一種凹面光柵光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種凹面光柵光譜儀，包括入射狹縫、凹面光柵、遮光板、反射鏡和光探測(cè)器，光探測(cè)器直接接收光譜中的短波段，反射鏡將光譜中的長(zhǎng)波段反射到光探測(cè)器上，使得短波段與長(zhǎng)波段復(fù)用一個(gè)光探測(cè)器，并且，光探測(cè)器和反射鏡的位置滿足入射到光探測(cè)器上的短波段和長(zhǎng)波段在檢測(cè)時(shí)不相互干擾的條件；遮光板可活動(dòng)地設(shè)于凹面光柵與光探測(cè)器之間的光路上，當(dāng)需要檢測(cè)短波段光波時(shí)，遮光板切換至第一位置，以使短波段入射到光探測(cè)器，同時(shí)阻礙長(zhǎng)波段入射到光探測(cè)器；當(dāng)需要檢測(cè)長(zhǎng)波段光波時(shí)，遮光板切換至第二位置，以使長(zhǎng)波段入射到光探測(cè)器，同時(shí)阻礙短波段入射到光探測(cè)器。本發(fā)明的光譜儀能夠在保持原體積基本不變的前提下大大提高光譜分辨率。
【專利說(shuō)明】一種凹面光柵光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光柵制作領(lǐng)域，尤其涉及一種凹面光柵光譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光譜儀性能的不斷提高、功能的不斷完善，儀器體積也變得越來(lái)越笨重龐大， 雖然可以滿足室內(nèi)高精度科學(xué)分析的需要，但是在室外的應(yīng)用卻受到了極大的限制，具有 檢測(cè)不及時(shí)、不準(zhǔn)確，甚至是不可能等缺點(diǎn)。近年來(lái)，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。
[0003] 但是分辨率與光譜儀的體積又相互關(guān)聯(lián)，目前提高小型光譜儀分辨率的方法，都 在一定程度上增加了光譜儀的體積。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于提出一種能夠在保持體積不變的前提下提高光譜分辨率 的凹面光柵光譜儀，以解決現(xiàn)有的小型光譜儀存在的儀器體積隨分辨率提高而增大的問(wèn) 題。
[0005] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0006] -種凹面光柵光譜儀，包括依光的傳播方向依次設(shè)置于光路上的入射狹縫、凹面 光柵和光探測(cè)器，所述光探測(cè)器用于接收具有第一波長(zhǎng)范圍的短波段光線；所述光譜儀還 包括遮光板和反射鏡；所述反射鏡設(shè)于所述凹面光柵與所述光探測(cè)器之間的光路上，用 于將具有第二波長(zhǎng)范圍的長(zhǎng)波段光線反射到所述光探測(cè)器上，其中所述第一波長(zhǎng)范圍為 λ2，所述第二波長(zhǎng)范圍為λ3?λ4，且λ1<λ 2<λ3< λ4，使得所述短波段光線 與所述長(zhǎng)波段光線復(fù)用所述光探測(cè)器，并且，所述光探測(cè)器和所述反射鏡的位置滿足入射 到所述光探測(cè)器上的所述短波段光線和所述長(zhǎng)波段光線在檢測(cè)時(shí)互不干擾；所述遮光板可 活動(dòng)地設(shè)于所述凹面光柵與所述光探測(cè)器之間的光路上，當(dāng)需要檢測(cè)所述短波段光線時(shí)， 所述遮光板切換至第一位置，以使所述短波段光線入射到所述光探測(cè)器，同時(shí)阻礙所述長(zhǎng) 波段光線入射到所述光探測(cè)器；當(dāng)需要檢測(cè)所述長(zhǎng)波段光線時(shí)，所述遮光板切換至第二位 置，以使所述長(zhǎng)波段光線入射到所述光探測(cè)器，同時(shí)阻礙所述短波段光線入射到所述光探 測(cè)器。
[0007] 優(yōu)選地，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。
[0008] 優(yōu)選地，所述凹面光柵的制作結(jié)構(gòu)參數(shù)中，工作級(jí)次為+1，曝光波長(zhǎng)為紫外激光波 段。
[0009] 本發(fā)明提出的凹面光柵光譜儀，針對(duì)待檢測(cè)的光譜，經(jīng)凹面光柵分光匯聚后出射 的光線中的短波段光線直接入射到光探測(cè)器，而光線中的長(zhǎng)波段光線通過(guò)反射鏡反射到光 探測(cè)器，短波段和長(zhǎng)波段的光線都用同一個(gè)光探測(cè)器來(lái)檢測(cè)，原本用于直接接收凹面光柵 出射的長(zhǎng)波段光線的探測(cè)器即可省略，從而可以減小儀器的體積，遮光板的設(shè)置避免了長(zhǎng) 波段光線和短波段光線的相互干擾，遮光板和反射鏡的位置在光探測(cè)器與凹面光柵之間， 并不產(chǎn)生新的空間需求。