[发明专利]一种光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱辐射测量和光谱分析装置，具体涉及一种光谱仪。

背景技术

传统的光栅光谱仪一般由光学腔、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器构成，结构如图1所示，为使光谱仪的设计紧凑，一般还采用如图2所示的结构。入射狭缝位于准直镜的焦点上或焦点附近，准直镜准直来自入射狭缝的光束，如图2虚线所示，光栅将准直光束分光形成单色光，并由聚焦成像装置成像至阵列探测器的光敏面。各单色光在光敏面上逐行排列，通过阵列探测器可实现各单色光光信号的快速测量。

为了将各波长单色光逐一、清晰成像至阵列探测器表面，聚焦成像装置一般要求具有较大尺寸。在光谱仪内部，光栅的部分零级光将入射至聚焦成像装置，并成像至阵列探测器光敏面附近，甚至光栅上，如图1及图2虚线所示，产生极强的杂散光，导致测量结果的准确度不高；并且为避免这部分杂散光的影响，光谱仪的结构设计和光谱测量范围均存在较大限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种可大幅降低杂散光、结构更加紧凑、测试结果更加准确的一种光谱仪。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种光谱仪，包括入射狭缝、会集装置、光栅、聚焦成像装置和阵列探测器，其特征在于，所述的入射狭缝位于会集装置的焦点以外，入射光束经过入射狭缝进入光谱仪，入射光束经会集装置后会聚入射到光栅，光栅将会聚入射光分光，分光后的衍射光以会聚方式出射，聚焦成像装置接收来自光栅的单色衍射光，并将光谱像成至阵列探测器上，阵列探测器探测各单色衍射光的信号。

在现有光谱仪中，入射狭缝位于准直镜的焦点上或焦点附近，来自入射狭缝的入射光束经准直镜获得平行光。本发明中，入射狭缝位于会集装置的焦点以外，即入射狭缝与会集装置的光学距离大于会集装置的焦距，入射光束经会集装置后获得会聚光束。会聚光束入射至光栅表面进行分光。相同条件下，相比于准直镜，会集装置的应用可使得光束会聚入射至光栅，从而可减小光栅的尺寸，且光栅的各级衍射光均会聚出射，光栅出射的零级光与一级衍射光可以在更短的距离内有效分离，当各光学器件的相对位置不变，用于接收所需波段的聚焦成像装置的尺寸可以相应减小，各光学器件之间获得较大空隙，允许光栅出射的零级光从空隙完全出射，有效地避免因光栅出射的零级光直接入射聚焦成像装置而形成的大量杂散光，大幅提高光谱仪的杂散光控制水平。不仅如此，由于光栅出射的零级光在短距离处即可与一级衍射光实现完整分离，不仅上述光栅和聚焦成像装置的尺寸可以减小，且聚焦成像装置和光栅之间的相对距离也可以适当减小，光谱仪的结构设计可以更加紧凑，聚焦成像装置也可以更容易接收更宽波段的单色衍射光，拓宽光谱仪的测量波段范围。

相比于现有技术，本发明入射狭缝与会集装置之间的光学距离大于会集装置的焦距，通过这一关键设计使光栅入射光和出射光均以会聚方式到达光学器件，不仅可减小光学器件的尺寸，而且有效地避免光栅出射的零级光直接入射至聚焦成像装置，降低因其成像而造成的大量杂散光。同时，光谱仪光学系统的设计有足够的空间，其结构也可以更加紧凑，具有杂散光低、结构紧凑和测量准确度高等多重特点。

本发明可以通过以下技术特征进一步完善和优化：

在本发明中，入射狭缝为光谱仪中输入被测光、具有一定宽度的狭缝，例如，当光谱仪设置于暗箱中，入射狭缝可以为暗箱上输入被测光的指定开孔，或者该开孔处所安装的导光光纤的光束输出狭缝。上述的会集装置为将入射光束会聚至光栅表面的光学器件，可以为单片反射镜，或反射镜组，或为透射镜与反射镜的指定组合等。上述的聚焦成像装置为可以将光栅衍射光聚焦成像至阵列探测器光敏面的光学器件，可以为单片反射镜，或者反射镜组，或者为透射镜与反射镜的指定组合等。上述的阵列探测器为线阵列探测器或者为面阵列探测器。

所述的入射狭缝位于会集装置的一倍焦距和两倍焦距之间。本发明中，会集装置与入射狭缝之间的光学距离决定了光谱仪内部光学器件的布置设计，以及其前后光路所占空间的比例。将入射狭缝设置于会集装置的一倍焦距和两倍焦距之间，光谱仪内部的光学器件可以较为合理地布局，且获得较好的成像质量。

所述光谱仪为正C-T结构的光谱仪，或者为交叉C-T结构的光谱仪。正C-T结构和交叉C-T结构的光谱仪分别如图1和图2所示。在上述两种结构的光谱仪中，将入射狭缝设置于会集装置的焦点以外，均可以使光栅出射的零级光会聚出射，避免光栅出射的零级光直接入射至聚焦成像装置中，降低其成像杂散光对光谱测量的影响。