CN118730301A

CN118730301A - 高分辨率光栅光谱仪

Info

Publication number: CN118730301A
Application number: CN202411227441.5A
Authority: CN
Inventors: 李晓天; 冯世波; 宋楠; 孙雨琦; 吉日嘎兰图; 于硕; 糜小涛; 孙慈; 初启航
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2024-09-03
Filing date: 2024-09-03
Publication date: 2024-10-01

Abstract

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种高分辨率光栅光谱仪，光源单元向第一光线折转结构发出连续光谱；第一光线折转结构将连续光谱中波段不同的光在不同时刻以不同的出射角度向光线整形单元传播；光线整形单元将接收的光束进行整形后传播到平面光栅的表面；平面光栅将接收的光束进行分光并传递到第二光线折转结构上；第二光线折转结构收集分光后的光束并传递到探测单元中；探测单元获取接收的光束的光谱信息。本发明通过光线折转结构使光源发出的不同波段的光分时并以不同角度传播到平面光栅，平面光栅上接受到的不同波段的光波入射角不同，通过调整入射角度，可实现对不同波段光谱信息的测量和分析。

Description

高分辨率光栅光谱仪

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种高分辨率光栅光谱仪。

背景技术

在光栅光谱仪测量过程中，为实现展宽光栅光谱仪的测量波段范围，旋转光栅是一种常用的技术。通过旋转光栅，可以调整光栅接收到的光波波段的入射角度，使其可以满足不同波长范围的光谱测量需求。通过旋转光栅这种方式，光谱仪实现了更广泛的波段覆盖，为实现高效准确的光谱测量提供了重要技术支持。

但是在某些需要高分辨率或大尺寸光谱测量需求中，为满足特定的需求会选择较大尺寸的大型高刻线密度平面光栅。例如光谱仪分辨率达到皮米或亚皮米量级时，平面光栅尺寸较大，由于仪器所需光栅尺寸较大，需要配备相应尺寸的机械部件，较大尺寸的机械部件的运动可能引入振动或位置误差，降低了仪器的稳定性，导致影响仪器测量精度和测量数据的可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提供一种高分辨率光栅光谱仪，以光线折转结构分时改变不同波段入射光的出射角，来实现不同波段的光分时以不同的角度照射到平面光栅，通过调整角度可实现对不同波段光谱信息的测量，最终实现宽波段的光谱测量。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种高分辨率光栅光谱仪，包括光源单元、第一光线折转结构、光线整形单元、平面光栅、第二光线折转结构以及探测单元；其中，光源单元向第一光线折转结构发出连续光谱；第一光线折转结构将连续光谱中波段不同的光在不同时刻以不同的出射角度向光线整形单元传播；光线整形单元将接收的光束进行整形，并将整形后的光束传播到平面光栅的表面；平面光栅接收的光束进行分光，并将分光后的光束传递到第二光线折转结构上；第二光线折转结构收集分光后的光束，并将收集到的光束传递到探测单元中；探测单元获取接收的光束的光谱信息。

进一步的，在光线整形单元和平面光栅之间还设有第一准直反射镜；光线整形单元将整形后的光束传播到第一准直反射镜上；第一准直反射镜将接收到的光束以平行光的形式反射到平面光栅上。

进一步的，在平面光栅和第二光线折转结构之间还设有第二准直反射镜；平面光栅将分光后的光束以平行光的形式传播到第二准直反射镜上；第二准直反射镜将平行的光束以汇聚光的形式反射到第二光线折转结构上。

进一步的，光源单元包括光源、第一准直透镜和第一聚焦透镜；其中，光源发出连续光谱；第一准直透镜将连续光谱调整为平行的连续光谱；第一聚焦透镜将平行的连续光谱汇聚到第一光线折转结构上。

进一步的，光线整形单元包括第二准直透镜和第二聚焦透镜；其中，第一光线折转结构传播的光束经第二准直透镜调整为平行的光束；平行的光束经第二聚焦透镜聚焦后出射。

进一步的，探测单元包括消像差透镜、第三聚焦透镜和探测器；其中，第二光线折转结构将收集到的光束依次经过消像差透镜和第三聚焦透镜后，进入探测器中。

进一步的，第一光线折转结构和第二光线折转结构为数字微镜器件；第二光线折转结构固定在一维位移平台上，使得一维位移平台带动第二光线折转结构移动。

与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

（1）本发明创造所述的高分辨率光栅光谱仪采用第一光线折转结构分时改变不同波段的出射角度，使平面光栅上接收到的不同波段的光波入射角不同，以调整光线折转结构的方法代替了传统旋转光栅的方法，具有分辨率高、测量波段范围宽、结构稳定等优点；

（2）本发明创造所述的高分辨率光栅光谱仪中第一光线折转结构和第二光线折转结构采用数字微镜器件，数字微镜器件的尺寸小重量轻，因此光谱仪只需要较小的数字微镜器件和一维位移平台这样的精密运动部件，有效解决了传统方法需要转动重量且尺寸较大的高刻线密度光栅而引起的机械振动、稳定性不足等问题，这将有效提高仪器的稳定性和测量精度。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的高分辨率光栅光谱仪的光路示意图。

附图标记说明：

1、光源；2、第一准直透镜；3、第一聚焦透镜；4、第一光线折转结构；5、第二准直透镜；6、第二聚焦透镜；7、第一准直反射镜；8、平面光栅；9、第二准直反射镜；10、第二光线折转结构；11、消像差透镜；12、第三聚焦透镜；13、探测器；14、一维位移平台。

