本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种光谱仪。
背景技术：
光学相干断层扫描技术(opticalcoherencetomography，简称oct)采用类似超声波探伤原理，利用宽光谱红外光束对测试样品的穿透能力，将样品不同深度位置处的背向散射光叠加，并与参考光共同接入迈克尔逊干涉仪进行相干探测，以得到样品内部不同深度的光学散射特性，从而实现对样品组织内部横截面进行成像。oct技术对被检样品具有非辐射，非接触，轴向方向分辨率高，无损，易于内窥集成和价格适中的特性。因此，oct技术是一种极具前途的光学成像工具。目前，oct技术已经广泛应用于医疗诊断以及工业探伤领域。
谱域oct(spectraldomainoct，简写为sd-oct)是多种不同原理的oct系统之一。由于sd-oct不使用机械扫描部件对样品进行轴向(此处轴向是指样品内部探测光束的传播方向)深度扫描，样品轴向的分层次信息可通过光谱的傅立叶变换直接得到，因而能够大大提高系统的成像速度。得益于半导体宽带光源和高速线列光电探测照相机的发展，sd-oct的性能指标取得了飞速的发展，实现了更高的轴向分辨率，系统灵敏度，探测深度，其相位测量结果更加稳定，信噪比更高。同时，sd-oct使用的特征波长的水分子吸收极小，因而在眼科医疗和诊断领域，取得了极大的成功。一般地，传统的sd-oct包括光谱仪，光谱仪用于分析迈克尔逊干涉仪出射的干涉光谱的谱线，以得到样品内部不同深度的光学散射特性，从而实现对样品组织内部横截面进行成像。
然而，传统的sd-oct系统中所使用的光谱仪包括光电探测器和色散分光元件(通常是衍射光栅)。色散分光元件将入射的宽谱光信号按照不同的波长分散开，形成色散光。光电探测器包括若干像元，这些像元沿直线排列。光电探测器的每一个像元对应接收不同波长的色散光，并且任意两相邻像元采样到的光束的波长差保持一致。因而，这样的光谱仪为波长域等间隔采样光谱仪。根据传统的sd-oct系统的成像算法，光电探测器探测得到的波长域光谱，首先需要进行波长域(波长记为λ)至波数域(波数记为k)的转换，其变换公式为：λ＝2π/k。而波长域等间隔采样的光谱，变换至波数域后，不再具有等间隔采样性质。将采样光谱转换至波数域后，在波数较小的低频波段采样更密集，波数更大的高频波段采样更稀疏。而成像算法中的傅里叶变换要求光谱采样为波数域等间隔采样。因此，在传统的sd-oct系统中，对波数域的光信号进行傅里叶变换之前，需要对波数域的光谱采样进行一定的插值变换(通常采用三次样条插值)后，方可进行快速傅里叶变换。因此，传统的sd-oct系统成像过程中的运算量较大，导致sd-oct系统成像速度较慢，成像时间较长。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的sd-oct系统成像速度较慢的问题，提供一种光谱仪。
一种光谱仪，用于对宽带光束进行波数域等间隔采样，所述宽带光束包括不同波长的光信号；所述光谱仪包括：
准直元件，用于将所述宽带光束转变为平行光；
色散设备，用于将所述平行光按波长分散成多束色散光；
聚焦元件，用于将具有相同波长的所述色散光聚焦，且所述聚焦元件将具有不同波长的所述色散光聚焦在其焦平面上的不同位置处，且各所述色散光的聚焦光斑沿一直线顺序排列；以及
探测设备，在所述焦平面上具有多个探测位置，所述探测设备用于探测多个不同预设波长的所述色散光；
其中，在所述平行光射入所述色散设备的入射角一定时，所述色散设备和所述聚焦元件相配合，使得多个不同预设波长的所述色散光的聚焦位置与所述多个探测位置一一对应匹配；所述不同预设波长的色散光中，任意两束相邻的所述色散光的波数差相等。
