專利名稱：高分辨率光譜測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜測量技術(shù)，特別是涉及一種用多個色散元件、光纖和面陣光敏元 件，如CCD、 CM0S、 PDA等來實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜測量的技術(shù)。
背景技術(shù)：
光譜測量裝置是應(yīng)用極廣泛的測量和分析儀器，在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)有的光譜測量裝置采用棱鏡或光柵等色散元件將入射光色散成組成入射光的光 譜。測量光譜有2類方法，1類是固定出射狹縫，在出射狹縫出口裝有光電探測元 件，如光電倍增管等。當(dāng)入射光經(jīng)過入射狹縫照射到色散元件時，旋轉(zhuǎn)色散元件， 使色散的光譜信號連續(xù)通過出射狹縫被狹縫出口安裝的光電探測元件接收，轉(zhuǎn)變成 電信號。另一類是用一線陣光敏元件，如線陣CCD，線陣CM0S，線陣光敏二極管PDA 等同時接收被色散元件色散的光譜信號，轉(zhuǎn)變成電信號。這是近年來得到迅速發(fā)展 的光纖光譜儀的基本原理。
在第一類方法中，如果用很窄的入射狹縫和出射狹縫結(jié)合較大的色散角，可以
實(shí)現(xiàn)高的光譜分辨率，但該類方法測量時間較長，光路復(fù)雜，不適合動態(tài)光譜或瞬 態(tài)光譜的測量。而且為得到高的光譜分辨率，必須采用很窄的入射狹縫和出射狹縫， 光能的利用率很低，不得不用光電倍增管、雪崩二極管等高靈敏度的光電探測元件 進(jìn)行測量。
在第二類方法中，光譜測量的分辨率主要取決于光柵的線對數(shù)，要測量的光譜 范圍，入射狹縫的寬度和CCD或其它光敏陣列元件的象素的尺寸和數(shù)目。在這類方 法中，光譜測量裝置可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)光譜或瞬態(tài)光譜的測量。但受CCD或其它光敏陣列元件制作工藝的限制，這類方法的光譜分辨率低于第一類方法，不能滿足某些即 需要高分辨率光譜測量，又要求測量時間很短的動態(tài)光譜或瞬態(tài)光譜測量的場合。
為克服這些矛盾，其它一些光譜測量方法被提出，如利用階梯光柵，獲得衍射 光譜的不同級光譜，對這些不同級的光譜進(jìn)行測量，可以雜得很嵩分辨率的光譜。 在德國專利DE 19620541 Al中提出了一種用階梯光柵和光纖實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜測量 的方法，在該專利中，申請人用階梯光柵獲得不同衍射級的色散光譜，然后將不同 衍射級色散的光譜用光纖引出，再進(jìn)行色散，獲得高分辨率的光譜。但這種高分辨 率光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能在 獲得高分辨率的同時，大幅度提高靈敏度的；能測量動態(tài)光譜或瞬態(tài)光譜的，且光 路比較簡單的高分辨率光譜測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種高分辨率光譜測量裝置，其特征 在于，由光入射端起依次包括入射透鏡、至少一套色散傳播部分、狹縫、終端色散 元件、面陣光敏元件，所述每套色散傳播部分由光輸入端起依次包括(第一)色散 元件、柱透鏡、由固定件固定的按直線排列的至少二根光纖束；
入射光經(jīng)入射透鏡后形成平行光照射到色散傳播部分的(第一)色散元件上進(jìn) 行分段，經(jīng)(第一)色散元件色散后的入射光(譜)經(jīng)柱透鏡聚焦后(分段)進(jìn)入 至少二根光纖束，光經(jīng)光纖束傳播后到達(dá)光纖出射端，再傳播到后一個色散傳播部 分的色散元件上進(jìn)行再分段，或者經(jīng)過狹縫到達(dá)終端色散元件，經(jīng)終端色散元件色 散的各個波段的光譜信號照射到面陣光敏元件上，由面陣光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號， 完成光譜的測量。
進(jìn)一步的，所述終端色散元件、色散傳播部分的色散元件包括棱鏡或反射光柵。進(jìn)一步的，所述反射光柵包括凹面反射光柵、需要在光路中增加凹面反射鏡和/
或匯聚透鏡的平面光柵。
進(jìn)一步的，所述面陣光敏元件包括面陣CCD、 CM0S、或面陣PDA等光敏元件。 進(jìn)一步的，所.述色散傳播部分的光纖出射端各光纖間應(yīng)當(dāng)保持(一定的)間隔， 進(jìn)一步的，所述色散傳播部分的光纖束的入射端為"之"字形光纖排列方式。 進(jìn)一步的，所述色散傳播部分的不同子波段的光纖的出射端安裝角按光柵對不
同波長光的色散角進(jìn)行安裝。
進(jìn)一步的，所述狹縫也對應(yīng)每根光纖分成不同部分進(jìn)行安裝。 利用本發(fā)明提供的高分辨率光譜測量裝置，由于采用將入射光色散后進(jìn)行分段
傳播、并分別在不同的光敏元件上轉(zhuǎn)換成電信號的光譜測量方式，使光譜測量既提
高了分辨率，又提高了靈敏度；由于采用面陣CCD、 CM0S、或面陣PDA等光敏元件，
