一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀制造技術

本發明專利技術提供了一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，包括入射模塊、準直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；準直鏡設置在入射模塊的出射光路上，光柵設置在所述準直鏡的出射光路上，聚焦鏡設置在光柵的出射光路上，線陣CCD芯片設置在所述聚焦鏡的出射光路上；入射模塊用于將光譜儀的工作波段分割為數個子波段，并控制每次只有一個子波段的光束出射；準直鏡用于將所述入射模塊的出射光準直后以不同傾角入射在光柵上，以不同傾角入射的不同子波段的光束的中心波長具有相同的衍射角，經所述光柵反射的光再經所述聚焦鏡后投射在線陣CCD芯片上。本發明專利技術通過光譜的波段分割技術及光柵的空分復用技術可以大幅提升光譜儀的分辨率和靈敏度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光譜測量
，更具體地，涉及一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀。
技術介紹
光譜測量和分析儀器，主流的技術方案有兩類，第一類是以單色儀進行波長掃描，以單通道光探測器逐個波長接收，繪出光譜圖；第二類是以光柵將所有波長同時色散展開，以一個線陣光探測器同時接收所有波長的光功率，繪出光譜圖。第一類光譜儀采用串行信號處理方式，光譜分辨率較高，但繪制一張光譜圖需要較長時間，不能滿足實時快速處理的需求，并且為了實現寬光譜測量范圍，往往需要采用多級波長掃描裝置，結構復雜且可靠性差；第二類光譜儀采用并行信號處理方式，光譜分辨率較低，但光譜分析速度快，可以滿足實時快速光譜分析的需求，并且具有結構簡單和可靠性高的優勢。基于光柵和線陣光探測器的第二類光譜儀，一般采用Czerny-Turner型光學系統，從狹縫入射的光信號，首先被一個準直鏡準直為平行光，入射在一個反射式光柵上，不同波長的光信號被色散展開為不同衍射角，再由一個聚焦鏡將不同波長的光信號聚焦到線陣光探測器上的不同位置，從而檢測各個波長的光信號強度，繪出光譜圖。為了矯正光學系統的像散(光學像差的一種)，往往在聚焦鏡與線陣光探測器之間加入一個凹形柱面反射鏡。除光學系統的像差之外，從原理上影響第二類光譜儀分辨率的主要因素有兩個。其一，為了保證一定的入射光通量，光譜儀的入射狹縫應有一定的寬度，因此經準直之后不能得到理想的平行光，導致同一個波長的光信號最終在線陣光探測器上不能聚焦為一個理想線譜，而是存在一定的譜線彌散效應。其二，線陣光探測器，通常采用CCD(電荷耦合元件，以下將第二類光譜儀稱為線陣CCD型光譜儀)，都是由一個個像素構成，每個像素都有一定的尺寸，因此靠得很近的兩條譜線，會聚焦在同一個像素上，不能完全分辨開。現有的線陣CCD型光譜儀結構一般采用Czerny-Turner型光學系統，從狹縫入射的光信號，首先被一個準直鏡準直為平行光，入射在一個反射式光柵上，不同波長的光信號被色散展開為不同衍射角，再由一個聚焦鏡將不同波長的光信號聚焦到線陣CCD上的不同位置，從而檢測各個波長的光信號強度。然而，現有的線陣CCD光譜儀存在波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題。
技術實現思路
針對現有技術的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種寬光譜高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，旨在解決現有的線陣CCD光譜儀存在的波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題。本專利技術提供了一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，包括：入射模塊、準直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；所述準直鏡設置在所述入射模塊的出射光路上，所述光柵設置在所述準直鏡的出射光路上，所述聚焦鏡設置在所述光柵的出射光路上，所述線陣CCD芯片設置在所述聚焦鏡的出射光路上；入射模塊用于將光譜儀的工作波段分割為數個子波段，并控制每次只有一個子波段的光束出射；所述準直鏡用于將所述入射模塊的出射光準直后以不同傾角入射在所述光柵上，以不同傾角入射的不同子波段的光束的中心波長具有相同的衍射角，經所述光柵反射的光再經所述聚焦鏡后投射在所述線陣CCD芯片上。更進一步地，所述入射模塊與所述準直鏡之間的距離為所述聚焦鏡與所述線陣CCD芯片的距離為其中，f1為準直鏡焦距，α1為準直鏡離軸角，f2為聚焦鏡焦距，α2為聚焦鏡離軸角。更進一步地，所述入射模塊包括：狹縫陣列、濾光片陣列和活動光闌；所述狹縫陣列設置在垂直于光軸的方向上；所述濾光片陣列設置于所述狹縫陣列之前或之后，且所述濾光片陣列中每個子濾光片與所述狹縫陣列中的每個狹縫一一對應；所述活動光闌設置于所述濾光片陣列之后。更進一步地，所述入射模塊包括：狹縫陣列、濾光片陣列和活動光闌；所述狹縫陣列設置在垂直于光軸的方向上；所述濾光片陣列設置于所述狹縫陣列之前或之后，且所述濾光片陣列中每個子濾光片與所述狹縫陣列中的每個狹縫一一對應；所述活動光闌設置于所述狹縫陣列之前。更進一步地，所述濾光片陣列中子濾光片的數量與所述狹縫陣列中狹縫的數量相同。更進一步地，每個子濾光片的帶通范圍對應一個子波段范圍。