上述光谱仪，色散设备和聚焦元件相配合，在所述平行光射入所述色散设备的入射角一定时，所述色散设备和所述聚焦元件决定了多个不同预设波长的色散光的聚焦位置。在不同预设波长的多个色散光中，任意两相邻的色散光的波数差相等，即波数差也为预设值。所述色散设备和所述聚焦元件相配合，使得多个不同预设波长的所述色散光的聚焦位置与所述多个探测位置一一对应匹配。这样，使得探测设备探测到的多束色散光为波数域等间隔采样，从而避免了从波长域等间隔采样到波数域等间隔采样过程中的插值运算。因此，上述光谱仪的成像过程中运算大大减少，节省了成像时间，提高了成像速度。
在其中一个实施例中，所述色散设备至少包括两个色散元件，所述两个色散元件分别为第一色散元件和第二色散元件；所述第一色散元件将所述平行光按波长分散为多束过渡光束；所述第二色散元件将各所述过渡光束转变为按波长分散的多束色散光，且将各所述色散光投射至所述聚焦元件；在所述平行光射入所述色散设备的入射角一定时，所述第一色散元件和所述第二色散元件的光学参数、相对位置及所述聚焦元件的焦距决定了各所述色散光的聚焦位置。
在其中一个实施例中，所述第一色散元件和所述第二色散元件均是衍射光栅，所述第一色散元件的延伸方向和所述第二色散元件的延伸方向具有预设的夹角。
在其中一个实施例中，所述第一色散元件和所述第二色散元件均是闪耀光栅。
在其中一个实施例中，所述第一色散元件是透射式或反射式的衍射光栅；所述第二色散元件是透射式或反射式的衍射光栅。
在其中一个实施例中，所述第一色散元件采用正一级衍射或负一级衍射；所述第二色散元件采用正一级衍射或负一级衍射。
在其中一个实施例中，所述探测设备包括光电探测器，所述光电探测器包括多个像元，多个所述像元排在一条直线上，一个所述像元接收相应波长的色散光。
在其中一个实施例中，所述光电探测器用于探测所述宽谱光束的中心波长的色散光，所述光电探测器还用于探测所述中心波长两侧的部分波长的色散光；所述光电探测器探测到的所述色散光，在所述焦平面上等间距分布。
在其中一个实施例中，光谱仪还包括入射狭缝，所述宽带光束依次经过所述入射狭缝和所述准直元件；所述入射狭缝用于屏蔽外界杂散光对所述宽带光束的干扰。
在其中一个实施例中，所述准直元件为准直透镜，所述聚焦元件为会聚透镜，所述准直透镜和所述会聚透镜均为消色差透镜。
附图说明
图1为一实施例的光谱仪的光学系统示意图；
图2为图1所示的实施例的光谱仪中平行光传播的光路示意图；
图3为一实施例的光谱仪采样得到的光束的波数与偏移距离的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如背景技术，光谱仪可以应用于谱域oct成像系统中，以获得样品内部不同深度的光信号散射特性，从而实现对样品组织内部横截面进行成像。
一种光谱仪，用于对宽带光束进行波数域等间隔采样。带光束包括不同波长的光信号。例如，宽带光束的光谱波长范围为800-900nm。
图1为一实施例的光谱仪的光学系统示意图。光谱仪包括准直元件2、色散设备8、聚焦元件5及探测设备6。
准直元件2用于将宽带光束转变为平行光。一般地，准直元件2可以为准直透镜。具体地，准直透镜为凸透镜。准直透镜将发散的宽带光束转变为平行光。准直元件2是针对入射光信号的光谱进行消色差优化后的透镜(如双胶合或三胶合透镜)。即准直透镜为消色差透镜，从而对于宽光谱光束的不同波长分量，均能够准直成平行光出射。
色散设备8用于将平行光按波长分散成多束色散光。不同波长的色散光按照波长的大小顺序排列。
聚焦元件5用于将各波长的色散光聚焦。聚焦元件5会将相同波长的色散光聚焦在一起。聚焦元件5将不同波长的色散光聚焦在其焦平面上的不同位置处，且各色散光的聚焦光斑沿一直线顺序排列。聚焦元件5为会聚透镜。具体地，聚焦元件5也为凸透镜。会聚透镜均为消色差透镜。
探测设备6在焦平面上具有多个探测位置，探测设备6用于探测多个不同预设波长的所述色散光。即探测设备6可以探测焦平面上不同位置处的聚焦光斑，从而探测到不同波长的光束。
