一种凹面光栅光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种凹面光栅光谱仪，包括入射狭缝、凹面光栅、遮光板、反射镜和光探测器，光探测器直接接收光谱中的短波段，反射镜将光谱中的长波段反射到光探测器上，使得短波段与长波段复用一个光探测器，并且，光探测器和反射镜的位置满足入射到光探测器上的短波段和长波段在检测时不相互干扰的条件；遮光板可活动地设于凹面光栅与光探测器之间的光路上，当需要检测短波段光波时，遮光板切换至第一位置，以使短波段入射到光探测器，同时阻碍长波段入射到光探测器；当需要检测长波段光波时，遮光板切换至第二位置，以使长波段入射到光探测器，同时阻碍短波段入射到光探测器。本发明的光谱仪能够在保持原体积基本不变的前提下大大提高光谱分辨率。
【专利说明】一种凹面光栅光谱仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光栅制作领域，尤其涉及一种凹面光栅光谱仪。
【背景技术】
[0002] 随着光谱仪性能的不断提高、功能的不断完善，仪器体积也变得越来越笨重庞大， 虽然可以满足室内高精度科学分析的需要，但是在室外的应用却受到了极大的限制，具有 检测不及时、不准确，甚至是不可能等缺点。近年来，由于环境检测、生物医学、科技农业、军 事分析以及工业流程监控等一些需要现场实时测试的应用领域的现代化发展，实验室中的 大型光谱仪器已难以满足上述实际使用要求。开发便携式小型光谱仪器产品具有重要的实 际意义以及广阔的市场前景。
[0003] 但是分辨率与光谱仪的体积又相互关联，目前提高小型光谱仪分辨率的方法，都 在一定程度上增加了光谱仪的体积。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于提出一种能够在保持体积不变的前提下提高光谱分辨率 的凹面光栅光谱仪，以解决现有的小型光谱仪存在的仪器体积随分辨率提高而增大的问 题。
[0005] 本发明提供的技术方案如下：
[0006] -种凹面光栅光谱仪，包括依光的传播方向依次设置于光路上的入射狭缝、凹面 光栅和光探测器，所述光探测器用于接收具有第一波长范围的短波段光线；所述光谱仪还 包括遮光板和反射镜；所述反射镜设于所述凹面光栅与所述光探测器之间的光路上，用 于将具有第二波长范围的长波段光线反射到所述光探测器上，其中所述第一波长范围为 λ2，所述第二波长范围为λ3?λ4，且λ1<λ 2<λ3< λ4，使得所述短波段光线 与所述长波段光线复用所述光探测器，并且，所述光探测器和所述反射镜的位置满足入射 到所述光探测器上的所述短波段光线和所述长波段光线在检测时互不干扰；所述遮光板可 活动地设于所述凹面光栅与所述光探测器之间的光路上，当需要检测所述短波段光线时， 所述遮光板切换至第一位置，以使所述短波段光线入射到所述光探测器，同时阻碍所述长 波段光线入射到所述光探测器；当需要检测所述长波段光线时，所述遮光板切换至第二位 置，以使所述长波段光线入射到所述光探测器，同时阻碍所述短波段光线入射到所述光探 测器。
[0007] 优选地，所述光探测器为光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器或CCD阵列探 测器。
[0008] 优选地，所述凹面光栅的制作结构参数中，工作级次为+1，曝光波长为紫外激光波 段。
[0009] 本发明提出的凹面光栅光谱仪，针对待检测的光谱，经凹面光栅分光汇聚后出射 的光线中的短波段光线直接入射到光探测器，而光线中的长波段光线通过反射镜反射到光 探测器，短波段和长波段的光线都用同一个光探测器来检测，原本用于直接接收凹面光栅 出射的长波段光线的探测器即可省略，从而可以减小仪器的体积，遮光板的设置避免了长 波段光线和短波段光线的相互干扰，遮光板和反射镜的位置在光探测器与凹面光栅之间， 并不产生新的空间需求。从而，针对同一待测光谱，光探测器的长度（或数量）可大大减少， 即在保持同样的分辨率条件下，光谱仪的体积因光探测器的长度（或数量）减少而减小，换 言之，在体积不变的情况下，本发明的光谱仪能获得更高的光谱分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是无反射镜和遮光板时光谱仪的光路示意简图；
[0011] 图2是本发明提供的凹面光栅光谱仪的光路示意简图。
【具体实施方式】
[0012] 下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
[0013] 本发明的【具体实施方式】提供一种凹面光栅光谱仪，包括入射狭缝、凹面光栅和光 探测器，参考图1，图中A点为入射点。依光的传播方向，在光路上依次设置所述入射狭缝、 凹面光栅G和光探测器&B 2。其中，对于经凹面光栅G汇聚分光后出射的光线，波长范围为 λ4，光探测器能够直接接收具有第一波长范围λ2的短波段光线，而具有 第二波长范围λ3?λ4的长波段光线通过设置在凹面光栅G与光探测器&Β2之间光路上 的反射镜M 2反射后，到达所述光探测器&B2，使得所述短波段光线与所述长波段光线复用 所述光探测器&B 2，并且，所述光探测器&B2和所述反射镜M2的位置满足入射到所述光探测 器BiB 2上的所述短波段光线和所述长波段光线在检测时互不干扰；其中，λ2< λ3 < λ 4。为了使复用同一个光探测器&Β2的长波段光线和短波段光线不相互干扰，在所述凹 面光栅G与光探测器&B 2之间的光路上设置有遮光板A，当需要检测所述短波段光线时，所 述遮光板札切换至第一位置C&，以使所述短波段光线入射到所述光探测器ΒΛ，同时阻碍 所述长波段光线入射到所述光探测器&B 2 ;当需要检测所述长波段光线时，所述遮光板札 切换至第二位置C/ C2'，以使所述长波段光线入射到所述光探测器&B2，同时阻碍所述短波 段光线入射到所述光探测器&B 2。
