專利名稱：高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學分析儀器領域，具體涉及一種高分辨、微小型、寬光譜反射式光柵 光譜儀光學系統(tǒng)。
背景技術：
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，如重量輕、體積小、探測 速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，可以應用在實驗室物理化學分 析、臨床醫(yī)學檢驗、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領域。目前光譜儀器其結(jié)構的微小型化往往導致了下面三個問題一是儀器性能指標較 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)復雜、難度較大，導致成 本較高和無法實現(xiàn)一體化混合集成。目前，與本發(fā)明接近的已有技術是2008年5月觀日公開的中國發(fā)明專利，其專利 名稱為《寬光譜高分辨率微型光譜儀》，專利號為200710093178. 5，此寬光譜高分辨率微型 光譜儀的結(jié)構如圖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和光電探測器7組成；該光學系統(tǒng)通過控制 電路，達到閉合第一狹縫1和第二狹縫2，實現(xiàn)只有一路光進入光學系統(tǒng)，從而對不同波段 進行分光。這種將光譜儀系統(tǒng)不同波段進行多光路分光的設計思路，雖然可以實現(xiàn)寬光譜 范圍，但仍然存在以下不足之處一、對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，對于像差的校正能力有限，很難達到較高的分辨率；三、由于系 統(tǒng)的復雜化，對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系統(tǒng)。高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光纖接口、狹縫、準直 物鏡、成像物鏡和探測器像面；它還包括平面反射光柵和轉(zhuǎn)動平臺，所述平面反射光柵安裝 在轉(zhuǎn)動平臺上，樣品光源耦合至光纖接口后經(jīng)過狹縫入射至準直物鏡，所述光源經(jīng)準直物 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 至探測器像面處形成圖像信號，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準直物鏡和成像物鏡 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系統(tǒng) 采用反射式結(jié)構形式，經(jīng)過樣品并攜帶物質(zhì)光譜信息的光源耦合進光纖，經(jīng)過狹縫照射到 準直物鏡上，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 像到探測器像面處。本發(fā)明所述系統(tǒng)實現(xiàn)了從紫外到中紅外的寬光譜范圍，通過轉(zhuǎn)動平臺 轉(zhuǎn)動平面反射光柵在子午方向的角度，從而調(diào)整準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，所述R為球面反射鏡曲率半徑，使系統(tǒng)子午場曲為零，進而使成像譜 線在探測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，使準直物鏡和成像 物鏡的加工和裝調(diào)更容易實現(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 度變化實現(xiàn)較寬的光譜。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明光學系統(tǒng)體積小，重量輕；通過改變光柵角度實現(xiàn)寬 光譜范圍；兩個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 安排合理，實現(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，同時系統(tǒng)的 加工公差寬。
圖1為現(xiàn)有光學系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；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系統(tǒng)的結(jié)構示意 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、光電探測器，8、光纖接口，9、狹縫，10、準直物鏡，11、 平面反射光柵，12、轉(zhuǎn)動平臺，13、成像物鏡，14、探測器像面。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖2說明本實施方式，高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜 儀光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括該系統(tǒng)包括光纖接口 8、狹縫9、準直物鏡10、成像物鏡13和探測器 像面14 ；它還包括平面反射光柵11和轉(zhuǎn)動平臺12，所述平面反射光柵11安裝在轉(zhuǎn)動平臺 12上，樣品光源耦合至光纖接口 8后經(jīng)過狹縫9入射至準直物鏡10，所述光源經(jīng)準直物鏡 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 光束成像至探測器像面14處形成圖像信號，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準直物鏡 10和成像物鏡13為球面反射鏡。本實施方式所述的準直物鏡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；本實施方式將平面反射光柵11安裝在轉(zhuǎn)動平臺12上，對于不同波段的入射光進 行調(diào)整，實現(xiàn)寬光譜范圍；本發(fā)明所述的光學系統(tǒng)采用完全對稱結(jié)構，使系統(tǒng)的彗差得到很好的控制，幾乎 為零；本發(fā)明實現(xiàn)從紫外到中紅外的寬譜段，所述光學系統(tǒng)為體積小，結(jié)構簡單，公差帶較 寬，并且能夠獲得較高分辨率的光譜儀光學系統(tǒng)。本發(fā)明特別適合應用在實驗室物理化學 分析、臨床醫(yī)學檢驗、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領域。
權利要求
1.高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光纖接口(8)、狹縫 (9)、準直物鏡(10)、成像物鏡(1 和探測器像面(14)；其特征是，它還包括平面反射光柵 (11)和轉(zhuǎn)動平臺(12)，所述平面反射光柵(11)安裝在轉(zhuǎn)動平臺(1 上，樣品光源耦合至 光纖接口(8)后經(jīng)過狹縫(9)入射至準直物鏡(10)，所述光源經(jīng)準直物鏡(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 像至探測器像面(14)處形成圖像信號，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準直物鏡(10) 和成像物鏡(1 為球面反射鏡。
2.根據(jù)權利要求1所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學系統(tǒng)，其特征在 于，所述準直物鏡(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)權利要求1所述的高分辨、微小型、寬光譜反射式光譜儀光學系統(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系統(tǒng)，涉及光學分析儀器領域，它解決了現(xiàn)有光學系統(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)復雜的問題，本發(fā)明系統(tǒng)包括光纖接口、狹縫、準直物鏡、成像物鏡和探測器像面；它還包括平面反射光柵和轉(zhuǎn)動平臺，所述平面反射光柵安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，樣品光源耦合至光纖接口后經(jīng)過狹縫入射至準直物鏡，所述光源經(jīng)準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器像面處形成圖像信號，分析樣品光源的光譜吸收成分；所述準直物鏡和成像物鏡為球面反射鏡。本發(fā)明廣泛應用于野外地址、水文勘測及軍事偵查的便攜光譜儀中。
文檔編號G01J3/02GK102141440SQ20101061358
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權日2010年12月30日
發(fā)明者張新, 王靈杰 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所