[发明专利]一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，属于分析仪器技术领域。

背景技术

光栅光谱仪能够将入射进分光系统内的光按照波长的不同在探测器上分布于不同的位置，进而根据光谱特性来反演物质特性，目前广泛应用于航天航空探测、行星元素组分探测、化学物质分析、农业作物生长状况监测等很多领域。其中反射式光栅光谱仪多采用Czerny-Turner结构，经典的Czerny-Turner结构一般包括入射狭缝、两个球面反射镜(一块用于将从入射狭缝入射进的光进行准直，另一块用于将从光栅衍射的光进行聚焦到探测器上)、一块平面反射光栅和一块探测器构成，结构比较紧凑，具有较高的光谱分辨能力和较好的稳定性。

对于光谱仪探测领域来说，如何在不改动基本的光路结构的条件下，满足多种市场需要是光谱仪的一个重要发展方向。在成本较低的情况下，采用经典的Czerny-Turner型结构，满足基本的光谱探测需要即可。但是在对光谱分析要求较高的领域，一般的光谱仪结构将不能满足要求，这是由于在光谱分光光路中子午焦距与弧矢焦距不等，导致子午像面与弧矢像面不重合，进而产生像散问题；同时由光栅分光的原理可以知道，对于衍射一级的波长λ来讲，它在探测器上的位置与波长λ/2的二级衍射光，λ/3的三级衍射光…等相重合，这就是在宽光谱探测时光栅光谱仪中普遍存在的光谱重级的问题；这些问题的存在阻碍了光栅光谱仪在航天航空探测及原子光谱分析等领域内的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服目前已有的经典型Czerny-Turner结构存在的像散及宽光谱范围内存在的不同衍射级数光谱重叠的问题，提供一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，在Czerny-Turner结构的基础上加入一片轮胎透镜和一片消级滤光片，形成新的光谱光路结构。在新的光谱仪光路结构中，不会对原来的光学元件及探测器作位置或者角度的改变，此方法既适合对已有的光谱光路进行改造，也适合制作新的光谱仪。

本发明的技术解决方案：一种消像散宽光谱探测光栅光谱仪，包括扫描单元、集光单元、光栅分光单元、信号处理单元及显示单元；其中光栅分光单元包括入射孔、准直反射镜、反射衍射光栅、聚焦反射镜、轮胎透镜、消级滤光片；信号处理单元包括光电探测器、A/D转换电路、光谱信号处理子单元；

扫描单元位于集光单元之前，集光单元位于光栅分光单元之前，在集光单元之后随光路走向依次是入射孔、准直反射镜、反射衍射光栅、聚焦反射镜、轮胎透镜、消级滤光片及光电探测器；入射孔位于集光单元的光路焦点处，集光单元出射光轴、入射孔与准直反射镜同轴，其中准直反射镜反射面面向入射孔且倾斜放置；反射衍射光栅的光栅面与准直反射镜的反射面相对；聚焦反射镜位于反射衍射光栅的后面，聚焦反射镜的反射面与反射衍射光栅的反射面相对；聚焦反射镜之后是轮胎透镜，轮胎透镜之后是消级滤光片，最后是信号处理单元；消级滤光片之后是光电探测器，消级滤光片的出射面与光电探测器的接收面相对；

扫描单元对待测试目标范围内的信号光进行扫描，集光单元收集待测试目标的信号光；收集到的光信号经入射孔后入射到准直反射镜上进行准直，准直后的光反射到反射衍射光栅上进行衍射分光后送至聚焦反射镜；聚焦反射镜将从反射衍射光栅衍射出的光进行聚焦后送至轮胎透镜进行消除像散处理；之后经过消级滤光片后送至光电探测器；光电探测器将探测到的光信号转化为电信号；A/D转换电路将光电探测器得到的模拟电信号转化为数字电信号，并交由光谱信号处理子单元进行处理；所述光谱信号处理子单元将数字电路信号进行处理，并将光谱特征信息进行进一步的优化计算，除去杂散光的光谱信号，得到目标光谱特征信息，交由显示单元进行显示；

所述反射衍射光栅为一般反射衍射光栅或闪耀光栅或中阶梯光栅；

所述消级滤光片的表面进行镀膜处理，使不需要级次的衍射光反射或吸收；

去除轮胎透镜和消级滤光片之后，剩余部分依然能够构成新的光谱仪，但存在像散或光谱重级问题。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

在以上的设计中，突出的创新点在于加入了轮胎透镜和消级滤光片，进而使本发明具有一般光谱仪所不具有的突出优点，描述如下：

1.加入轮胎透镜可以消除一般光谱仪中存在的像散。轮胎透镜在子午面和弧矢面方向的焦距不同，进而可以使子午面和弧氏面内的光聚焦到同一像面上，且在本发明中在轮胎透镜加入之后不改变子午面的焦距；

2.消级滤光片的存在可以消除宽光谱探测时光栅光谱仪存在的重级问题，进而可以防止非需要级次的衍射光进入探测器形成杂散光；