[发明专利]利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪

说明书

【技术领域】：

本发明涉及一种光谱测量仪器，通过使用柱透镜进行像散纠正，结合线阵列CCD探测器，获得更高测量灵敏度。

【背景技术】：

光谱测量仪器普遍用于工业流程在线检测过程，由于线阵列探测器成本低，所以光谱仪器普遍采用线阵列CCD或光电二极管阵列多道探测器。像散是象差的一种，是由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑。在实际使用的线阵列探测的高度一般在1mm以下，而光谱仪光学系统在线阵列探测器的谱面上成像，往往由于像散的问题，在谱线最细即分辨率最高的时候，使得谱线有一定高度，会大于1mm，使得能量无法被CCD线阵列探测器完全接收，造成能量浪费，光谱仪灵敏度下降。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪。该光谱仪使用柱透镜聚焦，纠正光谱仪像散，在小体积下，达到更高的光谱灵敏度。

本发明提供的利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪，包括入射狭缝、柱面透镜、凹面准直反射镜、平面光栅、凹面聚焦反射镜和线阵列CCD探测器，所有光学元件竖直放置在水平面上，其中入射狭缝开口竖直放置。

柱透镜放置如图2、图3，柱透镜与入射狭缝在X轴方向上的距离确定如下，一般是依据光谱仪尺寸，使入射狭缝与柱透镜二者之间距离为2-3cm，使用ZEMAX软件进行优化，得到CCD探测器处的最佳效果，从而确定最佳距离。在Y轴方向上，以狭缝所在X-Z平面为中心，左右对称放置，在Z轴方向上，使柱透镜的光轴与通过狭缝的竖直中心的光重合，这样以解决像散问题。

一般情况下，狭缝宽度为0.2mm，光束高度为0.2mm，如果不使用柱透镜，在CCD探测器处，光束高度会达到5cm。光束的能量密度很分散，灵敏度不高。在相同的配置下，在入射狭缝和凹面准直反射镜之间插入柱透镜进行像散纠正，在CCD探测器处，光束高度会降到1mm以下。光束的能量密度得到提高，灵敏度得到提高。

其后光谱仪部分位置布局同其他普通光谱仪一样。入射光束依次经入射狭缝和柱面透镜后，照射到凹面准直反射镜上，经凹面准直反射镜反射的光束平行照射到平面光栅上，经该平面光栅分光后的光束照射到聚焦反射镜上，并被聚焦到线阵列CCD探测器上。

本发明的优点和积极效果：

本发明使用柱透镜聚焦，纠正光谱仪像散，相比目前常采用的光谱仪光路，在成本提高不多的情况下，提高了光谱仪的测量灵敏度。该仪器具有体积小，价格低廉的特点。

【附图说明】：

图1是利用柱透镜进行像散纠正的光谱仪结构(俯视)示意图。

图2是三种不同形式柱透镜示意图，图2a为正柱透镜(双凸)，图2b为平凸柱透镜，图2c为正弯月柱透镜；

图3是柱透镜放置方向示意图，此图为侧视图，X-Z平面平行纸面，Y轴指向纸内。

图中：1.入射狭缝  2.柱面透镜  3.凹面准直反射镜  4.平面光栅  5.凹面聚焦反射镜  6.线阵列CCD探测器。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的利用柱透镜进行像散纠正的新型光谱仪包括，入射狭缝1，柱面透镜2，凹面准直反射镜3，平面光栅4，凹面聚焦反射镜5，线阵列CCD探测器6。本发明实施例将所有的光学元件竖直放置在光学平台上，规定光学平台所在的平面为X-Y平面，规定光束经入射狭缝出射的方向为X轴方向，规定光学元件竖立的平面方向为Z轴方向(图1为俯视图，所有的光学元件都是竖直放置在X-Y平面上，由于竖直放置，所有光学元件都是Z轴见高，即Z轴指向纸外)。其中：入射狭缝1输出的光束经过柱面透镜2在图中X轴方向对入射光束进行适当聚焦，柱面透镜2与入射狭缝1光轴(同向)重合，也就是说光束从入射狭缝垂直出射，传播适当距离后垂直入射到柱面透镜上，光束照射到凹面准直反射镜3，随后变成平行光照射到平面光栅4，被平面光栅4分光后的光束，照射到聚焦反射镜5上，并随后被聚焦到线阵列CCD探测器6。

在本例中，入射狭缝1距离柱透镜2距离为15mm，凹面准直反射镜3和凹面聚焦反射镜5的反射面曲率半径均为160mm，即焦距为80mm，如果中间没有柱透镜，假如入射狭缝高度为0.2mm，则由于像散，在阵列探测器上形成的谱线高度约为3mm，柱透镜采用平凸形式，高度为12mm，宽度为12mm，凸面曲率半径为50mm，保持同样的入射狭缝高度为0.2mm，在线阵列探测器6表面聚焦后的谱线高度可以降低为0.5mm，能量密度比不使用柱透镜的提高约6倍，仪器灵敏度相应提高约6倍。