，可以滿足實(shí)時(shí)快速光譜分析的需求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的優(yōu)勢。

基于光柵和線陣光探測器的第二類光譜儀，一般采用Czerny-Turner型光學(xué)系統(tǒng)，從狹縫入射的光信號(hào)，首先被一個(gè)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光，入射在一個(gè)反射式光柵上，不同波長的光信號(hào)被色散展開為不同衍射角，再由一個(gè)聚焦鏡將不同波長的光信號(hào)聚焦到線陣光探測器上的不同位置，從而檢測各個(gè)波長的光信號(hào)強(qiáng)度，繪出光譜圖。為了矯正光學(xué)系統(tǒng)的像散(光學(xué)像差的一種)，往往在聚焦鏡與線陣光探測器之間加入一個(gè)凹形柱面反射鏡。

除光學(xué)系統(tǒng)的像差之外，從原理上影響第二類光譜儀分辨率的主要因素有兩個(gè)。其一，為了保證一定的入射光通量，光譜儀的入射狹縫應(yīng)有一定的寬度，因此經(jīng)準(zhǔn)直之后不能得到理想的平行光，導(dǎo)致同一個(gè)波長的光信號(hào)最終在線陣光探測器上不能聚焦為一個(gè)理想線譜，而是存在一定的譜線彌散效應(yīng)。其二，線陣光探測器，通常采用CCD(電荷耦合元件，以下將第二類光譜儀稱為線陣CCD型光譜儀)，都是由一個(gè)個(gè)像素構(gòu)成，每個(gè)像素都有一定的尺寸，因此靠得很近的兩條譜線，會(huì)聚焦在同一個(gè)像素上，不能完全分辨開。

現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)一般采用Czerny-Turner型光學(xué)系統(tǒng)，從狹縫入射的光信號(hào)，首先被一個(gè)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光，入射在一個(gè)反射式光柵上，不同波長的光信號(hào)被色散展開為不同衍射角，再由一個(gè)聚焦鏡將不同波長的光信號(hào)聚焦到線陣CCD上的不同位置，從而檢測各個(gè)波長的光信號(hào)強(qiáng)度。然而，現(xiàn)有的線陣CCD光譜儀存在波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種寬光譜高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，旨在解決現(xiàn)有的線陣CCD光譜儀存在的波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題。

本發(fā)明提供了一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，包括：入射模塊、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；所述準(zhǔn)直鏡設(shè)置在所述入射模塊的出射光路上，所述光柵設(shè)置在所述準(zhǔn)直鏡的出射光路上，所述聚焦鏡設(shè)置在所述光柵的出射光路上，所述線陣CCD芯片設(shè)置在所述聚焦鏡的出射光路上；入射模塊用于將光譜儀的工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，并控制每次只有一個(gè)子波段的光束出射；所述準(zhǔn)直鏡用于將所述入射模塊的出射光準(zhǔn)直后以不同傾角入射在所述光柵上，以不同傾角入射的不同子波段的光束的中心波長具有相同的衍射角，經(jīng)所述光柵反射的光再經(jīng)所述聚焦鏡后投射在所述線陣CCD芯片上。

更進(jìn)一步地，所述入射模塊與所述準(zhǔn)直鏡之間的距離為所述聚焦鏡與所述線陣CCD芯片的距離為其中，f₁為準(zhǔn)直鏡焦距，α₁為準(zhǔn)直鏡離軸角，f₂為聚焦鏡焦距，α₂為聚焦鏡離軸角。

更進(jìn)一步地，所述入射模塊包括：狹縫陣列、濾光片陣列和活動(dòng)光闌；所述狹縫陣列設(shè)置在垂直于光軸的方向上；所述濾光片陣列設(shè)置于所述狹縫陣列之前或之后，且所述濾光片陣列中每個(gè)子濾光片與所述狹縫陣列中的每個(gè)狹縫一一對應(yīng)；所述活動(dòng)光闌設(shè)置于所述濾光片陣列之后。

