CN116817765A - 一种反射式闪耀光栅型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式闪耀光栅型光谱仪，包括：多模光纤、平凸单透镜、准直球面反射镜、平面反射闪耀光栅、聚焦球面反射镜、柱面透镜、探测器；多模光纤出射的发散光经过平凸单透镜汇聚后成孔径角较小的发散光，再经过准直球面反射镜准直后变成平行光，并以合适的角度入射至平面反射闪耀光栅，经平面反射闪耀光栅进行1级衍射后通过聚焦球面反射镜聚焦，通过柱面透镜对非色散方向上的光进行进一步聚焦后，最终由线阵探测器接受。本发明适用于光谱共焦传感系统，可作为其内置光谱仪使用，具有高通量、大数值孔径、高光谱分辨率、成像质量优异、结构紧凑、成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射式闪耀光栅型光谱仪的光路结构设计，适用于光谱共焦传感系统，可作为其内置光谱仪使用。
背景技术
光谱共焦位移测量是一种非接触式高精度的微位移测量方法，在精度、准确性、便携性等方面具有较为突出的特点。光谱共焦测量技术利用了光学中的纵向色差，即光轴上的点经成像系统成像，会因为波长不同而导致聚焦点的位置不同，这样就将波长和位移一一对应起来。将某位移对应的波长通过光谱仪进行检测，分析该波长的信息，即可得到位移数据。在这之中，光谱仪可以认为是最重要的部分之一，光谱共焦测量的精度与光谱仪的测量精度具有直接的正相关关系。由于进入光谱仪的光并不是由光源直接入射而是先经过了光谱共焦部分后进入光谱仪的，所以光谱仪接受到的能量相比光源发出的能量已有极大程度的衰减。因此光谱共焦位移测量系统对内置光谱仪有高通量、高分辨率的要求。
对于光栅光谱仪来说，高分辨率、高通量、大数值孔径和小型化之间具有天然的矛盾，这为光谱仪的发展提出了不小的难题。透射式光栅光谱仪虽可以实现较大的数值孔径，但若要实现高光谱分辨率，则必然会与光谱仪小型化相矛盾；以凹面反射光栅为色散元件的Dyson光谱仪虽也能达到较大的数值孔径，但其凹面反射光栅的成本较高，入射狭缝与像面过近使探测器容易受到杂散光影响。传统的Czerny–Turner结构光谱仪可以实现较高的分辨率，并能从结构上消除慧差，但是由于离轴球面镜像散的影响，系统的成像质量非常差。目前，有不少改进型Czerny–Turner结构光谱仪采用各种各样的方法对离轴球面镜带来的像散进行校正，使其具有良好的成像质量，但是其数值孔径仍大多小于0.12。
发明内容
本发明为了解决上述现有光谱仪存在的不足之处，提供一种反射式闪耀光栅型光谱仪，以期能用作光谱共焦位移测量系统的内置光谱仪，并能满足高通量、大数值孔径、高光谱分辨率、成像质量优异、结构紧凑、成本低廉的要求，从而能解决由于光谱共焦部分光学元件造成的能量衰减造成的积分时间长、采集速度慢的问题。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
本发明一种反射式闪耀光栅型光谱仪的特点在于，按照光轴的方向依次设置有多模光纤、平凸单透镜、准直球面反射镜、平面反射闪耀光栅、聚焦球面反射镜、柱面透镜、探测器；
所述多模光纤的出射端口S为光谱仪的入口狭缝，所述多模光纤的纤芯直径a为入口狭缝的宽度；
所述平凸单透镜与多模光纤之间的距离l0小于平凸单透镜的焦距；
所述平凸单透镜镀有可见光波段的增透膜；
所述准直球面反射镜镀有可见光波段的增反膜；
所述聚焦球面反射镜镀有可见光波段的增反膜；
所述柱面透镜镀有可见光波段的增透膜；
所述探测器为线阵电荷耦合器件，且所述探测器的光敏面与所述柱面透镜的平面之间的倾角为
从所述多模光纤的出射端口S发出的光束经过所述平凸单透镜的汇聚后，成为孔径角更小的发散光，并由所述准直球面反射镜对所述平凸单透镜的发散光进行准直，使其成为平行光以达到平面反射闪耀光栅的照明条件；
所述平面反射闪耀光栅将来自准直球面反射镜的平行光按照波长分成多束单色光，且每束单色光为具有不同衍射角的平行光；
