一種光譜儀的設(shè)計方法以及光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光譜儀的設(shè)計方法以及光譜儀，使用凹面光柵、三個入射狹縫和三個光探測器搭建光譜儀，包括以下步驟：1)確定第二入射狹縫的入射角以及凹面光柵的槽型周期；2)估算凹面光柵的閃耀角，確定凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)；3)獲取入射角度為θA2時和多個角度下凹面光柵的波長-衍射效率曲線；4)確定入射角θAl和θA3的值以及波長λ2和λ3的值，并取λ4等于λ2；5)得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)；6)確定凹面光柵的制作參數(shù)；7)確定三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。本發(fā)明的設(shè)計方法得到的光譜儀，在大部分光譜區(qū)域內(nèi)具有較高的衍射效率，有效解決寬光譜區(qū)域內(nèi)衍射效率較低的問題。
【專利說明】一種光譜儀的設(shè)計方法以及光譜儀 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜儀的設(shè)計方法，特別是涉及一種使用凹面光柵的光譜儀的設(shè)計方 法以及光譜儀。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 近年來，由于環(huán)境檢測、生物醫(yī)學(xué)、科技農(nóng)業(yè)、軍事分析以及工業(yè)流程監(jiān)控等一些 需要現(xiàn)場實時測試的應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，實驗室中的大型光譜儀器已難以滿足上述實 際使用要求。開發(fā)便攜式小型光譜儀器產(chǎn)品具有重要的實際意義以及廣闊的市場前景?，F(xiàn) 有小型光譜儀中，有使用凹面光柵進行搭建的光譜儀，通常包括凹面光柵、一個入射狹縫和 多個探測器。通過對凹面光柵的制作參數(shù)、入射狹縫的入射角度以及各器件之間的相對位 置進行設(shè)計調(diào)整，從而搭建光譜儀，實現(xiàn)在某一波段范圍內(nèi)的光波檢測。然而，現(xiàn)有的設(shè)計 方法下搭建的光譜儀，雖然能實現(xiàn)寬光譜區(qū)域的光波檢測，但在部分光譜區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的衍 射效率卻較低，無法滿足高要求的應(yīng)用。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光譜儀的設(shè) 計方法及光譜儀，在大部分光譜區(qū)域內(nèi)具有較高的衍射效率，有效改善寬光譜區(qū)域內(nèi)衍射 效率較低的問題。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
[0005] -種光譜儀的設(shè)計方法，通過設(shè)計，使用凹面光柵、三個入射狹縫和三個光探測器 搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ 5;所述設(shè)計方法包括以下步驟：1) 根據(jù)所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹縫時的 入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作為第二 入射狹縫的入射角Θ Α2的值；2)估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光柵的表面材 料和槽型結(jié)構(gòu)；3)根據(jù)步驟2)中凹面光柵的參數(shù)獲取入射角度為Θ Α2時所述凹面光柵的 波長-衍射效率曲線，以及入射角度分布在-10°?20°范圍內(nèi)多個角度下所述凹面光柵 的波長-衍射效率曲線；4)根據(jù)步驟3)得到的多個角度下的衍射效率相對于角度θ Α2時 的衍射效率的變化，確定第一入射狹縫的入射角Θ A1的值、第三入射狹縫的入射角θ Α3的值 以及波長λ 2和λ 3的值，并取λ 4等于λ 2 ;5)根據(jù)得到的三個入射角θ Α1、θ Α2、θ Α3的值， 五個波長λ ρ λ 2、λ 3、λ 4、λ 5的值以及所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展 開法，使用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX軟件進行參數(shù)優(yōu)化，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)； 6)根據(jù)步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽型結(jié) 構(gòu)以及步驟5)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的凹面 光柵；7)根據(jù)步驟5)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述 凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。
