专利名称：扩展光谱仪光谱测量范围方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱仪器与光谱测量技术领域，具体地，涉及一种扩展光谱仪光谱测量范围的方法及相应的实现系统。
背景技术：
光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它是应用光学技术及光谱技术原理，对物质结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大和样品用量少等特点。空间分光型的光谱仪器从结构上主要分为机械扫描模式和阵列探测模式。机械扫描模式的光谱仪器通常采用步进电机加丝杆的结构，通过转动光栅分时获得不同波长光谱的信息，探测器通常采用光电池或者光电倍增管，机械扫描模式的光谱仪测量精度高、分辨率高、动态范围大、信噪比高等特点，但测量速度较慢，全谱扫描时间一般为数分钟。而阵 列探测模式的光谱仪器采用固定光路系统结构，无需机械运动和扫描，运用阵列型探测器进行快速的电信号扫描与测量，其最大的优势是结构简单牢固，测量速度很快，非常适于做成便携式和微小型化光谱仪器。阵列式光谱仪大多采用电荷稱合器件CCD (Charge-coupled Device)阵列探测器或者光电二极管阵列(Photodiode Array, PDA)探测器，也有采用面阵CMOS传感探测器。CCD传感器具有高灵敏度、低暗电流和低噪声等优点，缺点是CCD传感器的系统功耗大，很难实现单片系统集成，CCD光敏单元阵列难于与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能，这些功能包括模/数转换器、精密放大器、存贮器、运算单元等元件的功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压。米用标准的CMOS (complementary metal oxide semiconductor)技术能够将传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片系统。因此，CMOS传感器与CCD传感器相比，具有功耗低、系统尺寸小、可将信号处理电路与传感器集成在一个芯片上等优点，但其暗电流和噪声较大，灵敏度较低。由于具有上述特点，CMOS传感器适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。目前的光纤光谱仪基本上都以CCD为探测器，如海洋光学、必达泰克、爱万提斯等光纤光谱仪均以CCD为探测器，大多数用线阵CCD，少数用面阵CCD。阵列光谱探测模式下，光谱范围与光谱分辨率是一对矛盾，由于受到阵列探测器自身尺寸和分辨率的限制，一般以CCD/PDA/CM0S为探测器的阵列式光谱仪器或者光谱范围较小，或者光谱分辨率较低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种的扩展光谱仪光谱测量范围方法及系统，该方法在光谱分辨率基本不变的情况下扩展光谱测量范围。为了达到这样的目的，本发明采用以下技术方案本发明所述一种的扩展光谱仪光谱测量范围方法，采用切分球面反射镜产生两束或多束的平行光，令其以不同的角度入射光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时切分得到的两个或以上的球面反射镜的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度放置，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱；或者将两块或以上的光栅按不同的角度安装，使入射光栅的平行光以不同的角度入射于光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时两块或以上光栅的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度放置，以获得上下错开排列的两段或以上以上光谱，由面阵探测器或多个线阵探测器探测。本发明在保持光谱分辨率基本不变的情况下，扩展光谱仪光谱测量范围。 根据光栅衍射方程d (sini 土 sin β ) =k λ，其中，d为光栅常数，i为入射角(入射光与光栅法线的夹角)，β为衍射角(衍射光与光栅的夹角)，因此，在其他条件相同的情况下，·改变入射角i或光栅常数d，可以在相同的衍射角β位置获得不同的衍射波长λ，即可以在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围。应用中可以通过切分反射镜产生两束或多束的平行光，令其以不同的角度入射光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围；也可以通过切分光栅按不同的角度安装，使入射光栅的平行光以不同的角度入射光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围。优选地，一种扩展光谱仪光谱测量范围的方法，所述方法包括如下步骤第一步，将被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在两个或以上准直镜上；第二步，两个或以上准直镜对入射光进行准直使其成为两束或以上平行光，两束或以上平行光分别以一定角度照射在光栅上；第三步，光栅对入射光进行衍射，衍射后的光进入聚焦镜；第四步，聚焦镜对入射光进行聚焦形成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。