所述聚焦球面反射镜将平面反射闪耀光栅分光后的多束平行光进行汇聚后，由所述柱面透镜对来自所述聚焦球面反射镜的非色散方向上的光进行聚焦，使得色散方向和非色散方向上的光聚焦在同一位置，并由所述探测器接收来所述自柱面透镜的光束。
本发明所述的反射式闪耀光栅型光谱仪的特点也在于，所述平凸单透镜与所述多模光纤之间的距离l0、与所述准直球面反射镜之间的距离lPC是按如下步骤确定：
步骤1：利用式(1)～式(2)对所述平凸单透镜进行光路分析，得到所述平凸单透镜的像距lP和像方孔径角i2；
式(1)～式(2)中，i0和i1分别为所述平凸单透镜平面的物方孔径角和像方孔径角，l0和l'0分别为所述平凸单透镜平面的物距和像距，nP为所述平凸单透镜的折射率，d表示所述平凸单透镜的厚度；l'0+d为所述平凸单透镜球面的物距，i1所述平凸单透镜球面的物方孔径角，α1和α2分别为所述平凸单透镜球面的入射角和折射角；
步骤2：利用式(3)对像方孔径角i2进行约束，以约束所述平凸单透镜与所述多模光纤之间的距离l0；
2fC tan i2<DC cos I1 (3)
式(3)中，fC和DC分别为所述准直球面反射镜的焦距和口径，I1为所述准直球面反射镜的离轴角；
步骤3：利用式(4)确定所述平凸单透镜与所述准直球面反射镜之间的距离lPC；
fC cos I1＝lP+lPC (4)
本发明所述的反射式闪耀光栅型光谱仪的特点在于，所述柱面透镜与所述聚焦球面反射镜之间的距离lFL、与所述探测器之间的距离lLD是由以下步骤确定：
步骤1：利用式(5)～式(7)对经过所述准直球面反射镜、平面反射闪耀光栅、聚焦球面反射镜的光进行光路分析；
式(5)～式(7)中，l't1和l's1分别为所述准直球面反射镜子午面和弧矢面的像距；R1和I1分别为所述准直球面反射镜的曲率半径和离轴角；l't2和l's2分别为所述平面反射闪耀光栅子午面和弧矢面的像距；i和θ分别为所述平面反射闪耀光栅的入射角和衍射角；l't3和l's3分别为所述聚焦球面反射镜子午面和弧矢面的像距；R2和I2分别为所述聚焦球面反射镜的曲率半径和离轴角；
步骤2：利用式(8)～式(9)对所述柱面透镜的凸面和平面分别进行光路分析；
式(8)～式(9)中，l't4和l's4分别为所述柱面透镜凸面的子午面和弧矢面的像距；R3为所述柱面透镜的凸面曲率半径；nL为所述柱面透镜的折射率；dL为所述柱面透镜的中心厚度；l't和l's分别为所述柱面透镜平面的子午面和弧矢面的像距，即光谱仪的子午面和弧矢面的最终像距；
步骤3：令子午面和弧矢面的最终像距l't和l's相等，得到所述柱面透镜与所述聚焦球面反射镜之间的距离lFL，且l't和l's均与所述柱面透镜到所述探测器之间的距离lLD相等，从而使光谱仪的子午面和弧矢面均聚焦在所述探测器的光敏面上。
与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用平凸单透镜对来自多模光纤的发散光进行汇聚，解决了反射式光谱仪高通量与小型化之间的矛盾，避免了光谱仪在大数值孔径下工作时能量不完全吸收而浪费的问题；
2.本发明采用柱面透镜对来自聚焦球面反射镜的光进行选择性聚焦，仅对非色散方向上的光进行聚焦，解决了光谱仪工作在大数值孔径下成像质量差、能量传递效率低的问题；
3.本发明在传统的Czerny–Turner结构光谱仪基础上添加了平凸单透镜和柱面透镜，使其能在满足高分辨率、高通量、大数值孔径和小型化的同时，又有生产难度低，成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明反射式闪耀光栅光谱仪光路结构图；
图2为本发明光谱仪中平凸单透镜的光路结构图；
图3为本发明光谱仪中柱面透镜子午面和弧矢面的光路结构图；
图4为本发明光谱仪与传统Czerny–Turner结构光谱仪的光学性能对比图；