更進(jìn)一步地，所述入射模塊包括：狹縫陣列、濾光片陣列和活動(dòng)光闌；所述狹縫陣列設(shè)置在垂直于光軸的方向上；所述濾光片陣列設(shè)置于所述狹縫陣列之前或之后，且所述濾光片陣列中每個(gè)子濾光片與所述狹縫陣列中的每個(gè)狹縫一一對應(yīng)；所述活動(dòng)光闌設(shè)置于所述狹縫陣列之前。

更進(jìn)一步地，所述濾光片陣列中子濾光片的數(shù)量與所述狹縫陣列中狹縫的數(shù)量相同。

更進(jìn)一步地，每個(gè)子濾光片的帶通范圍對應(yīng)一個(gè)子波段范圍。

更進(jìn)一步地，所述狹縫陣列中各個(gè)狹縫與光軸的距離按其子波段中心波長衍射角相等的原則確定。

更進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)直鏡為透鏡式準(zhǔn)直鏡，所述透鏡式準(zhǔn)直鏡與所述狹縫陣列共光軸設(shè)置。

更進(jìn)一步地，所述準(zhǔn)直鏡為反射式準(zhǔn)直鏡，所述反射式準(zhǔn)直鏡的反射面正對所述狹縫陣列的中心。

更進(jìn)一步地，所述活動(dòng)光闌用于控制每個(gè)子波段的光束依次進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)；活動(dòng)光闌包括：光闌和步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)用于控制所述光闌的運(yùn)動(dòng)方向及距離。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了一個(gè)狹縫陣列+帶通濾光片+活動(dòng)光闌組合結(jié)構(gòu)代替單個(gè)狹縫，將工作波段分割成數(shù)個(gè)子波段，實(shí)現(xiàn)了光譜的波段分割技術(shù)；設(shè)計(jì)使不同子波段光線以不同的入射角入射、以相同的衍射角出射，實(shí)現(xiàn)了光柵的空分復(fù)用技術(shù)。本發(fā)明通過光譜的波段分割技術(shù)及光柵的空分復(fù)用技術(shù)克服了傳統(tǒng)線陣CCD型光譜儀波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題，大幅提升了光譜儀的分辨率和靈敏度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的透射式的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的反射式的線陣CCD型光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為光柵的空分復(fù)用原理；

圖4為光譜的波段分割方法—透射式；

圖5為光譜的波段分割方法—反射式；

圖6為現(xiàn)有的光纖輸入方式；

圖7為本發(fā)明的光纖輸入方式；

圖8為帶通濾光片的透射譜。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

由于波長分辨率是光譜儀最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一，對于線陣CCD型光譜儀，除了光學(xué)系統(tǒng)的像差之外，從工作原理上影響波長分辨率的主要因素有兩個(gè)：其一是線陣CCD芯片上的像素?cái)?shù)量是有限的，波長非常靠近的兩支譜線聚焦在同一個(gè)像素上，不能完全分辨開；其二是考慮入射光通量，狹縫總有一定寬度，因此準(zhǔn)直之后不能得到理想平行光，最終在線陣CCD芯片上不能聚焦為一個(gè)理想線譜，而是存在一定的彌散效應(yīng)。針對這兩個(gè)影響因素，提高“像素?cái)?shù)量/單位譜寬”這個(gè)比值，總是能夠提高光譜儀的分辨率。

通過周期為d的光柵將譜寬為Δλ的復(fù)色光色散展開之后，經(jīng)過焦距為f的聚焦鏡，投射在線陣CCD芯片上，線陣CCD芯片上的像素間距為P，像素?cái)?shù)量為N，則各參數(shù)之間存在關(guān)系式(1)，其中θ_c為中心波長的衍射角。

一般而言，聚焦在線陣CCD芯片上兩個(gè)相鄰像素上的兩條譜線，能夠被完全分辨開，而聚焦在同一個(gè)像素上的兩條譜線，只要不是靠得太近，通過一定的算法處理，也可能被分辨開。假如通過算法處理，能夠分辨的最小譜線間距為δx＝αP，其中α為小于1的小數(shù)，這兩條譜線對應(yīng)的波長間隔為δλ，也就是光譜儀的波長分辨率，則各參數(shù)之間存在關(guān)系式(2)：結(jié)合式(1)和(2)可以得到：