其中，在平行光射入色散设备8的入射角一定时，色散设备8和聚焦元件5相配合，使得多个不同预设波长的色散光的聚焦位置与多个探测位置一一对应匹配；不同预设波长的色散光中，任意两束相邻的色散光的波数差相等。因此，探测设备6探测到的任意两束相邻的色散光的波数差相等。具体地，对于任一预设波长的色散光，上述入射角、色散设备8的光学参数和聚焦元件5的焦距决定了该预设波长的色散光在焦平面上的聚焦位置。因此，可以调节入射角、色散设备8的光学参数或者聚焦元件5的焦距来调节该预设波长的色散光的聚焦位置，以使得探测设备6能够探测到该色散光。本实施例中，入射角、色散设备8的光学参数不变。聚焦元件5的焦距可以调节。这样，光谱仪的光学系统在调节上会比较简便。
上述光谱仪，色散设备8和聚焦元件5相配合。在平行光射入色散设备8的入射角一定时，色散设备8和聚焦元件5决定了多个不同预设波长的色散光的聚焦位置。在不同预设波长的多个色散光中，任意两相邻的色散光的波数差相等，即波数差也为预设值。色散设备8和聚焦元件5相配合，使得多个不同预设波长的色散光的聚焦位置与多个探测位置一一对应匹配。具体地，如果波数差已设定，探测设备6要探测的宽带光束中的一光束的波长已知，则可以推出探测设备6要探测的其它光束的波长。例如，探测设备6要探测宽带光束的中心波长的光束，波数差已知，则探测设备6要探测的各色散光的波长已知。只要色散设备8和聚焦元件5相配合，即可使得探测设备6探测到的多束色散光为波数域等间隔采样，从而避免了从波长域等间隔采样到波数域等间隔采样过程中的插值运算。因此，上述光谱仪的成像过程中运算大大减少，节省了成像时间，提高了成像速度。同时，由于光谱仪的成像过程中运算大大减少，也节省了成像系统的硬件资源，节约成本。
如图1所示，光谱仪还包括入射狭缝1，入射狭缝1设置在宽带光束与准直元件2之间，入射狭缝1位于准直透镜的焦点位置。入射狭缝1用于将宽带光束转变为发散光。即入射狭缝1用于形成宽带光束的像点。具体地，入射狭缝1是指一种光学孔径，用于将宽带光信号接入至光谱仪系统的同时，屏蔽外界杂散光干扰，以降低系统的噪声。可选的，该狭缝可以是针对光纤输出接口的圆形小孔。
色散设备8至少包括两个色散元件。如图1所示，两个色散元件分别为第一色散元件3和第二色散元件4。第一第一色散元件3将平行光按波长分散为多束过渡光束。第二色散元件4将各过渡光束转变为按波长分散的多束色散光，且将各色散光投射至聚焦元件5。即本实施例中的色散设备8采用了级联的第一色散元件3和第二色散元件4。在平行光射入色散设备8的入射角一定时，第一色散元件3和第二色散元件4的光学参数、相对位置及聚焦元件5的焦距决定了各色散光的聚焦位置。因此，设定适当的第一色散元件3和和第二色散元件4的光学参数、相对位置及聚焦元件5的焦距即可使得任一预设波长的色散光的聚焦位置与探测设备6的探测位置相匹配。
本实施例中，第一色散元件3和第二色散元件4均是衍射光栅。即第一色散元件3为第一衍射光栅。第二色散元件4为第二衍射光栅。第一色散元件3的延伸方向和第二色散元件4的延伸方向具有预设的夹角。衍射光栅是一种色散分光元件。衍射光栅的表面通过刻线产生一种周期性结构。宽带光束中，对于不同波长的光束，按照光栅衍射布拉格方程，具有不同的出射角，从而达到分离不同波长光分量的功能。光栅布拉格方程为：
d(sinθi+sinθd)＝mλ(1)
其中，θd为出射角，θi为入射角、λ为波长、d为光栅周期常数，m为衍射级次(m＝0，±1，±2，......)。
