[發明專利]一種光譜儀的設計方法以及光譜儀

有效

• 申請號: 201410545740.3
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104296868A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 倪凱;周倩;逄錦超;張錦超;田瑞;許明飛;董昊
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 余敏

【技術領域】

本發明涉及光譜儀的設計方法，特別是涉及一種使用凹面光柵的光譜儀的設計方法以及光譜儀。

【背景技術】

近年來，由于環境檢測、生物醫學、科技農業、軍事分析以及工業流程監控等一些需要現場實時測試的應用領域的現代化發展，實驗室中的大型光譜儀器已難以滿足上述實際使用要求。開發便攜式小型光譜儀器產品具有重要的實際意義以及廣闊的市場前景。現有小型光譜儀中，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、入射狹縫的入射角度以及各器件之間的相對位置進行設計調整，從而搭建光譜儀，實現在某一波段范圍內的光波檢測。然而，現有的設計方法下搭建的光譜儀，雖然能實現寬光譜區域的光波檢測，但在部分光譜區域內對應的衍射效率卻較低，無法滿足高要求的應用。

【發明內容】

本發明所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種光譜儀的設計方法及光譜儀，在大部分光譜區域內具有較高的衍射效率，有效改善寬光譜區域內衍射效率較低的問題。

本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：

一種光譜儀的設計方法，通過設計，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λ₁～λ₅；所述設計方法包括以下步驟：1)根據所述光譜儀的固定結構參數，基于光程函數級數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_A2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構；3)根據步驟2)中凹面光柵的參數獲取入射角度為θ_A2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°范圍內多個角度下所述凹面光柵的波長-衍射效率曲線；4)根據步驟3)得到的多個角度下的衍射效率相對于角度θ_A2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_A3的值以及波長λ₂和λ₃的值，并取λ₄等于λ₂；5)根據得到的三個入射角θ_A1、θ_A2、θ_A3的值，五個波長λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅的值以及所述光譜儀的固定結構參數，基于光程函數級數展開法，使用光學設計軟件ZEMAX軟件進行參數優化，得到記錄結構參數以及使用結構參數；6)根據步驟1)中的凹面光柵的槽型周期，步驟2)的凹面光柵的閃耀角、表面材料和槽型結構以及步驟5)得到的記錄結構參數確定所述凹面光柵的制作參數，得到滿足應用的凹面光柵；7)根據步驟5)得到的使用結構參數，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。

一種光譜儀，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如上所述的設計方法確定得到。

本發明與現有技術對比的有益效果是：

本發明的光譜儀的設計方法，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域(λ₁～λ₅)內的波段截止點λ₂和λ₃，進而根據確定的三個入射角度和五個波長值進行光學設計，得到記錄結構參數和使用結構參數，進而確定凹面光柵的結構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預期目標，檢測λ₁～λ₅范圍內的光波。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，相對于現有的光譜儀僅利用光譜檢測范圍內的+1級衍射光，本發明設計的光譜儀可充分利用衍射信息，從而衍射效率較高，表現在大部分波段范圍內的衍射效率均有所提高，且衍射效率高達45％的波段區域占整個光波檢測范圍的比例也有所提高(達93.4％以上)。

【附圖說明】

圖1是本發明具體實施方式的光譜儀的光路結構示意圖；