本发明所述的一种扩展光谱仪光谱测量范围的系统，该系统包括球面反射镜、入射狭缝、两个或以上准直镜、光栅、聚焦镜以及探测器；被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在两个或以上准直镜上，经过两个或以上准直镜准直成为两束或以上平行光，两束或以上平行光分别以一定角度照射在光栅上，经由光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。优选的，为了获得上下错开的两排或以上光谱，两个或以上准直镜需错开成一定的角度放置，使得输出的平行光以不同的角度入射光栅，这样在相同的衍射角可以获得两段或以上不同的光谱段，并且两个或以上准直镜的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱。优选地，一种扩展光谱仪光谱测量范围的方法，所述方法包括如下步骤第一步，将被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在准直镜上；
第二步，准直镜对入射光进行准直使其成为一束平行光，平行光以不同角度照射在两个或以上光栅上；第三步，两个或以上光栅对入射光进行衍射，衍射后的光进入聚焦镜；第四步，聚焦镜对入射光进行聚焦行成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。本发明所述的一种扩展光谱仪光谱测量范围的系统，该系统包括球面反射镜、入射狭缝、准直镜、两个或以上光栅、聚焦镜以及探测器；被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在准直镜上，经过准直镜准直成为一束平行光，平行光以不同角度照射在两个或以上光栅上，经由两个或以上光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
优选的，为了获得上下错开的两排或以上光谱，两个或以上光栅需错开成一定的角度放置，使得平行光以不同的角度入射两个或以上光栅，这样在某一出射角度可以获得两段或以上不同光谱范围的光谱，并且两个或以上光栅的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果在保持光谱分辨率基本不变的情况下，扩展光谱仪光谱测量范围。由于阵列形光谱仪没有波长扫描机构，全谱范围同时测量，这种结构的光谱仪的测量光谱范围与光谱分辨率是一对矛盾，对于选定的探测器，为了获得更宽的光谱范围，往往要牺牲光谱分辨率，反之，为了获得更高的光谱分辨率，只能缩小光谱范围。本发明在保持光谱分辨率基本不变的情况下，可以将光谱仪光谱测量范围扩展大致2倍甚至以上。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显图I为本发明切分准直反射镜的光谱测量光路示意图。图I中，I为光源，2为球面反射镜，3为狭缝，4-1为准直镜A，4-1为准直镜B，6为聚焦镜，7为面阵探测器，8为光谱面。图2为本发明切分光栅的光谱测量光路示意图。图2中，I为光源，2为球面反射镜，3为狭缝，4为准直镜，5-1为光栅A，5-2为光栅B，6为聚焦镜，7为面阵探测器，8为光谱面。图3为本发明实施方案切分准直镜交叉光路光谱测量光路示意图。图3中，I为光源，2为球面反射镜，3为狭缝，4-1为准直镜A，4_1为准直镜B，6为聚焦镜，7为面阵探测器。图4为本发明实施方案由光纤导光的切分准直镜交叉光路光谱测量光路示意图。图4中，I为光源，2为导光纤维，3为狭缝，4-1为准直镜A，4-1为准直镜B，6为聚焦镜，7为面阵探测器。
图5为本发明实施方案光栅安装示意图。
图6为本发明实施方案测得的汞灯谱的光谱图像。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例I如图I所示，本实施例中采用切分准直反射镜进行光谱测量。本实施例中，被测光源I发出的光经球面反射镜2会聚于入射狭缝3，光经过入射狭缝3后照射在准直镜4-1和4-2上，经过准直镜4-1和4-2准直成为两束平行光，两束平行光分别以一定角度照射在光栅上，经由光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排光谱，该光谱由面阵探测器探测。
本实施例中，为了获得上下错开的两排光谱，准直镜4-1和4-2需错开成一定的角度放置，使得输出的平行光以不同的角度入射光栅，这样在相同的衍射角可以获得两段不同的光谱段，并且准直镜4-1和4-2的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段光谱。准直镜4 一般为球面反射镜，也可以是抛物面镜，准直镜4-1和4-2为同一个球面反射镜或者抛物面镜的两个部分。既可以采用平行光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的同一侧，也可以采用交叉光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的两侧，交叉光路的排列方式有利于光谱仪结构的小型化。结合附图1，准直镜4-1和4-2错开一定的角度放置，输出的平行光分别以^和i2的角度入射光栅5，以角度β衍射的光经聚焦镜6后，会聚到面阵探测器7上，由于准直镜4-1和4-2的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，以角度β衍射的光经聚焦镜6后，实际上会聚到面阵探测器7的不同高度位置上，如面阵探测器7的正视图像8所示。