[发明专利]一种高灵敏度高分辨率光谱仪

说明书

本发明涉及一种高灵敏度高分辨率光谱仪，属于光谱仪领域。本发明在Czerny‑Turner光路结构基础上进行优化，同样采用两片凹面反射镜和一片光栅，同时增加两片反射镜，由于其中一片反射镜带孔，可以实现两片凹面反射镜均不偏转；相较于Czerny‑Turner光路，该结构能够进一步减小探测器感光面上水平方向光斑尺寸，从而分辨率得到提升；同时，探测器感光面上竖直方向尺寸相较于Czerny‑Turner光路降低一至两个数量级，从而灵敏度大幅提升。

技术领域

本发明涉及光谱仪，特别涉及一种高灵敏度高分辨率光谱仪。

背景技术

光谱仪又称分光仪，一般由一个入射狭缝，一个由透镜或反射镜和光栅或棱镜组成的色散系统，一个由CCD、CMOS或光电倍增管等光电探测器组成的成像系统组成。现有光谱仪大多采用Czerny-Turner光路结构，由入射狭缝、光栅、两片凹面反射镜和一个光电探测器组成，通过优化光栅和两片凹面反射镜的不同偏转角度以实现最佳波长探测范围和分辨率。但该光路结构中不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直高度一般为1mm或更长，对于一些感光高度较小的探测器仅能收集到很小部分的信号光，因而灵敏度受到限制，即需要较长时间才能收集到足够强的信号。同时，Czerny-Turner光路的分辨率极限一般在0.05nm左右，不能满足更高分辨率要求的光谱分析。

发明内容

本发明是针对普遍采用的Czerny-Turner光路结构中不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直高度过大从而影响灵敏度、分辨率不够高等问题，提出一种高灵敏度高分辨率光谱仪。在Czerny-Turner光路结构基础上，增加一片反射镜和一片带孔反射镜用以将反射前和反射后的光分离，同时两片凹面反射镜基本不偏转，使得不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直高度减小1-2个数量级，提升了提升光谱仪的灵敏度，同时，不同波长的光斑焦点在探测器像平面上水平方向尺寸大幅减小，光谱仪分辨率得以提升。

本发明的技术方案为：一种高灵敏度高分辨率光谱仪。

本发明的装置包括：狭缝、第一反射镜、第一凹面反射镜、光栅、第二凹面反射镜、第二反射镜、孔、感光面、消光件。反射镜选取小尺寸金属膜或介质膜反射镜，一般为边长5-10mm，从狭缝入射的光被第一反射镜反射后，经第一凹面反射镜反射准直，后被光栅将不同波长在水平方向衍射至不同角度，再被第二反射镜反射后，经第二凹面反射镜反射，后穿过第二反射镜中的孔，不同波长聚焦于探测器的感光面上水平方向不同位置。这里，第一反射镜相对于狭缝面夹角45度左右，第一凹面反射镜对称轴相对于第一反射镜夹角45度左右，第一凹面反射镜对称轴与光栅法线夹角0度左右，第二凹面反射镜称轴相对于感光面法线夹角0度左右。事实上，该结构相当于Czerny-Turner光路结构中两片凹面反射镜基本不偏转的特殊情况。由于光栅衍射的光一部分会穿过第二反射镜中孔形成杂散光，在第二反射镜之后放置表面带有凹槽的消光件用以吸收杂散光。

本发明的有益效果在于：

1.在Czerny-Turner光路结构基础上，增加第一反射镜和第二反射镜，从而优化光谱仪结构。

2.两片凹面反射镜基本不偏转，使得不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直和水平两个方向尺寸大幅减小，光谱仪的灵敏度和分辨率显著提升。

附图说明

图1为本发明的实施方式的装置结构示意图；

图2为对Czerny-Turner光路结构的模拟结果；

图3为对图1中光路结构的模拟结果；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。