一種凹面光柵光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種凹面光柵光譜儀，包括入射狹縫、凹面光柵、遮光板、反射鏡和光探測器，光探測器直接接收光譜中的短波段，反射鏡將光譜中的長波段反射到光探測器上，使得短波段與長波段復用一個光探測器，并且，光探測器和反射鏡的位置滿足入射到光探測器上的短波段和長波段在檢測時不相互干擾的條件；遮光板可活動地設于凹面光柵與光探測器之間的光路上，當需要檢測短波段光波時，遮光板切換至第一位置，以使短波段入射到光探測器，同時阻礙長波段入射到光探測器；當需要檢測長波段光波時，遮光板切換至第二位置，以使長波段入射到光探測器，同時阻礙短波段入射到光探測器。本發(fā)明的光譜儀能夠在保持原體積基本不變的前提下大大提高光譜分辨率。
【專利說明】一種凹面光柵光譜儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光柵制作領域，尤其涉及一種凹面光柵光譜儀。

【背景技術】
[0002] 隨著光譜儀性能的不斷提高、功能的不斷完善，儀器體積也變得越來越笨重龐大， 雖然可以滿足室內高精度科學分析的需要，但是在室外的應用卻受到了極大的限制，具有 檢測不及時、不準確，甚至是不可能等缺點。近年來，由于環(huán)境檢測、生物醫(yī)學、科技農業(yè)、軍 事分析以及工業(yè)流程監(jiān)控等一些需要現場實時測試的應用領域的現代化發(fā)展，實驗室中的 大型光譜儀器已難以滿足上述實際使用要求。開發(fā)便攜式小型光譜儀器產品具有重要的實 際意義以及廣闊的市場前景。
[0003] 但是分辨率與光譜儀的體積又相互關聯，目前提高小型光譜儀分辨率的方法，都 在一定程度上增加了光譜儀的體積。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于提出一種能夠在保持體積不變的前提下提高光譜分辨率 的凹面光柵光譜儀，以解決現有的小型光譜儀存在的儀器體積隨分辨率提高而增大的問 題。
[0005] 本發(fā)明提供的技術方案如下：
[0006] -種凹面光柵光譜儀，包括依光的傳播方向依次設置于光路上的入射狹縫、凹面 光柵和光探測器，所述光探測器用于接收具有第一波長范圍的短波段光線；所述光譜儀還 包括遮光板和反射鏡；所述反射鏡設于所述凹面光柵與所述光探測器之間的光路上，用 于將具有第二波長范圍的長波段光線反射到所述光探測器上，其中所述第一波長范圍為 λ2，所述第二波長范圍為λ3?λ4，且λ1<λ 2<λ3< λ4，使得所述短波段光線 與所述長波段光線復用所述光探測器，并且，所述光探測器和所述反射鏡的位置滿足入射 到所述光探測器上的所述短波段光線和所述長波段光線在檢測時互不干擾；所述遮光板可 活動地設于所述凹面光柵與所述光探測器之間的光路上，當需要檢測所述短波段光線時， 所述遮光板切換至第一位置，以使所述短波段光線入射到所述光探測器，同時阻礙所述長 波段光線入射到所述光探測器；當需要檢測所述長波段光線時，所述遮光板切換至第二位 置，以使所述長波段光線入射到所述光探測器，同時阻礙所述短波段光線入射到所述光探 測器。
[0007] 優(yōu)選地，所述光探測器為光電倍增管、熱電探測器、半導體光探測器或CCD陣列探 測器。
[0008] 優(yōu)選地，所述凹面光柵的制作結構參數中，工作級次為+1，曝光波長為紫外激光波 段。
