光谱仪或成像光谱仪的制作方法

本发明涉及将透射光栅和聚焦透镜一体化或将准直元件、透射光栅和聚焦透镜一体化的光谱仪或成像光谱仪。

背景技术：

光谱仪或成像光谱仪被广泛应用于对样品的光谱检测如分光光度计检测、吸收光谱检测、荧光光谱检测、拉曼光谱检测等。光谱技术可以对样品进行快速、准确的分析。光谱技术应用广泛，可以应用于食品，安全，物证，矿物，环境，化学，材料，生物，海洋等多个领域。样品种类包括固体、粉末、液体、气体、界面、胶体等多种形态。当前，光谱仪被广泛用于各个领域，应用也越来越广泛。

光谱仪的原理是：样品的光聚焦入射到光谱仪的入射狭缝，经过准直物镜形成平行光束；平行光束入射到光栅中进行分光；经光栅分光的衍射光经准直物镜照射到出口处的聚焦平面上；将探测器如ccd光电耦合探测器及mpt光电倍增管探测器位于出射光的焦平面；探测器记录分光信号实现光谱信号的检测。

现代光谱仪的光栅可分为透过式光栅和反射式光栅。现代光谱仪使用的比较多的反射式光栅光谱仪。反射式光栅光谱仪可以节省光谱仪所占的空间，实现光谱仪的小型化。但反射式光栅由于需要镀一层反射膜，反射膜的反射率的波长响应不同，影响了光谱仪的光谱检测范围。透过式光栅光谱仪，光栅采用透过式光栅，光栅的透过率对各个波长的响应均相同，但需要聚焦物镜进行进一步聚焦成像。透过式光栅光谱仪的光栅通常固定不变，影响了光谱仪的采集灵活性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明采用在透射聚焦镜上进行刻画光栅的方式，实现光栅和准直物镜的合二为一，使透射式光栅可以转动，方便改变中心波长，调节方便，结构稳定。综合了反射式光栅光谱仪和透射式光栅光谱仪的优点。适用于各种激发波长的荧光光谱、拉曼光谱、紫外可见吸收光谱、圆二色光谱研究。尤其是紫外波段的光谱检测。

本发明采用的技术方案：

光谱仪或成像光谱仪,具体为将透射光栅和聚焦透镜一体化或将准直元件、透射光栅和聚焦透镜一体化的光谱仪或成像光谱仪,包括入射狭缝、检测器、准直元件，聚焦透镜光栅或者包括入射狭缝、检测器、准直聚焦透镜光栅:

所述光谱仪中包括聚焦透镜光栅,该聚焦透镜光栅在聚焦透镜的一侧刻有光栅条纹；

所述成像光谱仪中包括聚焦透镜光栅,该聚焦透镜光栅在聚焦透镜的一侧刻有光栅条纹，该聚焦透镜光栅能够消色差；

所述聚焦透镜光栅为能够准直(4-6,4-7)或不能够准直(4-1,4-2,4-3,4-4,4-5)光束的透镜光栅,所述聚焦透镜光栅的第一片透镜靠近入射光一侧上刻有光栅条纹，入射光到达光栅条纹时已为平行光,平行光透过所述聚焦透镜光栅先通过光栅条纹进行分光再通过另外的透镜进行聚焦；

所述准直聚焦透镜光栅的第二片透镜靠近入射光一侧上刻有光栅条纹，入射光到达所述准直聚焦透镜光栅的第一片透镜进行准直，到达第二片透镜的光栅条纹进行分光，到达第三片透镜进行聚焦。

所述透镜光栅包括双胶合消色差聚焦透镜光栅、双胶合柱面消色差聚焦透镜光栅、空气隙消色差聚焦透镜光栅；所述准直透镜光栅选自三胶合消色差聚焦透镜光栅、紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式聚焦透镜光栅中的一种。

所述双胶合消色差聚焦透镜光栅是由低分散正透镜与高分散负透镜胶合，并在正透镜外侧刻画光栅；

所述双胶合柱面消色差聚焦透镜光栅是由柱面透镜和负透镜胶合，并在柱面镜平面一侧刻画光栅；

所述空气隙消色差聚焦透镜光栅是由低分散正透镜与高分散负透镜组成，二者之间有空气间隙，在正透镜外侧刻画光栅；

所述三胶合消色差聚焦透镜光栅是由正中一块低分散正透镜两侧各一块高分散负透镜胶合，并在任一负透镜外侧刻画光栅；

所述紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式聚焦透镜光栅是按照低分散正透镜、高分散负透镜、低分散正透镜组成，在任一正透镜外侧刻画光栅。