按照本实施例中所采用的技术，切分反射镜的数量可以不限于两块。实施例2如图2所示，本实施例中采用切分光栅进行光谱测量。本实施例中，被测光源I发出的光经球面反射镜2会聚于入射狭缝3，光经过入射狭缝3后照射在准直镜4上，经过准直镜4准直成为一束平行光，平行光以不同角度照射在光栅5-1和5-2上，经由光栅5-1和5-2衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排光谱，该光谱由面阵探测器探测。本实施例中，为了获得上下错开的两排光谱，光栅5-1和5-2需错开成一定的角度放置，使得平行光以不同的角度入射光栅5-1和5-2，这样在某一出射角度可以获得两段不同光谱范围的光谱，并且光栅5-1和5-2的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段光谱。本实施例中，光栅5 —般为平面反射光栅，光栅5-1和5-2为光栅常数相同、闪耀波长和闪耀角不同的两块光栅；也可以是光栅常数、闪耀波长和闪耀角均相同的两块光栅；也可以是光栅常数、闪耀波长和闪耀角均不同的两块光栅；或是光栅常数、闪耀波长和闪耀角均不同的两块光栅；也可以是制作在同一块玻璃基底上的两光栅元件，两光栅平面之间具有一定的夹角，并且两光栅平面的法线也不共面，相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，如附图5所示，这两光栅的光栅常数、闪耀波长和闪耀角可以相同，也可以不同。光路既可以采用平行光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的同一侧，也可以采用交叉光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的两侧。结合附图2，光栅5-1和5-2错开成一定的角度放置，使得平行光分别以不同的角度I1和i2入射光栅5-1和5-2，以角度β i和β 2衍射的光经聚焦镜6后会聚到面阵探测器7上，由于光栅5-1和5-2的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，以角度β i和β 2衍射的光经聚焦镜6后，实际上会聚到面阵探测器7的不同高度位置上，如面阵探测器7的正视图像8所示。按照本实施例中所采用的技术，光栅数量可以不限于两块。实施例3
本实施例中，一种高分辨光谱测量光路的实施例的光路如附图3，被测光源I发出的光经球面反射镜2聚焦于入射狭缝3，光经过入射狭缝3后照射在准直镜4-1和4-2上，经过准直镜4-1和4-2准直成为两束平行光，两束平行光分别以一定角度照射在光栅上，经由光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排光谱，该光谱由面阵探测器探测。为了获得上下错开的两排光谱，准直镜4-1和4-2需错开成一定的角度放置，使得输出的平行光以不同的角度入射光栅，这样在相同的衍射角可以获得两段不同的光谱段，并且准直镜4-1和4-2的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段光谱。准直镜4 一般为球面反射镜，也可以是抛物面镜，准直镜4-1和4-2为同一个球面反射镜或者抛物面镜的两个部分。该实施例采用了交叉光路，即聚焦镜与探测器位于光栅的两侧，这种排列方式有利于光谱仪结构的小型化。本实施例采用了如附图3的光路结构，测得的汞灯谱的光谱图像如附图6，光源I选用5w汞灯，会聚球面反射镜I焦距为f = 5cm,准直球面反射镜4-1和4_2的焦距为f =IOcm,光栅5选择300刻线/mm的平面光栅，聚焦球面反射镜6焦距为f = 5cm。面阵CMOS探测器7采用的是MT9M001C12STM，像素大小为5. 2 μ mX 5. 2 μ m，共1280 X 1024个像元。该测量装置的光谱测量范围为380nm-800nm，光谱带宽约6nm。实施例4本实施例中，另一种高分辨光谱测量光路的实施例的光路如附图4，与附图3的不同之处在于采用了光导纤维2将光源发出的光导入光谱仪，这种方式对光源的放置位置没有限制，具有更大的灵活性。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种扩展光谱仪光谱测量范围的方法，其特征在于，采用切分球面反射镜产生两束或多束的平行光，令其以不同的角度入射光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时切分得到的两块或以上球面反射镜的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度放置，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱；或者将两块或以上的光栅按不同的角度安装，使入射光栅的平行光以不同的角度入射于光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时两块或以上光栅的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度放置，以获得上下错开排列的两段或以上光谱，由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