從而，針對(duì)同一待測(cè)光譜，光探測(cè)器的長(zhǎng)度（或數(shù)量）可大大減少， 即在保持同樣的分辨率條件下，光譜儀的體積因光探測(cè)器的長(zhǎng)度（或數(shù)量）減少而減小，換 言之，在體積不變的情況下，本發(fā)明的光譜儀能獲得更高的光譜分辨率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是無(wú)反射鏡和遮光板時(shí)光譜儀的光路示意簡(jiǎn)圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明提供的凹面光柵光譜儀的光路示意簡(jiǎn)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面對(duì)照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013] 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】提供一種凹面光柵光譜儀，包括入射狹縫、凹面光柵和光 探測(cè)器，參考圖1，圖中A點(diǎn)為入射點(diǎn)。依光的傳播方向，在光路上依次設(shè)置所述入射狹縫、 凹面光柵G和光探測(cè)器&B 2。其中，對(duì)于經(jīng)凹面光柵G匯聚分光后出射的光線，波長(zhǎng)范圍為 λ4，光探測(cè)器能夠直接接收具有第一波長(zhǎng)范圍λ2的短波段光線，而具有 第二波長(zhǎng)范圍λ3?λ4的長(zhǎng)波段光線通過(guò)設(shè)置在凹面光柵G與光探測(cè)器&Β2之間光路上 的反射鏡M 2反射后，到達(dá)所述光探測(cè)器&B2，使得所述短波段光線與所述長(zhǎng)波段光線復(fù)用 所述光探測(cè)器&B 2，并且，所述光探測(cè)器&B2和所述反射鏡M2的位置滿足入射到所述光探測(cè) 器BiB 2上的所述短波段光線和所述長(zhǎng)波段光線在檢測(cè)時(shí)互不干擾；其中，λ2< λ3 < λ 4。為了使復(fù)用同一個(gè)光探測(cè)器&Β2的長(zhǎng)波段光線和短波段光線不相互干擾，在所述凹 面光柵G與光探測(cè)器&B 2之間的光路上設(shè)置有遮光板A，當(dāng)需要檢測(cè)所述短波段光線時(shí)，所 述遮光板札切換至第一位置C&，以使所述短波段光線入射到所述光探測(cè)器ΒΛ，同時(shí)阻礙 所述長(zhǎng)波段光線入射到所述光探測(cè)器&B 2 ;當(dāng)需要檢測(cè)所述長(zhǎng)波段光線時(shí)，所述遮光板札 切換至第二位置C/ C2'，以使所述長(zhǎng)波段光線入射到所述光探測(cè)器&B2，同時(shí)阻礙所述短波 段光線入射到所述光探測(cè)器&B 2。
[0014] 其中，所述光探測(cè)器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CCD陣 列探測(cè)器等，不限于此。
[0015] 上述方案提供的凹面光柵光譜儀，其工作原理如下：
[0016] 如圖2所示，待檢測(cè)的光源從A點(diǎn)處射出，經(jīng)凹面光柵G的分光并進(jìn)行匯聚的作用 下形成波長(zhǎng)范圍為\ 4的光譜區(qū)。光探測(cè)器&B2能夠接收波長(zhǎng)范圍λ2的短波 段光線（光譜區(qū)域?qū)挾葹椋?3)，卻不能接收波長(zhǎng)范圍\ 4的全部光譜區(qū)域，此時(shí)通過(guò) 反射鏡M2的反射作用，將原本會(huì)漏檢的長(zhǎng)波段λ 3?λ 4的長(zhǎng)波段光線反射到光探測(cè)器&B2 上，當(dāng)檢測(cè)短波段入2的光線時(shí)，通過(guò)將遮光板札置于CiC2位置，以擋住長(zhǎng)波段λ3? 入 4的光線，避免長(zhǎng)波段和短波段的光線在光探測(cè)器BA上重疊，相互干擾從而影響檢測(cè)結(jié) 果；反之，當(dāng)檢測(cè)長(zhǎng)波段λ 3?λ 4的光線時(shí)，通過(guò)將遮光板叫切換到C/ C2'位置，以擋住 短波段λ2的光線，避免長(zhǎng)波段和短波段的光線在光探測(cè)器&B 2上重疊，相互干擾從 而影響檢測(cè)結(jié)果。相比于圖1中所示的光譜儀，同樣的光譜范圍，圖1中的光譜儀需要多加 一個(gè)（此處僅是舉例，非限制，也有可能需要增加多個(gè)）用來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)波段λ3?λ4的光線 的光探測(cè)器Β/Β2'。如此一來(lái)，雖圖1和圖2中的光譜儀都能檢測(cè)波長(zhǎng)范圍λ i?λ4的光 譜區(qū)域，兩者雖具有同樣的光譜分辨率，但因圖1中的光譜儀比本發(fā)明提供的光譜儀（圖2 所示）多出了光探測(cè)器Β/ Β2'，而眾所周知，增加光探測(cè)器的同時(shí)會(huì)增加光譜儀的體積，因 此，與圖1中的光譜儀具有同樣分辨率的情況下，本發(fā)明的光譜儀需要的光探測(cè)器長(zhǎng)度（或 數(shù)目）更小，從而具有更小的儀器體積。換言之，若本發(fā)明的光譜儀與圖1中的光譜儀一樣 采用相同長(zhǎng)度（或數(shù)目）的光探測(cè)器，且待測(cè)光譜區(qū)域相同，則由于本發(fā)明的光譜儀采用了 反射鏡并配合遮光板，使得同樣的光譜被分得更細(xì)，即光譜分辨率更高。