将透射光栅和聚焦透镜一体化的透镜光栅为：在聚焦透镜靠近入射光束一侧刻有光栅条纹，入射光束到达光栅条纹时已为平行光,平行光透过透镜光栅实现光的分光和聚焦；

将准直元件、透射光栅和聚焦透镜一体化的透镜光栅为：在聚焦透镜远离入射光束一侧刻有光栅条纹，该入射光束透过透镜光栅实现光的准直、分光和聚焦；

根据所述透镜光栅是否能够准直选择在光谱仪或成像光谱仪安装或不安装准直元件。

透镜光栅的光栅条纹的刻线方向与入射平行光的光轴垂直，且与入射狭缝的狭缝方向平行。

所述检测器为多道成像探测器ccd或光电倍增管pmt。

光信号经过入射狭缝进入光谱仪或成像光谱仪成发散光，发散光经过焦平面在入射狭缝处的准直元件成为平行光或直接到达透镜光栅的衍射面，经过透镜光栅衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光同时聚焦至多道成像探测器ccd或光电倍增管pmt上，光谱被记录、输出；

透镜光栅的光栅条纹的刻线方向与入射平行光的光轴垂直，且与入射狭缝的狭缝方向平行,透镜光栅处于准直元件之后，多道成像探测器ccd或光电倍增管pmt之前。探测器平面处于透镜光栅的焦平面上。

所述准直元件为准直反射凹面镜；准直反射凹面镜采用共光轴光路方式，入射狭缝处于准直反射凹面镜的焦平面上，光束通过入射狭缝后经过准直反射凹面镜后成为平行光。无准直元件的光谱仪或成像光谱仪中，准直聚焦透镜光栅的前后两个焦平面分别处于入射狭缝处和探测器平面上。

上述的光谱仪或成像光谱仪可以在入射狭缝前或入射狭缝后安装滤波片；入射光束通过滤波片后经由准直元件或直接照射到透镜光栅表面，由透镜光栅分光后汇聚，离开透镜光栅光谱仪后在检测器处成像。

所述光谱仪或成像光谱仪为荧光光谱仪、紫外可见吸收光谱仪、圆二色光谱仪、成像光谱仪、拉曼光谱仪。

具体的提供一种下述方案：

所述聚焦透镜光栅用于光的分光和聚焦；所述聚焦透镜光栅包括双胶合消色差聚焦透镜光栅、双胶合柱面消色差聚焦透镜光栅、空气隙消色差聚焦透镜光栅、三胶合消色差聚焦透镜光栅、紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式聚焦透镜光栅中的一种；

所述双胶合消色差聚焦透镜光栅由正透镜和负透镜组成，正透镜的凸面与负透镜的凹面胶合，正透镜胶合面的另一侧刻有光栅；

所述双胶合柱面消色差聚焦透镜光栅由柱面透镜和负透镜组成，柱面透镜的柱面和负透镜的凹面胶合，柱面透镜平面的一侧刻有光栅；

所述空气隙消色差聚焦透镜光栅由正透镜和负透镜组成，正透镜的凸面与负透镜的凹面相对，正透镜中与负透镜凹面相对的另外一侧刻有光栅；

所述三胶合消色差聚焦透镜光栅由中间一块正透镜和该正透镜两侧各一块负透镜组成，正透镜的两个凸面与两块负透镜的凹面胶合，任一负透镜胶合面的另一侧刻有光栅；

所述紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式聚焦透镜光栅由中间一块负透镜和该负透镜两侧各一块正透镜组成，各个透镜之间留有空气间隙,两端密封,负透镜的两个凹面与两块正透镜的凸面相对，任一正透镜中与负透镜相对的另外一侧刻有光栅；

所述准直聚焦透镜光栅用于光的准直、分光和聚焦；所述准直聚焦透镜光栅包括三胶合消色差准直聚焦透镜光栅、紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式准直聚焦透镜光栅中的一种；