第一色散元件3和第二色散元件4均是闪耀光栅。闪耀光栅表面具有周期性的槽面，可将未发生分光的零级衍射光(能量最大)转移至某一级(通常是m＝+1级)衍射光谱上，从而获得该级次最大的衍射能量。即闪耀光栅实现了衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。第一色散元件3是透射式或反射式的衍射光栅。第二色散元件4是透射式或反射式的衍射光栅。本实施例中，第一色散元件3和第二色散元件4均是透射光栅。第一色散元件3采用正一级衍射或负一级衍射。第二色散元件4采用正一级衍射或负一级衍射。第一色散元件3采用正一级衍射或负一级衍射，以使得第一色散元件3的衍射效率最高。第二色散元件4采用正一级衍射或负一级衍射，以使得第一色散元件3的衍射效率最高。本实施例中，第一色散元件3和第二色散元件4均采用正一级衍射。因此，对于式(1)来讲，m为1。
图2为图1所示的实施例的光谱仪中平行光传播的光路示意图。假设平行光射入第一衍射光栅的入射角为θb。θb也为第一衍射光栅的闪耀角度。宽谱光束被第一衍射光栅衍射后，不同的波长分量具有不同的衍射角θ1，并入射到第二衍射光栅上。由光栅衍射方程(1)可知，第一级衍射光栅的出射角θ1为：
θ1＝arcsin[λ/d1-sin(θb)](2)
其中，d1是第一级衍射光栅的周期常数。两个衍射光栅之间的夹角为α，则根据图2中的几何关系，得到入射到第二衍射光栅的入射角为：
θ2＝α-θ1＝α-arcsin[λ/d1-sin(θb)](3)
由第二级衍射光栅衍射后，形成出射角为θ0的衍射光束，再次由衍射方程(1)可知：
第二级衍射光栅的出射光入射至会聚透镜上，被会聚透镜汇聚至其焦平面上。特别地，假设宽谱光束的中心波长的光束7经过第二级衍射光栅后的出射角为θf。假设会聚透镜的焦距为f，则由图2所示的几何关系可以得到中心波长的光束7在焦平面上的聚焦位置。再由图2所示的几何关系可知，任一非中心波长的光束9在焦平面上的聚焦光斑相对于中心波长的光束7的聚焦光斑的偏移距离x的表达式为：
x＝ftan(θf-θ0)(5)
由式(1)至式(5)可知，通过调节焦距、第一衍射光栅的光学参数、第二衍射光栅的光学参数、第一衍射光栅和第二衍射光栅的夹角或第一衍射光栅的入射角即可改变上述偏移距离。本实施例中，由于会聚透镜的焦距较容易调节，因此，可以只调节会聚透镜的焦距即可改变任一波长的色散光的上述偏移距离，以使得多个不同预设波长的色散光的聚焦位置与多个探测位置一一对应匹配，从而使得探测设备6能够探测到波数域等间隔排列的色散光。
图3为一实施例的光谱仪采样得到的光束的波数与偏移距离的关系示意图。本实施例中，探测设备6包括光电探测器。光电探测器包括多个像元61。多个像元61排在一条直线上。一个像元61接收相应波长的色散光。即光电探测器是线列光电探测器。光电探测器可以是基于互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，简写为cmos)传感器的高速探测设备6。像元61的光敏材料可以根据所希望探测的入射光的光谱范围，选择gaas，si，或ingaas等。
光电探测器用于探测宽谱光束的中心波长的色散光，光电探测器还用于探测中心波长两侧的部分波长的色散光。光电探测器探测到的色散光，在焦平面上等间距分布。
本实施例中，假设入射光谱波长为800-900nm，第一衍射光栅的光栅周期常数为1200pl/mm，第二衍射光栅的光栅周期常数为200pl/mm。第一衍射光栅和第二衍射光栅的夹角为30°。会聚透镜的焦距为50mm。中心波长大约为849nm，中心波长的光束的波数k为7.4，偏移距离为0。即中心波长的光束在焦平面上的聚焦位置为参考位置。探测设备6探测到的光束的偏移距离均以中心波长的光束的聚焦位置为参考点。如图3所示，横轴为波数，纵轴为不同波数的光束的偏移距离x。利用上述光学系统，光谱仪的探测设备6采样到的波数域等间隔排列的光束的偏移距离与波数大致呈线性关系。即探测设备6采样到的任意两相邻的光束的波数差相等时，任意两相邻的光束在焦平面上的聚焦位置也为等间距分布。这样便实现了光谱仪的波数域等间隔采样的功能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。