[0009] 本發(fā)明提出的凹面光柵光譜儀，針對待檢測的光譜，經凹面光柵分光匯聚后出射 的光線中的短波段光線直接入射到光探測器，而光線中的長波段光線通過反射鏡反射到光 探測器，短波段和長波段的光線都用同一個光探測器來檢測，原本用于直接接收凹面光柵 出射的長波段光線的探測器即可省略，從而可以減小儀器的體積，遮光板的設置避免了長 波段光線和短波段光線的相互干擾，遮光板和反射鏡的位置在光探測器與凹面光柵之間， 并不產生新的空間需求。從而，針對同一待測光譜，光探測器的長度（或數量）可大大減少， 即在保持同樣的分辨率條件下，光譜儀的體積因光探測器的長度（或數量）減少而減小，換 言之，在體積不變的情況下，本發(fā)明的光譜儀能獲得更高的光譜分辨率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是無反射鏡和遮光板時光譜儀的光路示意簡圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明提供的凹面光柵光譜儀的光路示意簡圖。

【具體實施方式】
[0012] 下面對照附圖并結合優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明作進一步說明。
[0013] 本發(fā)明的【具體實施方式】提供一種凹面光柵光譜儀，包括入射狹縫、凹面光柵和光 探測器，參考圖1，圖中A點為入射點。依光的傳播方向，在光路上依次設置所述入射狹縫、 凹面光柵G和光探測器&B 2。其中，對于經凹面光柵G匯聚分光后出射的光線，波長范圍為 λ4，光探測器能夠直接接收具有第一波長范圍λ2的短波段光線，而具有 第二波長范圍λ3?λ4的長波段光線通過設置在凹面光柵G與光探測器&Β2之間光路上 的反射鏡M 2反射后，到達所述光探測器&B2，使得所述短波段光線與所述長波段光線復用 所述光探測器&B 2，并且，所述光探測器&B2和所述反射鏡M2的位置滿足入射到所述光探測 器BiB 2上的所述短波段光線和所述長波段光線在檢測時互不干擾；其中，λ2< λ3 < λ 4。為了使復用同一個光探測器&Β2的長波段光線和短波段光線不相互干擾，在所述凹 面光柵G與光探測器&B 2之間的光路上設置有遮光板A，當需要檢測所述短波段光線時，所 述遮光板札切換至第一位置C&，以使所述短波段光線入射到所述光探測器ΒΛ，同時阻礙 所述長波段光線入射到所述光探測器&B 2 ;當需要檢測所述長波段光線時，所述遮光板札 切換至第二位置C/ C2'，以使所述長波段光線入射到所述光探測器&B2，同時阻礙所述短波 段光線入射到所述光探測器&B 2。
[0014] 其中，所述光探測器可以采用光電倍增管、熱電探測器、半導體光探測器或CCD陣 列探測器等，不限于此。
[0015] 上述方案提供的凹面光柵光譜儀，其工作原理如下：
[0016] 如圖2所示，待檢測的光源從A點處射出，經凹面光柵G的分光并進行匯聚的作用 下形成波長范圍為\ 4的光譜區(qū)。光探測器&B2能夠接收波長范圍λ2的短波 段光線（光譜區(qū)域寬度為￥ 3)，卻不能接收波長范圍\ 4的全部光譜區(qū)域，此時通過 反射鏡M2的反射作用，將原本會漏檢的長波段λ 3?λ 4的長波段光線反射到光探測器&B2 上，當檢測短波段入2的光線時，通過將遮光板札置于CiC2位置，以擋住長波段λ3? 入 4的光線，避免長波段和短波段的光線在光探測器BA上重疊，相互干擾從而影響檢測結 果；反之，當檢測長波段λ 3?λ 4的光線時，通過將遮光板叫切換到C/ C2'位置，以擋住 短波段λ2的光線，避免長波段和短波段的光線在光探測器&B 2上重疊，相互干擾從 而影響檢測結果。相比于圖1中所示的光譜儀，同樣的光譜范圍，圖1中的光譜儀需要多加 一個（此處僅是舉例，非限制，也有可能需要增加多個）用來檢測長波段λ3?λ4的光線 的光探測器Β/Β2'。如此一來，雖圖1和圖2中的光譜儀都能檢測波長范圍λ i?λ4的光 譜區(qū)域，兩者雖具有同樣的光譜分辨率，但因圖1中的光譜儀比本發(fā)明提供的光譜儀（圖2 所示）多出了光探測器Β/ Β2'，而眾所周知，增加光探測器的同時會增加光譜儀的體積，因 此，與圖1中的光譜儀具有同樣分辨率的情況下，本發(fā)明的光譜儀需要的光探測器長度（或 數目）更小，從而具有更小的儀器體積。換言之，若本發(fā)明的光譜儀與圖1中的光譜儀一樣 采用相同長度（或數目）的光探測器，且待測光譜區(qū)域相同，則由于本發(fā)明的光譜儀采用了 反射鏡并配合遮光板，使得同樣的光譜被分得更細，即光譜分辨率更高。