图中编号：10多模光纤；S多模光纤初设端口；20平凸单透镜；30准直球面反射镜；40平面反射闪耀光栅；50聚焦球面反射镜；60柱面透镜；601柱面透镜子午切面；602柱面透镜弧矢切面；70线阵探测器；701线阵探测器子午切面；702线阵探测器弧矢切面。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种反射式闪耀光栅型光谱仪，是按照光轴的方向依次设置有多模光纤10、平凸单透镜20、准直球面反射镜30、平面反射闪耀光栅40、聚焦球面反射镜50、柱面透镜60、探测器70；
多模光纤10的输入端口为光谱范围400nm～700nm的白光光源经共焦反射后得到的单色光；将多模光纤10的出射端口S作为光谱仪的入口狭缝，多模光纤10的纤芯直径a作为入口狭缝宽度；多模光纤10的数值孔径由光谱共焦系统的输出数值孔径决定；光谱仪的输入数值孔径NA不大于光纤的数值孔径，一般为0.2±0.02；
平凸单透镜20与多模光纤10之间的距离l0小于平凸单透镜20的焦距；
平凸单透镜20镀有可见光波段的增透膜；
准直球面反射镜30镀有可见光波段的增反膜；
聚焦球面反射镜50镀有可见光波段的增反膜；
柱面透镜60镀有可见光波段的增透膜；
探测器70为线阵电荷耦合器件，且探测器70的光敏面与柱面透镜60的平面之间的倾角为
从多模光纤10的出射端口S发出的光束经过平凸单透镜20的汇聚后，成为孔径角更小的发散光，并由准直球面反射镜30对平凸单透镜20的发散光进行准直，使其成为平行光以达到平面反射闪耀光栅40的照明条件；
平面反射闪耀光栅40将来自准直球面反射镜30的平行光按照波长分成多束单色光，且每束单色光为具有不同衍射角的平行光；
聚焦球面反射镜50将平面反射闪耀光栅40分光后的多束平行光进行汇聚后，由柱面透镜60对来自聚焦球面反射镜50的非色散方向上的光进行聚焦，使得色散方向和非色散方向上的光聚焦在同一位置，并由探测器70接收来自柱面透镜60的光束。
根据光谱分辨率Δλ的设计要求、已知的多模光纤10纤芯直径a和平面反射闪耀光栅40的光栅凹槽间距d，根据式(1)确定准直球面反射镜30的焦距fC。
平凸单透镜20结构如图2所示，为保证经平凸透镜20汇聚后的发散光能全部被准直球面反射镜30准直，平凸单透镜20与多模光纤10之间的距离l0、与准直球面反射镜30之间的距离lPC是按如下步骤确定：
步骤1：利用式(2)～式(3)对平凸单透镜(20)进行光路分析，得到平凸单透镜(20)的像距lP和像方孔径角i2；
式(2)～式(3)中，i0和i1分别为平凸单透镜20平面的物方孔径角和像方孔径角，l0和l'0分别为平凸单透镜20平面的物距和像距，nP为平凸单透镜20的折射率，d表示平凸单透镜20的厚度；l'0+d为平凸单透镜20球面的物距，i1平凸单透镜20球面的物方孔径角，α1和α2分别为平凸单透镜20球面的入射角和折射角；
步骤2：利用式(4)对像方孔径角i2进行约束，以约束平凸单透镜20与多模光纤10之间的距离l0；
2fC tan i2<DC cos I1 (4)
式(4)中，fC和DC分别为准直球面反射镜30的焦距和口径，I1为准直球面反射镜(30)的离轴角；
步骤3：利用式(5)确定平凸单透镜20与准直球面反射镜30之间的距离lPC；
fC cos I1＝lP+lPC (5)
柱面透镜60结构如图3所示，为实现良好的成像质量、较低的RMS半径，柱面透镜(60)与聚焦球面反射镜50之间的距离lFL、与探测器70之间的距离lLD是由以下步骤确定：
步骤1：利用式(6)～式(8)对经过准直球面反射镜30、平面反射闪耀光栅40、聚焦球面反射镜50的光进行光路分析；
式(6)～式(8)中，l't1和l's1分别为准直球面反射镜30子午面和弧矢面的像距；R1和O1分别为准直球面反射镜30的曲率半径和离轴角；l't2和l's2分别为平面反射闪耀光栅40子午面和弧矢面的像距；i和θ分别为平面反射闪耀光栅40的入射角和衍射角；l't3和l's3分别为聚焦球面反射镜50子午面和弧矢面的像距；R2和I2分别为聚焦球面反射镜50的曲率半径和离轴角；
步骤2：利用式(9)～式(10)对柱面透镜60的凸面和平面分别进行光路分析；
