[发明专利]成像光谱仪

说明书

本发明涉及一种能获得光谱空间分布图像的光谱仪器。

光谱测量可以获得物质的成份和结构的信息，在科研、工业生产（分析）和环境监测中有极广泛的用途。但是，传统的光谱仪器均由入射狭缝、分光系统和出射狭缝（或平面）三部分组成。光束经入射狭缝进入光谱仪，分光之后入射狭缝的像沿焦平面色散展开，因而只能获得均匀介质或样品被激发区局部的“波长-光强”光谱信息。随着科学技术的发展，在等离子体或高温燃烧喷焰的诊断，活体生物细胞、组织的生理及生化研究，地貌光谱遥感技术等领域内，需要进行大量的光谱空间分布测量。为了实现这一目的，目前通常采用两个技术途径和装置：（1）样品或激发光束作X-Y扫描，然后作常规测量，计算机进行三维光谱图像显示;（2）滤光片-照相机（或摄像机）检测，计算机图像处理。用上述两种方法去获得光谱空间分布各存在问题是：第一种方法虽然光谱准确度很高，但由于在x-y扫描时受到机械扫描精度、聚焦光斑直径等限制，所以空间分辨率很差（约为100μ，也即10对线/毫米）第二种方法的空间分辨率虽然有很大改善（约为40～100对线/毫米），但是使用滤光片分光，带宽为150以上，光谱准确差。除此以外，逐点扫描时间慢，信号利用率低，使用滤光片波长固定，不能连续变化。

本发明的目的是研制一种结构简单，波长和带宽可自由调节，可以一次获得样品的光谱空间分布精确图像的成像光谱仪。

本发明利用“色散选通光学复合”原理，整个成像光谱仪由把图像光束分解成一列互相重迭的色散像的成像分光系统和把从分光系统选取到的一段色散像复合变成成像光谱的光学复合系统两部分组成，能一次获得样品的光谱空间分布图像。具体如附图1所示。图1中，a为成像分光系统，b为光学复合系统，其中成像分光系统由成像镜头1（输出部件）、准光镜2、色散光栅3、成像（凹面）反射镜4、光谱选通光5所组成，准光镜2置于成像镜头1的主轴上;光学复合系统由像光束准光镜6、光学复合光栅7、成像反射镜8、输出窗口9、检测器10所组成。样品光束通过成像镜头1成像后由准光镜2变成平行光，再经色散光栅3色散和反光镜4反射后，可形成一列互相重迭的像，通过调节光谱选通光5截取所需的波长和带宽的光束，进入光学复合系统。在光学复合系统中，光束经准光镜6、光学复合光栅7、成像反射镜8后，在仪器的输出窗口9可获得样品的光谱空间分布精确图像并用检测器10进行测量。同步改变两系统中的光栅3和7的转角，可以得到不同波长的光谱图像输出，改变光谱调节光5的宽度即可改变输出光谱图像的带宽。本光路具有高度共轭对称性，输出焦平面的平直度很好，图像质量很好，可以很方便地与照相机、摄像管匹配，进行检测。

表1为三种光谱空间分布测量方法比较表，表2为利用照相机作本仪器的图像质量测试结果。

表1  三种光谱空间分布测量方法比较表

表2  利用照相机作本仪器的图像质量测试结果

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。图2是成像光谱仪的结构及光路图，它采用Littrow自准式分光光路兼作光学复合，图2中整个仪器由成像镜头11，自准式准光镜12，起色散和光学复合作用的平面光栅13，反射镜14、15、16，带宽选通光19，波长调节机构18，输出窗口17组成。准光镜12置于成像镜头11的主轴上，由成像镜头11所形成的像落在准光镜12的焦点上;平面光栅13位于准光镜12的法线的一侧，成像镜头11位于准光镜12的法线的另一侧，它们的中心点与准光镜12的光心的连线分别和准光镜12的法线所构成的夹角相等，平面光栅13的衍射角按自准式摆布;反射镜14、16位于成像镜头11的主光轴与准光镜12和平面光栅12中心连线所构成的夹角之内，反射镜15位于反射镜14反射出来的单色光的焦平面上，输出窗口17则在反射镜16反射出来光束的焦焦面上。为了使输入和输出光束相分离，反射镜15要稍微倾斜。从图2可以看到，图像光束经成像镜头11投射到准光镜12上，光线变成平行光束以一定角度射向光栅13，对于选定波长的光束，它会自准式地返回准光镜12，再由共轭反射镜14把光束折向色散焦平面（反射镜15处），在那里图像按颜色（波长）展开成一列互相重迭的色散像。通过带宽选通光选取一段频带的光束，色散光束由反射镜15逆向折回，光线重新回到准光镜12和光栅13，进行光学复合，再经准光镜12和反射镜16折向输出窗口17，在那里我们可以获得所选定的波长和带宽的光谱空间分布图像。如一般自准式分光仪一样，转动波长调节机构18，可转动平面光栅13，获得不同波长图像的输出。在本实施例中，成像镜头11采用标准照相机镜头或变焦镜头，自准式准光镜12的焦距f＝500mm，φ120mm;平面光栅1200线/毫米，反射镜14、15、16为一般平面反射镜。