[0017] 所述光探測(cè)器優(yōu)選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，但并非限制于前述幾種。其檢測(cè) 的波長(zhǎng)范圍為190nm?800nm，即前述的λ ρ λ 2、λ 3及λ 4的范圍為190nm?800nm。
[0018] 本【具體實(shí)施方式】中提出的如圖2所示的凹面光柵光譜儀，其中光探測(cè)器&B2以及 反射鏡M 2的位置滿足：在分別檢測(cè)長(zhǎng)波段光線與短波段光線時(shí)，能使二者不相互干擾。
[0019] 光探測(cè)器&B2以及反射鏡M2位置的確定，優(yōu)選地可以采用光程函數(shù)級(jí)數(shù)展開法來(lái) 找出能使光線像差最小的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及制作結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足的條件，由此得到光譜 儀的制作結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而確定入射狹縫、凹面光柵G和光探測(cè)器Bp 2的位置，然后再將入射 狹縫、凹面光柵G和光探測(cè)器&B2的參數(shù)分別代入短波段和長(zhǎng)波段的ZEMAX文件中，利用 ZEMAX進(jìn)行優(yōu)化以確定反射鏡的最終位置，反射鏡的初始位置在光探測(cè)器&B2和B/ B2'構(gòu) 成的夾角的角平分線上。需要說(shuō)明，圖2中的光探測(cè)器B/ B2'為已省去不用的，所以以虛 線表示。
[0020] 例如：針對(duì)需要檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍（或稱光譜范圍）190nm?800nm，首先基于凹面 光柵（以正方形為例）的初始值（包括曝光波長(zhǎng)、工作級(jí)次、邊長(zhǎng)、基底曲率半徑），利用全 息法制作凹面光柵，得到凹面光柵的制作結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括下述表2中的 Γι、θ2)，
[0021] 表1所示為凹面光柵光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)：
[0022] 表 1
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種凹面光柵光譜儀，其特征在于：包括依光的傳播方向依次設(shè)置于光路上的入射 狹縫、凹面光柵和光探測(cè)器，所述光探測(cè)器用于接收具有第一波長(zhǎng)范圍的短波段光線； 所述光譜儀還包括遮光板和反射鏡； 所述反射鏡設(shè)于所述凹面光柵與所述光探測(cè)器之間的光路上，用于將具有第二波長(zhǎng)范 圍的長(zhǎng)波段光線反射到所述光探測(cè)器上，其中所述第一波長(zhǎng)范圍為λ2，所述第二波 長(zhǎng)范圍*λ3?λ 4，且λ1<λ2<λ3<λ4，使得所述短波段光線與所述長(zhǎng)波段光線復(fù)用 所述光探測(cè)器，并且，所述光探測(cè)器和所述反射鏡的位置滿足入射到所述光探測(cè)器上的所 述短波段光線和所述長(zhǎng)波段光線在檢測(cè)時(shí)互不干擾； 所述遮光板可活動(dòng)地設(shè)于所述凹面光柵與所述光探測(cè)器之間的光路上，當(dāng)需要檢測(cè)所 述短波段光線時(shí)，所述遮光板切換至第一位置，以使所述短波段光線入射到所述光探測(cè)器， 同時(shí)阻礙所述長(zhǎng)波段光線入射到所述光探測(cè)器；當(dāng)需要檢測(cè)所述長(zhǎng)波段光線時(shí)，所述遮光 板切換至第二位置，以使所述長(zhǎng)波段光線入射到所述光探測(cè)器，同時(shí)阻礙所述短波段光線 入射到所述光探測(cè)器。
2. 如權(quán)利要求1所述的凹面光柵光譜儀，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。
3. 如權(quán)利要求1所述的凹面光柵光譜儀，其特征在于：所述凹面光柵的制作結(jié)構(gòu)參數(shù) 中，工作級(jí)次為+1，曝光波長(zhǎng)為紫外激光波段。
【文檔編號(hào)】G01J3/02GK104048757SQ201410284375
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】周倩, 倪凱, 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