專利名稱：高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)分析儀器領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨、微小型、寬光譜反射式光柵 光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微小型光纖光譜儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、體積小、探測(cè) 速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，可以應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)分 析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領(lǐng)域。目前光譜儀器其結(jié)構(gòu)的微小型化往往導(dǎo)致了下面三個(gè)問題一是儀器性能指標(biāo)較 差，主要是光譜分辨力；二是光能傳遞效率較低；三是加工及裝調(diào)復(fù)雜、難度較大，導(dǎo)致成 本較高和無法實(shí)現(xiàn)一體化混合集成。目前，與本發(fā)明接近的已有技術(shù)是2008年5月觀日公開的中國(guó)發(fā)明專利，其專利 名稱為《寬光譜高分辨率微型光譜儀》，專利號(hào)為200710093178. 5，此寬光譜高分辨率微型 光譜儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示其由第一狹縫1、第二狹縫2、第一平面反射鏡3、第二平面反射 鏡4、第一凹面反射光柵5、第二凹面反射光柵6和光電探測(cè)器7組成；該光學(xué)系統(tǒng)通過控制 電路，達(dá)到閉合第一狹縫1和第二狹縫2，實(shí)現(xiàn)只有一路光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，從而對(duì)不同波段 進(jìn)行分光。這種將光譜儀系統(tǒng)不同波段進(jìn)行多光路分光的設(shè)計(jì)思路，雖然可以實(shí)現(xiàn)寬光譜 范圍，但仍然存在以下不足之處一、對(duì)于光譜儀的小型化是沒有好處的；二、在成像系統(tǒng) 中采用單塊凹面反射光柵，對(duì)于像差的校正能力有限，很難達(dá)到較高的分辨率；三、由于系 統(tǒng)的復(fù)雜化，對(duì)于元件的加工和裝調(diào)的難度大大增加；四、由于光源經(jīng)過分光其能量利用率 大大下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)儀器的光譜分辨力差、光能傳遞效率低且儀器加工裝 調(diào)復(fù)雜的問題，提供一種高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光纖接口、狹縫、準(zhǔn)直 物鏡、成像物鏡和探測(cè)器像面；它還包括平面反射光柵和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，所述平面反射光柵安裝 在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，樣品光源耦合至光纖接口后經(jīng)過狹縫入射至準(zhǔn)直物鏡，所述光源經(jīng)準(zhǔn)直物 鏡出射的平行光束入射至平面反射光柵后反射至成像物鏡，經(jīng)所述成像物鏡后的光束成像 至探測(cè)器像面處形成圖像信號(hào)，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡 為球面反射鏡。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng) 采用反射式結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過樣品并攜帶物質(zhì)光譜信息的光源耦合進(jìn)光纖，經(jīng)過狹縫照射到 準(zhǔn)直物鏡上，出射的平行光線照射到平面反射光柵，并反射到成像物鏡，成像物鏡將光線成 像到探測(cè)器像面處。本發(fā)明所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從紫外到中紅外的寬光譜范圍，通過轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái) 轉(zhuǎn)動(dòng)平面反射光柵在子午方向的角度，從而調(diào)整準(zhǔn)直光線在平面反射光柵上的入射角度和衍射光線的衍射角度，實(shí)現(xiàn)了較寬的光譜工作波段。所述系統(tǒng)將焦平面位置調(diào)整至子午像 面處，使系統(tǒng)像散量在子午方向最小，進(jìn)而使成像譜線尺寸在子午方向上(即譜線排列方 向)寬度最小，有利于不同光譜段之間的分辨。所述系統(tǒng)將平面反射光柵放置在至球面反 射鏡距離為0. 423R時(shí)，所述R為球面反射鏡曲率半徑，使系統(tǒng)子午場(chǎng)曲為零，進(jìn)而使成像譜 線在探測(cè)器上形成的彌散斑最小，平直性最好，增加了光譜儀的分辨力。本發(fā)明所述的準(zhǔn)直 物鏡和成像物鏡采用曲率相同的球面反射鏡，只是采用了不同的口徑，使準(zhǔn)直物鏡和成像 物鏡的加工和裝調(diào)更容易實(shí)現(xiàn)，平面反射光柵作為分光元件，通過平面光柵子午方向的角 度變化實(shí)現(xiàn)較寬的光譜。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)體積小，重量輕；通過改變光柵角度實(shí)現(xiàn)寬 光譜范圍；兩個(gè)凹球面反射鏡的使用有效的避免了二次衍射，很好的抑制了雜散光；結(jié)構(gòu) 安排合理，實(shí)現(xiàn)了較高的分辨率；本發(fā)明系統(tǒng)獲得寬的光譜范圍，高的分辨率，同時(shí)系統(tǒng)的 加工公差寬。


