[实用新型]一种采用面阵式CCD探测器的多光栅单色仪

说明书

本实用新型属于光学电子器件领域，是一种采用面阵式CCD探测器的多光栅单色仪。

单色仪是一种光子能量和波长选择器，是一种基本的光谱分析和测量仪器，在光学和光电子领域有着广泛的应用，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收和光反射光谱，以及调制光谱等众多光谱分析仪器的核心光学器件。其中，在近紫外至近红外区，应用最广泛的是光栅型单色仪，这是利用了波动性的光子在光栅上产生衍射的原理。光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米1200条或每毫米1800条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求。光子落在这些细槽上，由于衍射的作用，将引起各光波的振幅和相位发生叠加，反射后的光子便会按能量或波长在空间有规则地排列起来，其关系式为：

dsinθ_m=mλ                  (1)式中d和θ_m分别是光栅的槽间距和第m级的波长为λ的光子在空间的分布角(θ_m被定义为反射光子方向与光栅法线之间的夹角)。因此，如取m=1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级衍射光子。在传统光栅单色仪的设计中，均固定光子的入射和出射狭缝位置不变，而采用一个机械结构体控制光栅的θ角转动，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子。

采用上述结构的光栅单色仪，在实际使用中需要解决下述两个问题：

1．当单色仪在较宽的波长区工作时，为提高仪器的波长分辨率和获得最佳的信噪比质量，需要根据所工作的光谱波长区不断更换光栅。例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，方能较好地满足光谱线精确测量的要求。

2．由公式(1)可知，在某θ角位置，m=1的较长波长和m=2(或更高次)较短波长的衍射光会同时出现。因此，根据实际的波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤光片，将m=2(或更高次)的高次衍射光滤去，方能满足被检测光子单色性的要求。

在目前大多数商品单色仪结构中，上述两个控制功能(置换光栅和滤色片)均通过独立的机械传动结构进行，(参考文献1．光栅单色仪产品说明书，Oriel Corporation,250 Long Beach Blvd.Stratford,CT,06497-0872,USA。参考文献2．光栅单色仪产品说明书，ScientificMeasurement Systems,Inc.2527 Foresight Circle Junction,CO81505-1007,USA)。这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，尤其是置换光栅时，需对系统的波长位置进行重新精确定标和调整，十分费时和麻烦。

为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，可取代单一光子探测器，在较宽的光谱范围对波长进行快速扫描。由于受到由公式(1)所决定的光栅结构的限制，即使采用面阵式CCD探测器，仍难用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描。因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤光片，方能实现高质量和高精度的波长扫描。在上述商品CCD光栅单色仪设计中，即：

光栅G_x→CCD

光栅G_x为一块或多块光栅组成，并由步进马达等机械传动机构控制，通过面阵式CCD探测器，实现对波长的扫描和测量。由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式CCD探测器的优点。另外，当控制光栅转动时，在机械位移极限位置长短波长的两端，需采用专门的限位开关，以防止机械位移过头而对单色仪造成损坏。这也增加了系统设计和结构的复杂性。

本实用新型的目的在于提出一种通过面阵式CCD探测器，可在全光谱区实现快速扫描、结构简单、使用可靠的多光栅单色仪。