[0006] -種光譜儀，包括凹面光柵、三個入射狹縫和三個光探測器，所述凹面光柵的制作 參數(shù)以及三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述凹面光柵的位置根據(jù)如上所述的設(shè)計 方法確定得到。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明的光譜儀的設(shè)計方法，先確定單一入射角度值，然后通過各入射角度相對 于單一入射角度下的波長-衍射效率曲線的比較變化確定另外兩個入射角度以及光譜檢 測區(qū)域（λ λ5)內(nèi)的波段截止點λ 2和λ3，進而根據(jù)確定的三個入射角度和五個波長 值進行光學(xué)設(shè)計，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而確定凹面光柵的結(jié)構(gòu)以及凹面 光柵與三個入射狹縫、三個光探測器之間的相對位置，搭建得到光譜儀。該搭建的光譜儀能 實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，檢測λ 5范圍內(nèi)的光波。檢測時，光譜儀可充分利用短波段的+2級衍 射光譜和長波段的+1級衍射光譜，相對于現(xiàn)有的光譜儀僅利用光譜檢測范圍內(nèi)的+1級衍 射光，本發(fā)明設(shè)計的光譜儀可充分利用衍射信息，從而衍射效率較高，表現(xiàn)在大部分波段范 圍內(nèi)的衍射效率均有所提1?，且衍射效率1?達45%的波段區(qū)域占整個光波檢測范圍的比例 也有所提商（達93. 4%以上）。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0009] 圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的光譜儀設(shè)計方法的流程圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】中設(shè)計時步驟P3)中在入射角度ΘΑ2 = - 6°時得到 的波長-衍射效率曲線圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明【具體實施方式】中光探測器端探測的光譜分布情況示意圖；
[0013] 圖5是發(fā)明【具體實施方式】中新結(jié)構(gòu)的光譜儀與普通光譜儀在各波長處的衍射效 率對比示意圖。 【【具體實施方式】】
[0014] 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0015] 如圖1所示，為本【具體實施方式】要設(shè)計的光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖。光譜儀包括 三個入射狹縫、凹面光柵和三個光探測器。光探測器優(yōu)選的可以采用光電倍增管、熱電探測 器、半導(dǎo)體光探測器或者CCD(Charge-coupled Device,電荷稱合器件）陣列探測器，但并 非限制于這幾種。圖1中，ApA2、A3為入射狹縫，B nB12、B21B22、B31B 32為光探測器。以凹面光 柵G的中心0點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，依光的傳播方向，在光路上依次設(shè)置入射狹縫、凹 面光柵G和光探測器。凹面光柵G的參數(shù)以及入射狹縫、光探測器的位置通過如下設(shè)計方 法設(shè)計得到，從而搭建出能夠檢測波長范圍在λ 5的光波的凹面光柵光譜儀。
[0016] 設(shè)計方法的流程圖如圖2所示，包括以下步驟：
[0017] Ρ1)確定第二入射狹縫的入射角以及凹面光柵的槽型周期。具體地，根據(jù)光譜儀的 固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹縫時的入射角度值和所述 入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作為第二入射狹縫的入射角 θ Α2的值。
[0018] 當(dāng)需要搭建光譜儀時，其固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如光譜檢測范圍值，選用的凹面光柵的 曝光波長、工作級次、邊長、基底曲率半徑、光柵常數(shù)，選用的三個入射狹縫的寬度等固有屬 性參數(shù)是已知的。根據(jù)固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用光程函數(shù)級數(shù)展開法即可計算得到光柵在單一 入射狹縫時的入射角度，并可同時得到所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期。將該 計算的入射角度作為ΘΑ2的值。本具體實施例中，光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1所示：
[0019] 表 1
[0020]
[0021]
【權(quán)利要求】