[0014] 其中，所述光探测器可以采用光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器或CCD阵 列探测器等，不限于此。
[0015] 上述方案提供的凹面光栅光谱仪，其工作原理如下：
[0016] 如图2所示，待检测的光源从A点处射出，经凹面光栅G的分光并进行汇聚的作用 下形成波长范围为\ 4的光谱区。光探测器&B2能够接收波长范围λ2的短波 段光线（光谱区域宽度为￥ 3)，却不能接收波长范围\ 4的全部光谱区域，此时通过 反射镜M2的反射作用，将原本会漏检的长波段λ 3?λ 4的长波段光线反射到光探测器&B2 上，当检测短波段入2的光线时，通过将遮光板札置于CiC2位置，以挡住长波段λ3? 入 4的光线，避免长波段和短波段的光线在光探测器BA上重叠，相互干扰从而影响检测结 果；反之，当检测长波段λ 3?λ 4的光线时，通过将遮光板叫切换到C/ C2'位置，以挡住 短波段λ2的光线，避免长波段和短波段的光线在光探测器&B 2上重叠，相互干扰从 而影响检测结果。相比于图1中所示的光谱仪，同样的光谱范围，图1中的光谱仪需要多加 一个（此处仅是举例，非限制，也有可能需要增加多个）用来检测长波段λ3?λ4的光线 的光探测器Β/Β2'。如此一来，虽图1和图2中的光谱仪都能检测波长范围λ i?λ4的光 谱区域，两者虽具有同样的光谱分辨率，但因图1中的光谱仪比本发明提供的光谱仪（图2 所示）多出了光探测器Β/ Β2'，而众所周知，增加光探测器的同时会增加光谱仪的体积，因 此，与图1中的光谱仪具有同样分辨率的情况下，本发明的光谱仪需要的光探测器长度（或 数目）更小，从而具有更小的仪器体积。换言之，若本发明的光谱仪与图1中的光谱仪一样 采用相同长度（或数目）的光探测器，且待测光谱区域相同，则由于本发明的光谱仪采用了 反射镜并配合遮光板，使得同样的光谱被分得更细，即光谱分辨率更高。
[0017] 所述光探测器优选可以采用光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器或者 CCD (Charge-coupled Device，电荷稱合器件）阵列探测器，但并非限制于前述几种。其检测 的波长范围为190nm?800nm，即前述的λ ρ λ 2、λ 3及λ 4的范围为190nm?800nm。
[0018] 本【具体实施方式】中提出的如图2所示的凹面光栅光谱仪，其中光探测器&B2以及 反射镜M 2的位置满足：在分别检测长波段光线与短波段光线时，能使二者不相互干扰。
[0019] 光探测器&B2以及反射镜M2位置的确定，优选地可以采用光程函数级数展开法来 找出能使光线像差最小的使用结构参数，以及制作结构参数应满足的条件，由此得到光谱 仪的制作结构参数，从而确定入射狭缝、凹面光栅G和光探测器Bp 2的位置，然后再将入射 狭缝、凹面光栅G和光探测器&B2的参数分别代入短波段和长波段的ZEMAX文件中，利用 ZEMAX进行优化以确定反射镜的最终位置，反射镜的初始位置在光探测器&B2和B/ B2'构 成的夹角的角平分线上。需要说明，图2中的光探测器B/ B2'为已省去不用的，所以以虚 线表示。
[0020] 例如：针对需要检测的波长范围（或称光谱范围）190nm?800nm，首先基于凹面 光栅（以正方形为例）的初始值（包括曝光波长、工作级次、边长、基底曲率半径），利用全 息法制作凹面光栅，得到凹面光栅的制作结构参数（包括下述表2中的 Γι、θ2)，
[0021] 表1所示为凹面光栅光谱仪的固定结构参数：
[0022] 表 1
[0023]
【权利要求】
1. 一种凹面光栅光谱仪，其特征在于：包括依光的传播方向依次设置于光路上的入射 狭缝、凹面光栅和光探测器，所述光探测器用于接收具有第一波长范围的短波段光线； 所述光谱仪还包括遮光板和反射镜； 所述反射镜设于所述凹面光栅与所述光探测器之间的光路上，用于将具有第二波长范 围的长波段光线反射到所述光探测器上，其中所述第一波长范围为λ2，所述第二波 长范围*λ3?λ 4，且λ1<λ2<λ3<λ4，使得所述短波段光线与所述长波段光线复用 所述光探测器，并且，所述光探测器和所述反射镜的位置满足入射到所述光探测器上的所 述短波段光线和所述长波段光线在检测时互不干扰； 所述遮光板可活动地设于所述凹面光栅与所述光探测器之间的光路上，当需要检测所 述短波段光线时，所述遮光板切换至第一位置，以使所述短波段光线入射到所述光探测器， 同时阻碍所述长波段光线入射到所述光探测器；当需要检测所述长波段光线时，所述遮光 板切换至第二位置，以使所述长波段光线入射到所述光探测器，同时阻碍所述短波段光线 入射到所述光探测器。
2. 如权利要求1所述的凹面光栅光谱仪，其特征在于：所述光探测器为光电倍增管、热 电探测器、半导体光探测器或CCD阵列探测器。
3. 如权利要求1所述的凹面光栅光谱仪，其特征在于：所述凹面光栅的制作结构参数 中，工作级次为+1，曝光波长为紫外激光波段。
【文档编号】G01J3/02GK104048757SQ201410284375
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】周倩, 倪凯, 逄锦超, 张锦超, 田瑞, 许明飞, 董昊 申请人:清华大学深圳研究生院