一种光谱仪、光谱检测方法与流程

【】本发明涉及一种使用f-p标准具的高分辨光谱仪及光谱检测方法。

背景技术

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背景技术：

1、通常中阶梯光栅光谱仪具有体积小、高色散、高分辨率等特点，代表了先进光谱技术的发展趋势。这种光谱仪采用的中阶梯光栅其性质介于小阶梯光栅和阶梯光栅之间。它与闪耀光栅不同，不以增加光栅刻线，而以增大闪耀角(高光谱级次和加大光栅刻划面积)来获得高分辨率和高色散率。

2、但在实际加工生产当中，中阶梯光栅的加工难度高，对各阶梯的平行度，一致性，要求非常高，由于刻刀加工的工艺水平限制，误差要求小不易实现，故这种光栅存在着难以加工制作或制作成本高昂的问题，故现在有一种采用f-p标准具的方式，其分光原理与中阶梯光谱仪类似，通过光产生干涉，其不同波长干涉条纹位置不同，来实现对不同波长光的散开，能达到同样的分开光谱的效果却同时能降低制作难度节约成本。

3、这里所指的f-p标准具是指一块两面平面度很高的平板，f-p标准具分开波长的原理基本类似于法布里-珀罗干涉仪，在平板两面镀高反膜，入射进平板内的光会在平板内多次反射，然后形成多光束干涉，不同波长的光的干涉条纹所处位置不同，达到实现光谱分光的功能，这种通过干涉式实现光谱分光的光谱仪存在的问题在于，干涉所需的光强相比光栅空间上分光式的光谱要高，故需要进入f-p标准具的光强足够高，而现有的光进入f-p标准具的方式为一狭缝或者说单窗口，这种方式进入f-p标准具的光强不够，效果不好，光的损失也大。在目前的技术中，这种单狭缝入射平板方式常结合聚焦，调整入射角度，入射狭缝增透镀膜，增加入射玻璃模块等方式，来增加进入标准具的光强。

4、对于现有的f-p标准具，其所使用的单窗口入射的方式，仍然存在着入射光效率低，损耗大，精度不够的问题。采用单狭缝入射，为了增大通光效率，需要增大入射狭缝，即增大入射狭缝宽度，但为了增大分辨率，需要缩小狭缝宽度，即减小入射狭缝，二者存在矛盾，限制了性能。且在实际生产制作中，采用镀膜方式还存在入射狭缝不易做小，采用添加入射玻璃模组的方式也存在着加工组合不易的问题。

5、注：本发明中的f-p标准具和f-p平板相同。

6、为此，本发明即针对上述问题而研究提出。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种高分辨光谱仪，可以改善现有技术存在的问题，能够降低入射损耗，增大光强，提高探测信号强度，从而增大检测灵敏度以提高检测精度的优点；另外还具有加工难度低，制作成本低，体积小的特点。

2、本发明还提供一种光谱检测方法，由于采用上述光谱仪，因此能够降低入射损耗，增大光强，提高探测信号强度，从而增大检测灵敏度以提高检测精度的优点。

3、本发明是通过以下技术方案实现的：

4、一种光谱仪，包括沿光轴依次设有：

5、入射光1、准直透镜组2、柱面透镜阵列3、f-p平板4、光栅6、聚焦透镜组7、光信号处理组件8。

6、所述准直透镜组2、柱面透镜阵列3、f-p平板4、光栅6、聚焦透镜组7及光信号处理组件8同轴等高设置，所述柱面透镜阵列3与f-p平板4平行设置且往一侧倾斜以使得柱面透镜阵列3焦线聚焦于f-p平板4入射面上，所述f-p平板4入射面上设有狭缝阵列5，所述狭缝阵列5包括设在f-p平板4入射面上且沿y轴方向等距的多个入射狭缝，所述f-p平板4入射面上镀有高反膜、出射面上镀有反射膜。