注意其中Δλ為入射光信號(hào)的譜寬，δλ為光譜儀的波長分辨率，N為線陣CCD芯片的像素?cái)?shù)量，α為通過算法處理之后能夠分辨的譜線間距(以像素間距歸一化之后)。

由此可知，基于現(xiàn)有的線陣CCD型光譜儀技術(shù)方案，光信號(hào)的譜寬Δλ與波長分辨率δλ為正比關(guān)系，要想提高光譜儀的工作譜寬，就必須犧牲波長分辨率(δλ越小越好)。

本發(fā)明提供的寬光譜高分辨率的光譜儀可以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、天文觀測、地礦勘探和石油化工等領(lǐng)域。

本發(fā)明提出的寬光譜高分辨率的光譜儀包括：狹縫陣列、濾光片陣列、活動(dòng)光闌、準(zhǔn)直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；其中，狹縫陣列在垂直于光軸的方向上排列，濾光片陣列緊貼置于狹縫陣列后，每個(gè)子濾光片與每個(gè)狹縫一一對應(yīng)，活動(dòng)光闌置于濾光片陣列之后(或狹縫陣列之前)，光線經(jīng)狹縫陣列+帶通濾光片陣列+活動(dòng)光闌組成的入射模塊后入射至準(zhǔn)直鏡，入射模塊與準(zhǔn)直鏡距離由準(zhǔn)直鏡焦距及其離軸角度決定，光線經(jīng)準(zhǔn)直鏡后入射至光柵，經(jīng)光柵后入射至聚焦鏡，使光線聚焦在CCD芯片上，聚焦鏡與CCD的距離由聚焦鏡焦距及其離軸角度決定。狹縫陣列的各狹縫與光軸的距離按其子波段中心波長衍射角相等的原則確定；濾光片陣列由多個(gè)不同波長的濾光片組成，其數(shù)量與狹縫數(shù)量相同，每個(gè)濾光片的帶通范圍對應(yīng)一個(gè)子波段范圍；每個(gè)濾光片設(shè)在一個(gè)狹縫之后，用于選擇性的通過各個(gè)子波段的光；各子波段的波長范圍可以部分交疊，但全部子波段應(yīng)覆蓋所測對象光譜范圍；活動(dòng)光闌由一個(gè)電子機(jī)械元件控制其運(yùn)動(dòng)方向，用于控制每個(gè)子波段的光束依次進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)；對于透射式結(jié)構(gòu)，球面準(zhǔn)直透鏡與狹縫陣列共光軸，用于將通過活動(dòng)光闌的光準(zhǔn)直后入射至光柵，光柵設(shè)在準(zhǔn)直鏡透射光路上，用于將準(zhǔn)直后的入射光，反射到設(shè)置在光柵衍射光路上的的球面聚焦透鏡上，在空間上將不同波長的入射光予以分離，聚焦鏡將光柵反射來的光束聚焦于所述CCD芯片；對于反射式結(jié)構(gòu)，球面準(zhǔn)直反射鏡的反射面正對狹縫陣列中心，用于將通過活動(dòng)光闌的光準(zhǔn)直后，反射到光柵；光柵設(shè)在準(zhǔn)直鏡反射光路上，用于將準(zhǔn)直鏡反射來的入射光，反射到與其錯(cuò)位相對設(shè)置的聚焦鏡，所述聚焦鏡為一球面反射鏡，用于將光柵反射來的光束，反射聚焦于所述CCD芯片。