1. 一種光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：通過設(shè)計，使用凹面光柵、三個入射狹縫和三 個光探測器搭建光譜儀，且所述光譜儀的光譜檢測范圍為λ 5;所述設(shè)計方法包括以 下步驟： 1) 根據(jù)所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法計算得到在單一入射狹 縫時的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光柵的槽型周期，將得到的入射角度值作 為第二入射狹縫的入射角θ Α2的值； 2) 估算所述凹面光柵的閃耀角，確定所述凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)； 3) 根據(jù)步驟2)中凹面光柵的參數(shù)獲取入射角度為ΘΑ2時所述凹面光柵的波長-衍射 效率曲線，以及入射角度分布在-10°?20°范圍內(nèi)多個角度下所述凹面光柵的波長-衍 射效率曲線； 4) 根據(jù)步驟3)得到的多個角度下的衍射效率相對于角度ΘΑ2時的衍射效率的變化， 確定第一入射狹縫的入射角Θ Α1的值、第三入射狹縫的入射角ΘΑ3的值以及波長λ 2和λ 3 的值，并取λ4等于λ2; 5) 根據(jù)得到的三個入射角θ Α1、θ Α2、θ Α3的值，五個波長入^入2、λ 3、λ 4、λ 5的值以 及所述光譜儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于光程函數(shù)級數(shù)展開法，使用光學(xué)設(shè)計軟件ΖΕΜΑΧ軟件 進行參數(shù)優(yōu)化，得到記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)以及使用結(jié)構(gòu)參數(shù)； 6) 根據(jù)步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽 型結(jié)構(gòu)以及步驟5)得到的記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)確定所述凹面光柵的制作參數(shù)，得到滿足應(yīng)用的 凹面光柵； 7) 根據(jù)步驟5)得到的使用結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述 凹面光柵的位置，從而搭建得到光譜儀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟4)中，根據(jù)如下 條件確定四個值：確定的四個值使得滿足條件：Π i彡1. 9 η2，η3彡1. 9 η4 ;其中，L表示 波長λ i?λ 3范圍內(nèi)的各波長處，角度Θ A1對應(yīng)的衍射效率值相對于角度θ Α2對應(yīng)的衍射 效率值的相對變化絕對值；Π 2表示波長- 范圍內(nèi)的各波長處，Θ A1對應(yīng)的衍射效 率值相對于角度θ A2對應(yīng)的衍射效率值的相對變化絕對值；Π 3表示波長λ 3?λ 2范圍內(nèi) 的各波長處，角度θ Α3對應(yīng)的衍射效率值相對于角度θ Α2對應(yīng)的衍射效率值的相對變化絕 對值；Π 4表示波長2λ3?2λ2范圍內(nèi)的各波長處，θ Α3對應(yīng)的衍射效率值相對于角度θ Α2 對應(yīng)的衍射效率值的相對變化絕對值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟1)中，所述光譜 儀的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)包括光譜檢測范圍值，所述凹面光柵的曝光波長、工作級次、邊長、基底 曲率半徑、光柵常數(shù)，所述三個入射狹縫的寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟2)中，估算閃耀 角時，使用PCGrate軟件得到入射角度θ Α2下，光譜檢測范圍內(nèi)的短波波段范圍內(nèi)多個波長 分別作為閃耀波長時對應(yīng)的凹面光柵的波長-衍射效率曲線，由設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗選取使得 衍射效率在長波段+1級和短波段+2級都相對較高的一個波長作為最終的閃耀波長，進而 由該閃耀波長計算得到閃耀角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟2)中，由設(shè)計者 根據(jù)經(jīng)驗確定凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟3)中，使用光柵 設(shè)計軟件PCGrate軟件，輸入步驟2)確定的所述凹面光柵的表面材料和槽型結(jié)構(gòu)，分別得 到入射角度為Θ Α2時所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線，以及入射角度分布在-10°? 20°范圍內(nèi)多個角度下所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線。
7. -種光譜儀，其特征在于：包括凹面光柵、三個入射狹縫和三個光探測器，所述凹面 光柵的制作參數(shù)以及三個入射狹縫和三個光探測器相對于所述凹面光柵的位置根據(jù)權(quán)利 要求1?6任一項所述的設(shè)計方法確定得到。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光譜儀，其特征在于：所述光探測器為光電倍增管、熱電探測 器、半導(dǎo)體光探測器或CCD陣列探測器。
【文檔編號】G01J3/28GK104296868SQ201410545740
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】倪凱, 周倩, 逄錦超, 張錦超, 田瑞, 許明飛, 董昊 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院