每個光譜子波段可以由面陣光敏元件上的若干行象素同時探測，將其輸出信號疊加， 可以獲得高的靈敏度；由于將原光譜分解成若干個子光譜波段，每個光譜子波段的 波長范圍減小，這就可能采用較寬的入射狹縫，在獲得高分辨率的同時，大幅度提 高靈敏度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的用二個色散元件、多根光纖和一個面陣CCD構(gòu)成的高分
辨率光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實(shí)施例的光纖出射端布置方式示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的光纖入射端排列布置方式示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例的光纖出射端安裝角布置方式示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例的五個色散元件、多根光纖和二個面陣CCD構(gòu)成的高分辨
率光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于 限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，，.均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種高分辨率光譜測量裝置，包括了由2個或多個色散 元件，光纖束，CCD面陣、CMOS面陣或其它面陣光敏元件等組成的光色散及光譜 測量系統(tǒng)。
當(dāng)入射光經(jīng)過入射狹縫，照射到第一個色散元件后色散成為一連續(xù)或離散的光 譜，用若干根光導(dǎo)纖維接收該光譜，則將該光譜分解成了若干個子光波段，每根光 纖傳播l個子波段的光。將這若干個子光波段的光在照射到第2個色散元件，再度 色散，形成更精細(xì)的由若干個子波段光譜組成的2維光譜信號，該2維光譜信號由 面陣CCD或其它面陣光敏元件同時接收，就可以得到高分辨率的光譜測量。
如對于從紫外到近紅外光波段200—1100nm的光譜，在入射狹縫足夠窄的情況 下，采用4096個象素的CCD，目前采用線陣CCD或其它面陣光敏元件的光譜儀可 以得到的最高分辨率大約是0.4nm。如果需要更高的分辨率，就需要更多象素的線 陣CCD。
在本發(fā)明中，如果將該200— 1100nm波長范圍內(nèi)的光譜用第一個色散元件色散 成10個光譜子波段，用IO根光纖來分別接收這IO個光譜子波段的光信號，然后用 第二個色散元件將這10根光纖出來的光信號進(jìn)一步色散，形成10個子波段的光譜， 再將這10個子波段的光譜照射到一面陣CCD或其它面陣光敏元件上。假設(shè)該面陣 CCD的象素是4096X3100， IO個子波段的光譜寬度為(1100—200) /10=90nm，則 可能獲得的最高光譜分辨率可達(dá)0.03nm。要進(jìn)一步提高分辨率，可以用更多根光纖， 將第一個色散元件色散的光譜分解成更多個光譜子波段。如用20根光纖，則光譜分辨率可以達(dá)到0.015nm。
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種高分辨率光譜測量裝置，包括入射透 鏡l，第一色散元件棱鏡2，柱透鏡3，按直線排列的光纖束4，光纖束固定件5， 狹縫6，第二色散元件凹面光柵7，面陣CCD8。
入射光經(jīng)透鏡1—后形成平行光照射到第一色散元件棱鏡2上，經(jīng)棱鏡2色散后 的入射光譜經(jīng)柱透鏡3聚焦后進(jìn)入光纖束4，光經(jīng)光纖束4傳播后到達(dá)光纖固定件5 出射，經(jīng)過狹縫6到達(dá)第二色散元件凹面反射光柵7，經(jīng)凹面反射光柵色散的多個 波段的光譜信號照射到面陣CCD 8上，由面陣CCD上的光敏象素接收，轉(zhuǎn)換成電信 號，完成光譜的測量。
要提高光譜測量的分辨率，可以增加光纖的數(shù)目來得到更多個子波段光譜。為 防止各個波段光譜在面陣CCD上相互干擾，光纖出射端各光纖間應(yīng)保持一定的間隔， 如圖2所示。
為防止各光纖接收到的光譜信號不連續(xù)，無法在最終測得完整的光譜，在光纖 束的入射端可以采用如圖3所示的"之"字形光纖排列方式，各個光纖接收到的光 譜波段略有重合。這樣保證了最終測得的光譜是完整的光譜。
由于光柵7對不同波長光的色散角是不同的，為保證各個子波段光譜都能落在 面陣CCD或其它面陣光敏元件上，光纖固定件可以是按一定角度安裝，即不同子波 段的光纖的出射端安裝角按光柵對不同波長光的色散角來安裝，如圖4所示。在這 種安裝方式中，狹縫6也應(yīng)對應(yīng)每根光纖分成不同部分安裝。
在本發(fā)明中，凹面光柵可以換成平面光柵，但此時需要在光路中增加凹面反射 鏡和/或匯聚透鏡。
如圖5所示，本發(fā)明另一實(shí)施例所提供的一種高分辨率光譜測量的裝置，包括 入射透鏡la，第一色散元件棱鏡2a，柱透鏡3a，由2根光纖組成的光纖束4a和4b， 2個第二色散元件棱鏡5a和5b，由若干根光纖按直線排列的2根光纖束6a和6b，2個狹縫7a和7b，第三色散元件凹面反射光柵8a和8b，面陣CCD 9a和9b等。