本發(fā)明提出一種光柵的空分復(fù)用技術(shù)以及光譜的波段分割技術(shù)。本發(fā)明將光譜儀工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，然后讓不同子波段的光束以不同的傾角入射在反射光柵上，根據(jù)光柵的衍射特性，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)，可以讓這些以不同傾角入射的不同子波段的光束，其中心波長具有相同的衍射角，因而每個(gè)子波段的衍射角范圍相近，都能在聚焦之后，依次被線陣CCD芯片接收。因此在線陣CCD芯片的像素?cái)?shù)量相同的情況下，為單位寬度的光譜分配的像素?cái)?shù)量增加，光譜儀的分辨率得到大幅提升；同時(shí)，由于采用了波段分割技術(shù)，可以選用色散較大、線數(shù)較多的光柵，從而提高光譜儀的靈敏度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了一個(gè)狹縫陣列+帶通濾光片+活動(dòng)光闌組合結(jié)構(gòu)代替單個(gè)狹縫，將工作波段分割成數(shù)個(gè)子波段，實(shí)現(xiàn)了光譜的波段分割技術(shù)；設(shè)計(jì)使不同子波段以不同的入射角入射、以相同的衍射角出射，實(shí)現(xiàn)了光柵的空分復(fù)用技術(shù)。因此，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)線陣CCD型光譜儀波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題，大幅提升了光譜儀的分辨率和靈敏度。

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，現(xiàn)結(jié)合附圖詳述如下：

本發(fā)明提出一種寬光譜高分辨率的光譜儀結(jié)構(gòu)，采用光譜的波段分割技術(shù)和光柵的空間復(fù)用技術(shù)，在保證寬光譜工作的條件下，可以大幅提高光譜儀的波長分辨率。圖1為本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀之透射式結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不同的是，此處以一個(gè)狹縫陣列+帶通濾光片+活動(dòng)光闌組合結(jié)構(gòu)(為方便敘述，后面簡稱入射模塊)代替單個(gè)狹縫，作為光譜儀的入射端。入射模塊將光譜儀的工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，各個(gè)子波段與狹縫一一對應(yīng)，每次只讓一個(gè)子波段的光束從其中一個(gè)狹縫入射。由于每個(gè)狹縫的離軸距離不同，因此每個(gè)子波段的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直之后，以不同傾角入射在光柵上，再經(jīng)聚焦鏡投射在線陣CCD芯片上，繪出該子波段的光譜圖。之后通過入射模塊選擇下一個(gè)子波段的入射光束，被準(zhǔn)直之后以另一個(gè)傾角入射在光柵上，而衍射角范圍與其他子波段相同，被線陣CCD芯片檢測之后，繪出下一個(gè)子波段的光譜圖。如此繼續(xù)，繪出所有子波段的光譜圖之后，拼接出整個(gè)工作波段的光譜圖。

為簡化起見，圖1中只畫出了每個(gè)子波段中心波長的光路，聚焦于線陣CCD芯片的中心像素上，其他波長的光將沿CCD芯片表面色散展開。

圖2為本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀之反射式結(jié)構(gòu)，與圖1不同之處僅在于準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡均由透鏡更換為凹面反射鏡，反射式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

前面提到，本發(fā)明的線陣CCD型光譜儀采用了光柵的空分復(fù)用技術(shù)，每個(gè)子波段的光束，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直之后，將以不同的傾角入射在光柵上，而衍射角范圍相近，聚焦之后，均能被線陣CCD芯片接收。圖3所示為光柵的空分復(fù)用技術(shù)原理，波長λ₁、λ₂的兩束光分別以傾角i₁、i₂入射，而衍射角同樣為θ。根據(jù)光柵方程(1)和(2)，給定兩束光的波長λ₁、λ₂，只要適當(dāng)設(shè)計(jì)光柵參數(shù)d(光柵周期)并選擇入射角i₁、i₂，可以得到相同的衍射角θ。

d(sinθ-sini₁)＝λ₁……(4)

d(sinθ-sini₂)＝λ₂……(5)

圖3中展示的是兩個(gè)不同波長的單色光的空分復(fù)用情況，而本發(fā)明的應(yīng)用背景是，不同子波段的光束以不同傾角入射在光柵上，根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，讓各個(gè)子波段的中心波長具有相同的衍射角，則各個(gè)子波段的衍射角范圍相近(考慮光柵色散特性的非線性，各子波段非中心波長的衍射角會(huì)有細(xì)微差異)，經(jīng)過聚焦之后，均能被線陣CCD芯片接收。