2.根据权利要求I所述的扩展光谱仪光谱测量范围的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 第一步，将被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在两个或以上准直镜上； 第二步，两个或以上准直镜对入射光进行准直使其成为两束或以上平行光，两束或以上平行光分别以一定角度照射在光栅上； 第三步，光栅对入射光进行衍射，衍射后的光进入聚焦镜； 第四步，聚焦镜对入射光进行聚焦形成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
3.一种用于实现利要求2所述方法的系统，其特征在于，该系统包括球面反射镜、入射狭缝、两个或以上准直镜、光栅、聚焦镜以及探测器；被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在两个或以上准直镜上，经过两个或以上准直镜准直成为两束或以上平行光，两束或以上平行光分别以一定角度照射在光栅上，经由光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述两个或以上准直镜错开成一定的角度放置，使得输出的平行光以不同的角度入射光栅，这样在相同的衍射角获得两段或以上不同的光谱段，并且两个或以上准直镜的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述两个或以上准直镜为球面反射镜或抛物面镜，两个或以上准直镜为同一个球面反射镜或者抛物面镜的两个或以上部分；所述两个或以上准直镜采用平行光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的同一侧；或采用交叉光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的两侧。
6.根据权利要求I所述的扩展光谱仪光谱测量范围的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 第一步，将被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在准直镜上； 第二步，准直镜对入射光进行准直使其成为一束平行光，平行光以不同角度照射在两个或以上光栅上； 第三步，两个或以上光栅对入射光进行衍射，衍射后的光进入聚焦镜； 第四步，聚焦镜对入射光进行聚焦行成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
7.一种用于实现权利要求6所述方法的系统，其特征在于，该系统包括球面反射镜、入射狭缝、准直镜、两个或以上光栅、聚焦镜以及探测器；被测光源发出的光经球面反射镜会聚于入射狭缝，光经过入射狭缝后照射在准直镜上，经过准直镜准直成为一束平行光，平行光以不同角度照射在两个或以上光栅上，经由两个或以上光栅衍射的光被聚焦镜聚焦成上下错开的两排或以上光谱，该光谱由面阵探测器或多个线阵探测器探测。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述两个或以上光栅错开成一定的角度放置，使得平行光以不同的角度入射两个或以上光栅，这样在某一出射角度获得两段或以上不同光谱范围的光谱，并且两个或以上光栅的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述光栅为平面反射光栅，两个或以上光栅为光栅常数相同、闪耀波长和闪耀角不同的两块或以上光栅；或是光栅常数、闪耀波长和闪耀角均相同的两块或以上光栅；或是光栅常数、闪耀波长和闪耀角均不同的两块或以上光栅；或者是制作在同一块玻璃基底上的两块或以上光栅元件，两块或以上光栅平面之间具有一定的夹角，并且两块或以上光栅平面的法线也不共面，相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度，这两块或以上光栅的光栅常数、闪耀波长和闪耀角相同或不同。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述两块或以上光栅光路采用平行光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的同一侧；或采用交叉光路，即聚焦镜与探测器位于光栅法线的两侧。
全文摘要
本发明提供了一种扩展光谱仪光谱测量范围方法及系统，采用切分球面反射镜产生两束或多束的平行光，令其以不同的角度入射光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时切分得到的两块或以上球面反射镜的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一个很小的倾斜角度放置，这样可以获得上下错开排列的两段或以上光谱；或者将两块或以上的光栅按不同的角度安装，使入射光栅的平行光以不同的角度入射于光栅，在相同的衍射角度范围获得不同的衍射波长范围，同时两块或以上光栅的法线相对于弧矢面分别向上和向下有一倾斜角度放置，以获得上下错开排列的两段或以上光谱，由探测器探测。本发明在光谱分辨率基本不变的情况下扩展了光谱测量范围。
文档编号G01J3/28GK102967365SQ201210378650
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者黄梅珍, 汪洋, 孙小小, 管相宇, 刘天元 申请人:上海交通大学