更進一步地，所述狹縫陣列中各個狹縫與光軸的距離按其子波段中心波長衍射角相等的原則確定。更進一步地，所述準直鏡為透鏡式準直鏡，所述透鏡式準直鏡與所述狹縫陣列共光軸設置。更進一步地，所述準直鏡為反射式準直鏡，所述反射式準直鏡的反射面正對所述狹縫陣列的中心。更進一步地，所述活動光闌用于控制每個子波段的光束依次進入光學系統；活動光闌包括：光闌和步進電機，所述步進電機用于控制所述光闌的運動方向及距離。總體而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，采用了一個狹縫陣列+帶通濾光片+活動光闌組合結構代替單個狹縫，將工作波段分割成數個子波段，實現了光譜的波段分割技術；設計使不同子波段光線以不同的入射角入射、以相同的衍射角出射，實現了光柵的空分復用技術。本專利技術通過光譜的波段分割技術及光柵的空分復用技術克服了傳統線陣CCD型光譜儀波長分辨率不高和光譜靈敏度低的問題，大幅提升了光譜儀的分辨率和靈敏度。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供的透射式的線陣CCD型光譜儀結構示意圖；圖2為本專利技術實施例提供的反射式的線陣CCD型光譜儀結構示意圖；圖3為光柵的空分復用原理；圖4為光譜的波段分割方法—透射式；圖5為光譜的波段分割方法—反射式；圖6為現有的光纖輸入方式；圖7為本專利技術的光纖輸入方式；圖8為帶通濾光片的透射譜。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。由于波長分辨率是光譜儀最關鍵的技術指標之一，對于線陣CCD型光譜儀，除了光學系統的像差之外，從工作原理上影響波長分辨率的主要因素有兩個：其一是線陣CCD芯片上的像素數量是有限的，波長非常靠近的兩支譜線聚焦在同一個像素上，不能完全分辨開；其二是考慮入射光通量，狹縫總有一定寬度，因此準直之后不能得到理想平行光，最終在線陣CCD芯片上不能聚焦為一個理想線譜，而是存在一定的彌散效應。針對這兩個影響因素，提高“像素數量/單位譜寬”這個比值，總是能夠提高光譜儀的分辨率。通過周期為d的光柵將譜寬為Δλ的復色光色散展開之后，經過焦距為f的聚焦鏡，投射在線陣CCD芯片上，線陣CCD芯片上的像素間距為P，像素數量為N，則各參數之間存在關系式(1)，其中θc為中心波長的衍射角。一般而言，聚焦在線陣CCD芯片上兩個相鄰像素上的兩條譜線，能夠被完全分辨開，而聚焦在同一個像素上的兩條譜線，只要不是靠得太近，通過一定的算法處理，也可能被分辨開。假如通過算法處理，能夠分辨的最小譜線間距為δx＝αP，其中α為小于1的小數，這兩條譜線對應的波長間隔為δλ，也就是光譜儀的波長分辨率，則各參數之間存在關系式(2)：結合式(1)和(2)可以得到：注意其中Δλ為入射光信號的譜寬，δλ為光譜儀的波長分辨率，N為線陣CCD芯片的像素數量，α為通過算法處理之后能夠分辨的譜線間距(以像素間距歸一化之后)。由此可知，基于現有的線陣CCD型光譜儀技術方案，光信號的譜寬Δλ與波長分辨率δλ為正比關系，要想提高光譜儀的工作譜寬，就必須犧牲波長分辨率(δλ越小越好)。本專利技術提供的寬光譜高分辨率的光譜儀可以廣泛應本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，其特征在于，包括：入射模塊、準直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；所述準直鏡設置在所述入射模塊的出射光路上，所述光柵設置在所述準直鏡的出射光路上，所述聚焦鏡設置在所述光柵的出射光路上，所述線陣CCD芯片設置在所述聚焦鏡的出射光路上；所述入射模塊用于將光譜儀的工作波段分割為數個子波段，并控制每次只有一個子波段的光束出射；所述準直鏡用于將所述入射模塊的出射光準直后以不同傾角入射在所述光柵上，以不同傾角入射的不同子波段的光束的中心波長具有相同的衍射角，經所述光柵反射的光再經所述聚焦鏡后投射在所述線陣CCD芯片上。

【技術特征摘要】
1.一種高分辨率的線陣CCD直讀型光譜儀，其特征在于，包括：入射模塊、準直鏡、光柵、聚焦鏡和線陣CCD芯片；所述準直鏡設置在所述入射模塊的出射光路上，所述光柵設置在所述準直鏡的出射光路上，所述聚焦鏡設置在所述光柵的出射光路上，所述線陣CCD芯片設置在所述聚焦鏡的出射光路上；所述入射模塊用于將光譜儀的工作波段分割為數個子波段，并控制每次只有一個子波段的光束出射；所述準直鏡用于將所述入射模塊的出射光準直后以不同傾角入射在所述光柵上，以不同傾角入射的不同子波段的光束的中心波長具有相同的衍射角，經所述光柵反射的光再經所述聚焦鏡后投射在所述線陣CCD芯片上。2.如權利要求1所述的線陣CCD直讀型光譜儀，其特征在于，所述入射模塊與所述準直鏡之間的距離為所述聚焦鏡與所述線陣CCD芯片的距離為其中，f1為準直鏡焦距，α1為準直鏡離軸角，f2為聚焦鏡焦距，α2為聚焦鏡離軸角。3.如權利要求1所述的線陣CCD直讀型光譜儀，其特征在于，所述入射模塊包括：狹縫陣列、濾光片陣列和活動光闌；所述狹縫陣列設置在垂直于光軸的方向上；所述濾光片陣列設置于所述狹縫陣列之前或之后，且所述濾光片陣列中每個子濾光片與所述狹縫陣列中的每個狹縫一一對應；所述活動光闌設置于所述濾光片陣列之后。4.如權利...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬助軍，顏世佳，占爽，馮冬，羅志祥，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42