圖4展示的是實(shí)現(xiàn)波段分割的透射式結(jié)構(gòu)，為方便顯示，圖中只畫出了狹縫陣列中的兩個(gè)狹縫。每個(gè)狹縫之前或者之后緊貼一個(gè)帶通濾光片，每個(gè)濾光片的通帶范圍各不相同，將光譜儀的工作波段劃分為數(shù)個(gè)子波段，各濾光片的帶通范圍即為各子波段的波長范圍；在狹縫陣列之前或者之后安裝一個(gè)活動(dòng)光闌，可以沿狹縫正交方向平移，一次只讓一個(gè)狹縫的入射光通過，其他狹縫的入射光則被阻擋。通過狹縫陣列、帶通濾光片和活動(dòng)光闌組成的入射模塊，可以將光譜儀的工作波段劃分為數(shù)個(gè)子波段，每次只讓其中一個(gè)子波段的光束通過其中一個(gè)狹縫，入射到光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)中。圖中λ₁和λ₂分別為兩個(gè)子波段的中心波長，可以看到，由于二者入射狹縫的離軸距離不同，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直之后，成為不同傾角的平行光。參考圖3，結(jié)合光柵的空分復(fù)用技術(shù)，這些不同子波段、不同傾角的光束入射在光柵上，將產(chǎn)生相近的衍射角范圍，聚焦之后投射在線陣CCD芯片上。

圖5展示的是實(shí)現(xiàn)波段分割的反射式結(jié)構(gòu)，與圖4不同之處僅在于準(zhǔn)直鏡由透鏡更換為凹面反射鏡，反射式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。

為便于應(yīng)用，線陣CCD型光譜儀常采用光纖采集信號(hào)光，現(xiàn)有技術(shù)方案中，光信號(hào)從光纖進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，光纖端面緊貼狹縫。本發(fā)明采用狹縫陣列作為入射端，為保證每個(gè)狹縫均有光信號(hào)照射，采用圖7所示輸入結(jié)構(gòu)，在狹縫陣列之前安裝一個(gè)透鏡，而光纖端面位于透鏡的前焦面處，光纖輸出的光束首先被透鏡準(zhǔn)直，照射所有狹縫，再由入射模塊選擇一個(gè)狹縫的光信號(hào)進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。

圖8所示為本發(fā)明所采用的帶通型濾光片的透射光譜，所需濾光片的數(shù)量取決于狹縫數(shù)量，并根據(jù)對光譜儀工作波段的分割情況，決定每個(gè)帶通濾光片的中心波長λ_ic及兩側(cè)截止波長λ_is、λ_il。且與濾波片對應(yīng)的子波段波長范圍為(λ_is，λ_il)。

工作時(shí)，入射光經(jīng)過狹縫陣列進(jìn)入光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，由于狹縫陣列前面或者后面，緊貼一個(gè)帶通濾光片，隨著電子機(jī)械元件的控制，不同子波段的光束依次通過活動(dòng)光闌，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，反射在光柵上；由于入射光束離光軸的垂直距離不同，因此不同子波段的光束將以不同的入射角被反射在光柵的反射表面，由其反射并在空間上分離后，子波段中心波長以相同的衍射角反射到聚焦鏡，由聚焦鏡聚焦后，投射在線陣CCD芯片上；隨著電子機(jī)械元件控制，入射光譜的各子波段的光束逐一投射在線陣CCD芯片上，從而實(shí)現(xiàn)了寬光譜高分辨率的光譜測量。

綜上所述，本發(fā)明基于光譜的波段分割技術(shù)和光柵的空分復(fù)用技術(shù)，將光譜儀的工作波段分割為數(shù)個(gè)子波段，逐個(gè)將這些子波段的光信號(hào)導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)，繪出每個(gè)子波段光譜圖，并最終拼接出整個(gè)工作波段的光譜圖。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。