7、所述入射光1用于提供及发射入射光束。

8、所述准直透镜组2用于将入射光1入射出的光束准直为平行光束9而射向柱面透镜阵列3中的每一柱面透镜上。

9、所述柱面透镜阵列3中的每一柱面透镜用于将准直透镜组2所射出的平行光束9聚焦为细线形光束10而射向f-p平板4上对应的入射狭缝上。

10、所述f-p平板4用于将柱面透镜阵列3所射出的细线形光束10在y轴方向上按级次以角度条纹分开，且所述f-p平板4用于使进入f-p平板4的细线形光束10进行多次反射出射后形成多光束干涉、进而产生级次条纹的横向条纹光束11，所述横向条纹光束11以不同波长按角度射向光栅6上，且横向条纹光束11中的每条亮条纹都存在着不同波长的光的不同级次的重叠。

11、所述光栅6用于将存在x轴方向重叠的横向条纹光束11在x轴方向上进行色散，且不同波长的横向条纹光束11会因光栅6色散而在x轴方向上处于不同位置而形成二维色散光束12以射向聚焦透镜组7上。

12、所述聚焦透镜组7用于将所述光栅6所射出的二维色散光束12聚焦到光信号处理组件8上。

13、所述光信号处理组件8用于接收及处理所述聚焦透镜组7聚焦成像的光谱图形或光谱信号。

14、如上所述一种光谱仪，如上所述狭缝阵列5包括设在f-p平板4入射面上且沿y轴方向等距相邻的多个入射狭缝。

15、如上所述一种光谱仪，所述f-p平板4上相邻入射狭缝的中心间距为0.1～10mm。

16、如上所述一种光谱仪，所述f-p平板4上的入射狭缝的宽为1～100um。

17、如上所述一种光谱仪，所述光栅6为透射式刻线光栅或反射式刻线光栅。

18、如上所述一种光谱仪，所述光信号处理组件8为ccd探测器或cmos器件。

19、本发明一种光谱检测方法，采用如上所述光谱仪，包括如下步骤：

20、s1、调节准直透镜组2、柱面透镜阵列3、f-p平板4、光栅6、聚焦透镜组7、光信号处理组件8同轴等高和调节柱面透镜阵列3与f-p平板4平行且往一侧倾斜；

21、s2、接入入射光1，所述入射光1入射出的光束经过准直透镜组2准直为平行光束9而射向柱面透镜阵列3中的每一柱面透镜上，柱面透镜阵列3上每一柱面透镜将准直透镜组2所射出的平行光束9进行x轴方向上聚焦为多条细线形光束10而射向f-p平板4上对应的入射狭缝上；

22、s3、柱面透镜阵列3所射出的细线形光束10经由f-p平板4上对应的入射狭缝射入而射在f-p平板4出射面上，之后细线形光束10在f-p平板4出射面与入射面之间进行多次反射出射后而在不同角度上形成多光束干涉、进而产生横向条纹光束11以射向光栅6上，且横向条纹光束11中的每条亮条纹都存在着不同波长的光的不同级次的重叠，相同角度的横向条纹光束11有相同的波长组合，其光程差为δ，且δ＝2π×2ndcos(θ)，其中n为玻璃折射率，d为f-p平板厚度，θ为光线角度；当δ为波长的整数倍时为亮纹；

23、对于m＝δ/λ，其中λ为波长，m为整数，所有δ相同，当m为整数时，所有波长将出现在同一角度上；

24、s4、接着光栅6将横向条纹光束11x轴方向重叠的波长散开以形成y轴方向和x轴方向的二维色散光束12射向聚焦透镜组7上，由聚焦透镜组7聚焦到光信号处理组件8上，然后光信号处理组件8接收处理光信号且传递给外部上位机进行分析反馈。

25、如上所述一种光谱检测方法，在步骤s2、s3中使用了设有狭缝阵列5的f-p平板4，通过所述f-p平板4上的多个入射狭缝实现增加入射光强。

26、与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

27、1、本发明一种光谱仪与现有技术中的光谱仪相比，所使用的f-p平板相比中阶梯光栅具有加工难度低，制作成本低，体积小的优点。

28、2、本发明通过现有装置，实现对f-p平板的多狭缝入射，解决了现有f-p平板光谱仪中通光效率低，检测灵敏度低的问题，具有够降低入射损耗，增大光强，提高探测信号强度，增大灵敏度检测以提高检测精度的优点。

29、3、本发明一种光谱检测方法，由于采用上述光谱仪，因此能够降低入射损耗，增大光强，提高探测信号强度，增大灵敏度检测以提高检测精度的优点。