具体实施方式

为了使本发明创造的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明创造进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明创造，而不构成对本发明创造的限制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，本发明创造实施例所述的高分辨率光栅光谱仪包括光源单元、第一光线折转结构4、光线整形单元、平面光栅8、第二光线折转结构10以及探测单元。

光源单元包括光源1、第一准直透镜2和第一聚焦透镜3。光源1发出连续光谱，第一准直透镜2将连续光谱调整为平行的连续光谱，第一聚焦透镜3将平行的连续光谱汇聚到第一光线折转结构4上。

第一光线折转结构4将连续光谱中波段不同的光在不同时刻以不同的出射角度向光线整形单元传播。在本发明实施例中，第一光线折转结构4采用DMD（DigitalMicromirror Device，数字微镜器件），具体的，光源1与第一光线折转结构4配合，光源1在不同时刻发出不同波段的光，再调整第一光线折转结构4使不同波段以不同角度出射。

当光线经过DMD时，‌DMD表面布满的体积微小的可转动镜片通过电路控制转动来反射光线。DMD由多个微镜单元组成，每个微镜单元能独立偏转一定角度，具体每个微镜单元可偏转角度取决不同的DMD，常见有可偏转±10°。

光线整形单元包括第二准直透镜5和第二聚焦透镜6。第一光线折转结构4传播的光束经第二准直透镜5调整为平行的光束，平行的光束经第二聚焦透镜6后传播到平面光栅8上。

在本发明实施例中，在第二聚焦透镜6和平面光栅8之间还优选设有第一准直反射镜7。第二聚焦透镜6将来自第二准直透镜5的平行的光束进行汇聚。汇聚后的光线再由第一准直反射镜7调整为平行的光束并反射到平面光栅8的表面。

平面光栅8将平行光束进行衍射分光，并将分光后的平行光束传递到第二光线折转结构10上。本发明实施例中，在提供的光谱仪焦距固定的情况下，平面光栅8的刻线密度越高，提供的光谱仪的分辨率越高。平面光栅8的刻线密度需要根据光谱仪应用场景等实际条件来决定。多个波长的光以同样的角度入射到平面光栅8后，会发生衍射，使不同波长的光出射角度不同，实现分光。

第二光线折转结构10收集分光后的平行光束，并将收集到的光束传递到探测单元中。在本发明实施例中，第二光线折转结构10采用DMD，且DMD的安装座固定在一维位移平台14上，一维位移平台14带动第二光线折转结构10移动，使得第二光线折转结构10尽可能收集更多分光后的平行光束，并将收集到的光束传递到探测单元中。

在本发明实施例中，在平面光栅8和第二光线折转结构10之间优选设置有第二准直反射镜9。平面光栅8分光后的平行光束经第二准直反射镜9反射后，以汇聚光的形式传播到第二光线折转结构10上。

探测单元包括消像差透镜11、第三聚焦透镜12和探测器13。第二光线折转结构10将收集到的光束经过消像差透镜11，消像差透镜11将进入的光束消除像差提高成像质量。经消像差透镜11处理后的光束进入第三聚焦透镜12中，第三聚焦透镜12将接收的光束汇聚到探测器13的接受面上，探测器13采集输入光束的光谱信息，进而完成本发明创造实施例所述的高分辨率光栅光谱仪的光谱信息的采集。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：包括光源单元、第一光线折转结构、光线整形单元、平面光栅、第二光线折转结构以及探测单元；其中，所述光源单元向所述第一光线折转结构发出连续光谱；所述第一光线折转结构将所述连续光谱中波段不同的光在不同时刻以不同的出射角度向所述光线整形单元传播；所述光线整形单元将接收的光束进行整形，并将整形后的光束传播到所述平面光栅的表面；所述平面光栅将接收的光束进行分光，并将分光后的光束传递到所述第二光线折转结构上；所述第二光线折转结构收集分光后的光束，并将收集到的光束传递到所述探测单元中；所述探测单元获取接收的光束的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：在所述光线整形单元和所述平面光栅之间还设有第一准直反射镜；所述光线整形单元将整形后的光束传播到所述第一准直反射镜上；所述第一准直反射镜将接收到的光束以平行光的形式反射到所述平面光栅上。

3.根据权利要求1所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：在所述平面光栅和所述第二光线折转结构之间还设有第二准直反射镜；所述平面光栅将分光后的光束以平行光的形式传播到所述第二准直反射镜上；所述第二准直反射镜将平行的光束以汇聚光的形式反射到所述第二光线折转结构上。

4.根据权利要求1所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述光源单元包括光源、第一准直透镜和第一聚焦透镜；其中，所述光源发出连续光谱；所述第一准直透镜将所述连续光谱调整为平行的连续光谱；所述第一聚焦透镜将平行的连续光谱汇聚到所述第一光线折转结构上。

5.根据权利要求1所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述光线整形单元包括第二准直透镜和第二聚焦透镜；其中，所述第一光线折转结构传播的光束经所述第二准直透镜调整为平行的光束；平行的光束经所述第二聚焦透镜聚焦后出射。

6.根据权利要求1所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述探测单元包括消像差透镜、第三聚焦透镜和探测器；其中，所述第二光线折转结构将收集到的光束依次经过所述消像差透镜和所述第三聚焦透镜后，进入所述探测器中。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的高分辨率光栅光谱仪，其特征在于：所述第一光线折转结构和所述第二光线折转结构为数字微镜器件；所述第二光线折转结构固定在一维位移平台上，使得所述一维位移平台带动所述第二光线折转结构移动。