式(9)～式(10)中，l't4和l's4分别为柱面透镜60凸面的子午面和弧矢面的像距；R3为柱面透镜60的凸面曲率半径；nL为柱面透镜60的折射率；dL为柱面透镜60的中心厚度；l't和l's分别为柱面透镜60平面的子午面和弧矢面的像距，即光谱仪的子午面和弧矢面的最终像距；
步骤3：令子午面和弧矢面的最终像距l't和l's相等，得到柱面透镜60与聚焦球面反射镜50之间的距离lFL，且l't和l's均与柱面透镜60到探测器70之间的距离lLD相等，从而使光谱仪的子午面和弧矢面均聚焦在探测器70的光敏面上。
准直球面反射镜30的离轴角I1和曲率半径R1、平面反射闪耀光栅40的入射角i和衍射角θ、聚焦球面反射镜50的离轴角I2和曲率半径R2由式(11)进行约束以消除慧差。
在确定探测器70的长度lD后，为确保经聚焦球面反射镜50汇聚的光全部都能被探测器70接受，聚焦球面反射镜50的最大焦距由式(12)约束。
式(12)中，λ2和λ1分别为最大波长和最小波长。
图4所示为本发明光谱仪与传统Czerny–Turner结构光谱仪的光学性能对比图，以点光源的像的均方根半径作为评判光学性能的标准。传统Czerny–Turner结构光谱仪由于为对离轴球面镜产生的像散进行校正，其宽光谱范围内的均方根半径大于200μm；本实施方式设计的反射式闪耀光栅型光谱仪在宽光谱波段内的均方根半径整体小于11μm，可知其光学性能更良好。
Claims (3)
1.一种反射式闪耀光栅型光谱仪，其特征在于，按照光轴的方向依次设置有多模光纤(10)、平凸单透镜(20)、准直球面反射镜(30)、平面反射闪耀光栅(40)、聚焦球面反射镜(50)、柱面透镜(60)、探测器(70)；
所述多模光纤(10)的出射端口S为光谱仪的入口狭缝，所述多模光纤(10)的纤芯直径a为入口狭缝的宽度；
所述平凸单透镜(20)与多模光纤(10)之间的距离l0小于平凸单透镜(20)的焦距；
所述平凸单透镜(20)镀有可见光波段的增透膜；
所述准直球面反射镜(30)镀有可见光波段的增反膜；
所述聚焦球面反射镜(50)镀有可见光波段的增反膜；
所述柱面透镜(60)镀有可见光波段的增透膜；
所述探测器(70)为线阵电荷耦合器件，且所述探测器(70)的光敏面与所述柱面透镜(60)的平面之间的倾角为
从所述多模光纤(10)的出射端口S发出的光束经过所述平凸单透镜(20)的汇聚后，成为孔径角更小的发散光，并由所述准直球面反射镜(30)对所述平凸单透镜(20)的发散光进行准直，使其成为平行光以达到平面反射闪耀光栅(40)的照明条件；
所述平面反射闪耀光栅(40)将来自准直球面反射镜(30)的平行光按照波长分成多束单色光，且每束单色光为具有不同衍射角的平行光；
所述聚焦球面反射镜(50)将平面反射闪耀光栅(40)分光后的多束平行光进行汇聚后，由所述柱面透镜(60)对来自所述聚焦球面反射镜(50)的非色散方向上的光进行聚焦，使得色散方向和非色散方向上的光聚焦在同一位置，并由所述探测器(70)接收来所述自柱面透镜(60)的光束。
2.基于权利要求1所述的反射式闪耀光栅型光谱仪，其特征是，所述平凸单透镜(20)与所述多模光纤(10)之间的距离l0、与所述准直球面反射镜(30)之间的距离lPC是按如下步骤确定：
步骤1：利用式(1)～式(2)对所述平凸单透镜(20)进行光路分析，得到所述平凸单透镜(20)的像距lP和像方孔径角i2；
式(1)～式(2)中，i0和i1分别为所述平凸单透镜(20)平面的物方孔径角和像方孔径角，l0和l'0分别为所述平凸单透镜(20)平面的物距和像距，nP为所述平凸单透镜(20)的折射率，d表示所述平凸单透镜(20)的厚度；l'0+d为所述平凸单透镜(20)球面的物距，i1所述平凸单透镜(20)球面的物方孔径角，α1和α2分别为所述平凸单透镜(20)球面的入射角和折射角；
步骤2：利用式(3)对像方孔径角i2进行约束，以约束所述平凸单透镜(20)与所述多模光纤(10)之间的距离l0；
2fCtan i2<DCcos l1 (3)
式(3)中，fC和DC分别为所述准直球面反射镜(30)的焦距和口径，I1为所述准直球面反射镜(30)的离轴角；