入射光經(jīng)透鏡la后形成平行光照射到第一色散元件棱鏡2a上，經(jīng)棱鏡2a色 散后的入射光譜經(jīng)柱透鏡3a聚焦后分別進(jìn)入光纖4a和4b，光纖4a和光纖4b將整 個測量光譜分成2個波段，這2個波段的信號光譜在光纖，4a和4b'出口分別照射到 2個第二色散元件5a和5b，從5a和5b出來的色散后的光再分別經(jīng)由2束由若干根 光纖組成的光纖束6a和6b出射，經(jīng)過狹縫7a和7b到達(dá)第三色散元件凹面反射光 柵8a和8b，經(jīng)凹面反射光柵色散的多個波段的光譜信號分別照射到面陣CCD 9a和 9b上，由面陣CCD9a和9b上的光敏象素接收，轉(zhuǎn)換成電信號，完成光譜的測量。 色散元件8a和8b可以選用不同閃耀波長的光柵，以在各自的光譜波段范圍內(nèi)獲得 最大的色散效率。在6a和6b前應(yīng)該有柱透鏡，以提高光利用率。
在本實(shí)施例中，第二色散元件5a和5b可以是光柵，也可以是棱鏡。 在本實(shí)施例中，由于采用了 2套并行的色散光路和CCD，在CCD象素數(shù)不太多時， 也能獲得高的光譜分辨率。要獲得更高的分辨率和靈敏度時，可以用多套并行的色 散光路、光纖和CCD或其它光敏元件。
在本發(fā)明中，凹面光柵可以換成平面光柵，但此時需要在光路中增加凹面反射 鏡和/或匯聚透鏡。
權(quán)利要求
1、一種高分辨率光譜測量裝置，其特征在于，由光入射端起依次包括入射透鏡、至少一套色散傳播部分、狹縫、終端色散元件、面陣光敏元件，所述每套色散傳播部分由光輸入端起依次包括色散元件、柱透鏡、由固定件固定的至少二根光纖束；入射光經(jīng)入射透鏡后形成平行光照射到色散傳播部分的第一色散元件上進(jìn)行分段，經(jīng)第一色散元件色散后的入射光經(jīng)柱透鏡聚焦后分段進(jìn)入至少二根光纖束，再傳播到后一套色散傳播部分的色散元件上進(jìn)行再分段，或者經(jīng)過狹縫到達(dá)終端色散元件，經(jīng)終端色散元件色散的各個波段的光譜信號照射到面陣光敏元件上，由面陣光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號，完成光譜的測量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于，所述終端色散 元件、色散傳播部分的色散元件為棱鏡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于，所述終端色散 元件、色散傳播部分的色散元件為反射光柵。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于，所述反射光柵 包括凹面反射光柵、需要在光路中增加凹面反射鏡和/或匯聚透鏡的平面光柵。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于， 所述面陣光敏元件包括面陣CCD、 CM0S、或面陣PDA等光敏元件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于， 所述色散傳播部分的光纖出射端各光纖間應(yīng)當(dāng)保持間隔。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于， 所述色散傳播部分的光纖束的入射端為"之"字形光纖排列方式。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的高分辨率光譜測量裝置，其特征在于，所述色散傳播部分的不同子波段的光纖的出射端安裝角按光柵對不同波長光的色散 角進(jìn)行安裝。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的高分辨率光譜測量琴置，其特征在于，所述的光纖的出射端所需狹縫也對應(yīng)每根光纖分成不同部分進(jìn)行安裝。
全文摘要
一種高分辨率光譜測量裝置，涉及光譜測量技術(shù)領(lǐng)域；所要解決的是提高靈敏度和分辨率的光譜測量技術(shù)問題；該測量裝置由光入射端起依次包括入射透鏡、多套色散傳播部分、狹縫、終端色散元件、面陣光敏元件，所述每套色散傳播部分由光輸入端起依次包括色散元件、柱透鏡、按直線排列的多根光纖束；入射光經(jīng)入射透鏡后形成平行光照射到第一色散元件上進(jìn)行分段，經(jīng)第一色散元件色散后的入射光經(jīng)柱透鏡聚焦后分段進(jìn)入多根光纖束，再傳播到后一套色散傳播部分的色散元件上進(jìn)行再分段，或者經(jīng)過狹縫到達(dá)終端色散元件，再照射到面陣光敏元件上轉(zhuǎn)換成電信號，完成光譜的測量。本發(fā)明具有高分辨率、高靈敏度，能測量動態(tài)光譜或瞬態(tài)光譜的特點(diǎn)。
文檔編號G01J3/42GK101281061SQ200810032679
公開日2008年10月8日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者蔡小舒 申請人:蔡小舒