[0017] 所述光探測器優(yōu)選可以采用光電倍增管、熱電探測器、半導體光探測器或者 CCD (Charge-coupled Device，電荷稱合器件）陣列探測器，但并非限制于前述幾種。其檢測 的波長范圍為190nm?800nm，即前述的λ ρ λ 2、λ 3及λ 4的范圍為190nm?800nm。
[0018] 本【具體實施方式】中提出的如圖2所示的凹面光柵光譜儀，其中光探測器&B2以及 反射鏡M 2的位置滿足：在分別檢測長波段光線與短波段光線時，能使二者不相互干擾。
[0019] 光探測器&B2以及反射鏡M2位置的確定，優(yōu)選地可以采用光程函數級數展開法來 找出能使光線像差最小的使用結構參數，以及制作結構參數應滿足的條件，由此得到光譜 儀的制作結構參數，從而確定入射狹縫、凹面光柵G和光探測器Bp 2的位置，然后再將入射 狹縫、凹面光柵G和光探測器&B2的參數分別代入短波段和長波段的ZEMAX文件中，利用 ZEMAX進行優(yōu)化以確定反射鏡的最終位置，反射鏡的初始位置在光探測器&B2和B/ B2'構 成的夾角的角平分線上。需要說明，圖2中的光探測器B/ B2'為已省去不用的，所以以虛 線表示。
[0020] 例如：針對需要檢測的波長范圍（或稱光譜范圍）190nm?800nm，首先基于凹面 光柵（以正方形為例）的初始值（包括曝光波長、工作級次、邊長、基底曲率半徑），利用全 息法制作凹面光柵，得到凹面光柵的制作結構參數（包括下述表2中的 Γι、θ2)，
[0021] 表1所示為凹面光柵光譜儀的固定結構參數：
[0022] 表 1
[0023]

【權利要求】
1. 一種凹面光柵光譜儀，其特征在于：包括依光的傳播方向依次設置于光路上的入射 狹縫、凹面光柵和光探測器，所述光探測器用于接收具有第一波長范圍的短波段光線； 所述光譜儀還包括遮光板和反射鏡； 所述反射鏡設于所述凹面光柵與所述光探測器之間的光路上，用于將具有第二波長范 圍的長波段光線反射到所述光探測器上，其中所述第一波長范圍為λ2，所述第二波 長范圍*λ3?λ 4，且λ1<λ2<λ3<λ4，使得所述短波段光線與所述長波段光線復用 所述光探測器，并且，所述光探測器和所述反射鏡的位置滿足入射到所述光探測器上的所 述短波段光線和所述長波段光線在檢測時互不干擾； 所述遮光板可活動地設于所述凹面光柵與所述光探測器之間的光路上，當需要檢測所 述短波段光線時，所述遮光板切換至第一位置，以使所述短波段光線入射到所述光探測器， 同時阻礙所述長波段光線入射到所述光探測器；當需要檢測所述長波段光線時，所述遮光 板切換至第二位置，以使所述長波段光線入射到所述光探測器，同時阻礙所述短波段光線 入射到所述光探測器。
2. 如權利要求1所述的凹面光柵光譜儀，其特征在于：所述光探測器為光電倍增管、熱 電探測器、半導體光探測器或CCD陣列探測器。
3. 如權利要求1所述的凹面光柵光譜儀，其特征在于：所述凹面光柵的制作結構參數 中，工作級次為+1，曝光波長為紫外激光波段。
【文檔編號】G01J3/02GK104048757SQ201410284375
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權日:2014年6月23日
【發(fā)明者】周倩, 倪凱, 逄錦超, 張錦超, 田瑞, 許明飛, 董昊 申請人:清華大學深圳研究生院