所述三胶合消色差准直聚焦透镜光栅是由中间一块正透镜和该正透镜两侧各一块负透镜组成，正透镜的两个凸面与两块负透镜的凹面胶合，正透镜的两个凸面任一一侧刻有光栅；

所述紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式准直聚焦透镜光栅由中间一块负透镜和该负透镜两侧各一块正透镜组成，各个透镜之间留有空气间隙,两端密封,负透镜的两个凹面与两块正透镜的凸面相对，负透镜的两个凹面任一一侧刻有光栅；

所述聚焦透镜光栅第一片透镜靠近入射光一侧上刻有光栅条纹，入射光到达光栅条纹时已为平行光,平行光透过所述聚焦透镜光栅先通过光栅条纹进行分光再聚焦；

所述准直聚焦透镜光栅第二片透镜靠近入射光一侧上刻有光栅条纹，入射光到达所述准直聚焦透镜光栅先进行准直，通过光栅条纹进行分光再聚焦。

滤光片可以安装在入射狭缝1之前，滤光片架固定在狭缝上，滤光片的几何中心与光轴重合。随着光谱仪激发光波长的改变可以更换相应波段的滤光片，如图6-1；

滤光片可以安装在入射狭缝1之后，滤光片架固定在光谱仪底板上，滤光片的几何中心与光轴重合。随着光谱仪激发光波长的改变可以更换相应波段的滤光片，如图6-2；

入射狭缝1处于准直反射凹面镜2的一个焦平面上，从入射狭缝1入射的信号光经过准直反射凹面镜2后成为平行光，如图1,2；

入射狭缝1处于准直透镜光栅2的焦平面上，从入射狭缝1入射的信号光经过准直透镜光栅2后成为平行光，如图3；

信号光经过准直反射凹面镜2后成为平行光，平行光入射到透镜光栅3的光栅面上后由光栅分光，分光后不同波长的光经过透镜光栅3后透镜聚焦后，入射到探测器不同的像素上，如图5-1；

信号光经过准直透镜光栅2后成为平行光，平行光入射到透镜光栅3的光栅面上后由光栅分光，分光后不同波长的光经过透镜光栅3后透镜聚焦后，入射到探测器不同的像素上，如图5-1；

信号光经过入射狭缝1，准直反射凹面镜2，透镜光栅3后在多道成像探测器ccd上相应成像，如图5-2；

信号光经过入射狭缝1，准直透镜光栅2后在多道成像探测器ccd上相应成像，如图3。

本发明的有益效果:

透镜光栅光谱仪是采用在聚焦透镜上刻画刻痕的方式制作透射式光栅，该透射式光栅具有透过式光栅和聚焦物镜功能利用将透射式光栅和聚焦透镜一体化功能的透镜光栅，实现光栅和准直物镜的合二为一，使透射式光栅可以转动，方便改变中心波长，调节方便，结构稳定,解决了通常透过式光栅不能转动的难题，将反射式光栅可以转动的优点与透射式光栅透过率高，透过率均匀，对偏振光响应相同的优点结合在一起，完成光谱分光和聚焦输出。

光谱仪准直反射物镜采用共光轴光路方式，准直反射凹面镜和透射式光栅聚焦镜可进一步进行像差校正，使光谱仪成为成像光谱仪。在较宽波长范围内，色差和像差影响小，光谱分辨率高，通光效率高，杂散光少，透射式光栅可以转动，方便改变中心波长，调节方便，结构稳定。

本发明所述的透镜光栅光谱仪适用于各种激发波长的荧光光谱、紫外可见吸收光谱、圆二色光谱和成像光谱研究。尤其是紫外波段(400nm以下)的拉曼光谱的研究。

附图说明

图1是本发明的结构原理图之一，(多道探测器方式)；

透射式光栅光谱仪：入射狭缝1，准直反射凹面镜2，透镜光栅3，多道成像探测器ccd4。

图2是本发明的结构原理图之一，(单道pmt探测器方式)；

透射式光栅光谱仪：入射狭缝1，准直反射凹面镜2，透镜光栅3，单道pmt探测器4。

图3是本发明的结构原理图之一，(准直分光聚焦一体式)；

透射式光栅光谱仪：入射狭缝1，准直透镜光栅2，成像探测器(单通道或多通道)3。

图4是本发明中的透镜式光栅示意图，其中，4-1为双胶和消色差聚焦光栅；4-2为双胶和柱面消色差聚焦光栅；4-3为三胶合消色差聚焦光栅；4-4为空气隙消色差聚焦光栅；4-5为紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式聚焦光栅；4-6为三胶合消色差准直聚焦光栅；4-7为紫外到红外(uv-to-nir)校正三片镜式准直聚焦光栅。