步骤3：利用式(4)确定所述平凸单透镜(20)与所述准直球面反射镜(30)之间的距离lPC；
fCcos I1＝lP+lPC (4)
3.基于权利要求1所述的反射式闪耀光栅型光谱仪，其特征是，所述柱面透镜(60)与所述聚焦球面反射镜(50)之间的距离lFL、与所述探测器(70)之间的距离lLD是由以下步骤确定：
步骤1：利用式(5)～式(7)对经过所述准直球面反射镜(30)、平面反射闪耀光栅(40)、聚焦球面反射镜(50)的光进行光路分析；
式(5)～式(7)中，l't1和l's1分别为所述准直球面反射镜(30)子午面和弧矢面的像距；R1和I1分别为所述准直球面反射镜(30)的曲率半径和离轴角；l't2和l's2分别为所述平面反射闪耀光栅(40)子午面和弧矢面的像距；i和θ分别为所述平面反射闪耀光栅(40)的入射角和衍射角；l't3和l's3分别为所述聚焦球面反射镜(50)子午面和弧矢面的像距；R2和I2分别为所述聚焦球面反射镜(50)的曲率半径和离轴角；
步骤2：利用式(8)～式(9)对所述柱面透镜(60)的凸面和平面分别进行光路分析；
式(8)～式(9)中，l't4和l's4分别为所述柱面透镜(60)凸面的子午面和弧矢面的像距；R3为所述柱面透镜(60)的凸面曲率半径；nL为所述柱面透镜(60)的折射率；dL为所述柱面透镜(60)的中心厚度；l't和l's分别为所述柱面透镜(60)平面的子午面和弧矢面的像距，即光谱仪的子午面和弧矢面的最终像距；
步骤3：令子午面和弧矢面的最终像距l't和l's相等，得到所述柱面透镜(60)与所述聚焦球面反射镜(50)之间的距离lFL，且l't和l's均与所述柱面透镜(60)到所述探测器(70)之间的距离lLD相等，从而使光谱仪的子午面和弧矢面均聚焦在所述探测器(70)的光敏面上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310804083.9A CN116817765A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种反射式闪耀光栅型光谱仪 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310804083.9A CN116817765A (zh) | 2023-07-03 | 2023-07-03 | 一种反射式闪耀光栅型光谱仪 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN116817765A true CN116817765A (zh) | 2023-09-29 |
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ID=88116418
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| CN (1) | CN116817765A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119178379A (zh) * | 2024-09-06 | 2024-12-24 | 武汉极动智能科技有限公司 | 一种光谱共焦传感器 |
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2023
- 2023-07-03 CN CN202310804083.9A patent/CN116817765A/zh active Pending
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| CN119178379A (zh) * | 2024-09-06 | 2024-12-24 | 武汉极动智能科技有限公司 | 一种光谱共焦传感器 |
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