圖1為現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。圖中1、第一狹縫，2、第二狹縫，3、第一平面反射鏡，4、第二平面反射鏡，5、第一凹 面反射光柵，6、第二凹面反射光柵，7、光電探測(cè)器，8、光纖接口，9、狹縫，10、準(zhǔn)直物鏡，11、 平面反射光柵，12、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，13、成像物鏡，14、探測(cè)器像面。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜 儀光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括該系統(tǒng)包括光纖接口 8、狹縫9、準(zhǔn)直物鏡10、成像物鏡13和探測(cè)器 像面14 ；它還包括平面反射光柵11和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)12，所述平面反射光柵11安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái) 12上，樣品光源耦合至光纖接口 8后經(jīng)過狹縫9入射至準(zhǔn)直物鏡10，所述光源經(jīng)準(zhǔn)直物鏡 10出射的平行光束入射至平面反射光柵11后反射至成像物鏡13，經(jīng)所述成像物鏡13后的 光束成像至探測(cè)器像面14處形成圖像信號(hào)，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準(zhǔn)直物鏡 10和成像物鏡13為球面反射鏡。本實(shí)施方式所述的準(zhǔn)直物鏡10和成像物鏡13為半徑相同曲率中心重合的凹球面 反射鏡，有效的避免了二次衍射所帶來的雜散光背景；便于反射鏡的加工和裝調(diào)，使系統(tǒng)具 有較寬的公差帶；本實(shí)施方式將平面反射光柵11安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)12上，對(duì)于不同波段的入射光進(jìn) 行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍；本發(fā)明所述的光學(xué)系統(tǒng)采用完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的彗差得到很好的控制，幾乎 為零；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)從紫外到中紅外的寬譜段，所述光學(xué)系統(tǒng)為體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，公差帶較 寬，并且能夠獲得較高分辨率的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明特別適合應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué) 分析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光纖接口(8)、狹縫 (9)、準(zhǔn)直物鏡(10)、成像物鏡(1 和探測(cè)器像面(14)；其特征是，它還包括平面反射光柵 (11)和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)(12)，所述平面反射光柵(11)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)(1 上，樣品光源耦合至 光纖接口(8)后經(jīng)過狹縫(9)入射至準(zhǔn)直物鏡(10)，所述光源經(jīng)準(zhǔn)直物鏡(10)出射的平行 光束入射至平面反射光柵(U)后反射至成像物鏡(13)，經(jīng)所述成像物鏡(1 后的光束成 像至探測(cè)器像面(14)處形成圖像信號(hào)，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準(zhǔn)直物鏡(10) 和成像物鏡(1 為球面反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，所述準(zhǔn)直物鏡(10)和成像物鏡(1 為半徑相同、曲率中心重合的凹球面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于，該系統(tǒng)的工作波段為紫外、可見、近紅外和中紅外波段范圍。
全文摘要
高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，涉及光學(xué)分析儀器領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)的儀器的光譜分辨力差、光能傳遞效率低且儀器加工裝調(diào)復(fù)雜的問題，本發(fā)明系統(tǒng)包括光纖接口、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、成像物鏡和探測(cè)器像面；它還包括平面反射光柵和轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，所述平面反射光柵安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，樣品光源耦合至光纖接口后經(jīng)過狹縫入射至準(zhǔn)直物鏡，所述光源經(jīng)準(zhǔn)直物鏡出射的平行光束入射至平面反射光柵后反射至成像物鏡，經(jīng)所述成像物鏡后的光束成像至探測(cè)器像面處形成圖像信號(hào)，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡為球面反射鏡。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于野外地址、水文勘測(cè)及軍事偵查的便攜光譜儀中。
文檔編號(hào)G01J3/02GK102141440SQ20101061358
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者張新, 王靈杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所