图5是本发明中的成像光栅示意图，光线入射面为光栅面，光栅分光后聚焦。5-1是透镜光栅分光聚焦的示意图；5-2是光谱仪成像示意图。

图6是提供一种532nm激光作为激发光源的成像拉曼光谱仪示意图。

532nm激光拉曼光谱仪：入射狭缝1，准直反射凹面镜2，透镜光栅3，多道成像探测器ccd4，532nm带边滤波器(陷波滤波器)5。

具体实施方式

实施例1

图1和2所示为包括聚焦透镜光栅3的光谱仪或成像光谱仪的光路图，其中的聚焦透镜光栅3可以选择图4中4-1、4-2、4-3、4-4及4-5所示的聚焦透镜光栅，入射狭缝1处于准直反射凹面镜2的一个焦平面上，从入射狭缝1入射的信号光经过准直反射凹面镜2后成为平行光，再经过聚焦透镜光栅3进行分光和聚焦。

实施例2

图3所示为包括准直聚焦透镜光栅2的光谱仪或成像光谱仪的光路图，其中准直聚焦透镜光栅2可以选自图4中4-6、4-7中的一种，信号光经过入射狭缝1，准直聚焦透镜光栅2后在多道成像探测器ccd上相应成像。

实施例3

图6提供了一种拉曼光谱仪，包括入射狭缝1，滤光片5，准直反射凹面镜2，聚焦透镜光栅3，探测器4几部分。激发光为532nm激光，入射到样品上后产生的拉曼散射信号进入到拉曼光谱仪，532nm滤光片可以放在狭缝前(如图6-2所示)或是狭缝后(如图6-1所示)。拉曼信号经过滤光片将其中瑞利线滤除后，入射到反射凹透镜2上后，变成平行光(光路如图5-1、5-2所示)。平行光入射到聚焦透镜光栅3表面，即光栅刻面，光栅参数1200/mm，聚焦透镜光栅如图4-1,4-2,4-3,4-4。散射光根据光栅方程(bragg方程)分光后通过后面的透镜聚焦，不同波长的信号光聚焦到后面探测器的不同像素上。

实施例4

如图6所示为紫外拉曼光谱仪时，包括入射狭缝1，滤光片5，准直反射凹面镜2，聚焦透镜光栅3，探测器4几部分。激发光为紫外激光，激光线宽<0.1nm,入射到样品上后产生的拉曼散射信号进入到紫外拉曼光谱仪，相应紫外光滤光片可以放在狭缝前(6-2)或是狭缝后(6-1)。拉曼信号经过滤光片将其中瑞利线滤除后，入射到准直反射凹透镜上后，变成平行光(光路如图5-1、5-2所示)。平行光入射到聚焦透镜光栅表面，即光栅刻面，光栅参数2400/mm或3600/mm，聚焦透镜光栅如图4-5。散射光根据光栅方程分光后通过后面的透镜聚焦，不同波长的信号光聚焦到后面探测器的不同像素上。

实施例3和4中所述的滤光片安装在入射狭缝1之前时，滤光片架固定在狭缝上，滤光片的几何中心与光轴重合。随着光谱仪激发光波长的改变可以更换相应波段的滤光片，如图6-2；

滤光片安装在入射狭缝1之后时，滤光片架固定在光谱仪底板上，滤光片的几何中心与光轴重合。随着光谱仪激发光波长的改变可以更换相应波段的滤光片，如图6-1。

常规的透射光栅光谱仪，由于后面的分光系统和聚焦系统是分离的，谱仪出口固定，因此光栅的中心波长是固定的。而本发明设计的包括聚焦透镜光栅的光谱仪或成像光谱仪将分光和聚焦系统合二为一，安装在转动平台上，可以通过转动改变中心波长，可以增加光谱探测范围；

本发明还设计了包括准直聚焦透镜光栅的光谱仪或成像光束传输中损耗，提高了信号强度。同时节约了空间，减小光谱仪的体积，为光谱仪的小型化打下了基础。