[發明專利]一種用于光學譜段分離的雙光柵光譜儀

在審

• 申請號: 201810727801.6
• 申請日: 2018-07-05
• 公開（公告）號: CN109084895A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 徐明明;薛輝;沈威;武藝;羅曉樂;陳素娟;于磊;陳結祥
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;賈玉忠

本發明公開了一種用于光學譜段分離的雙光柵光譜儀，包括光纖(1)、圓形狹縫(2)、第一凹面反射鏡(3)、第一光柵(41)、第二光柵(42)、第二凹面反射鏡(5)和面陣探測器(6)。入射光由光纖導入，經圓形狹縫及第一凹面反射鏡后變為平行光束，投射到兩塊光柵表面。兩光柵豎直排列，分別調整各自的偏轉和俯仰角度，使各自光學譜段的光線發生色散，經第二凹面反射鏡聚焦后形成兩條彼此分開的光譜帶，最終被同一個面陣探測器接收。本發明通過使用兩塊光柵，將整個光譜范圍分為兩個譜段，并被一個探測器同時接收，有效解決了寬光譜范圍與探測器光敏面尺寸有限之間的矛盾，結構緊湊，研制成本較低，加工裝配相對簡單。

技術領域

本發明屬于光譜測量領域，具體涉及一種用于光學譜段分離的雙光柵光譜儀。

背景技術

光譜儀是一種利用光學光譜的色散原理而設計的光學儀器。傳統的Cznerny-Turner型(C-T)結構是用兩塊小球面反射鏡分別作為準直鏡和聚焦鏡來代替Ebert-Fastie型結構中的大凹面反射鏡，兩塊反射鏡曲率中心重合，中間分開。該結構可通過合理的設計兩塊反射鏡的口徑，不僅可以避免二次衍射和多次衍射，同時也方便反射鏡的加工和裝調，從而得到廣泛應用。

當所需測量的光譜范圍很寬，而采用的面陣探測器光敏面尺寸有限會造成測量光譜無法被完全接受的問題。如果減少光柵刻線密度，會嚴重影響光譜分辨率；而購買光敏面更大的探測器不僅增加儀器重量，還可能大大增加儀器研制成本，同時探測器在空間維的很多象元可能還無法利用到。為解決這一矛盾，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所曾于2013年公開了三項中國發明專利，分別為：

(1)公開號為102928077A，名稱為“雙通道共光路小型化寬波段成像光譜儀光學系統”。同一目標出射的光束經兩塊寬帶濾光片分成兩個通道，被準直后的光束經一塊平面光柵色散后經聚焦成像在同一探測器像面上。這種方式需使用兩塊離軸非球面準直鏡，平面光柵的兩個不同區域需刻劃成不同的刻線密度，制造成本高。

(2)公開號為103389159A，名稱為“棱鏡和光柵級聯色散雙通道高分辨率光譜成像系統”。寬光譜經棱鏡預色散后，利用一塊分色片將兩段光譜分離到兩個獨立通道中，經光柵二次色散并透鏡組匯聚后分別成像至各自探測器中。這種方式需采用兩組光柵和兩組探測器分別成像，研制成本高，結構復雜，給光路裝調提出了更高要求。

(3)公開號為102967560A，名稱為“雙光柵共光路寬波段臨邊成像光譜儀系統”。該系統使用了兩個面陣探測器接收不同波段的光線，同時增加了一塊平面折轉鏡，光機結構較為復雜。

發明內容

為了解決寬光譜范圍和面陣探測器光敏面有限尺寸之間的矛盾及彌補現有技術的缺陷，在對稱式C-T結構基礎上提供一種利用兩塊光柵進行譜段分離的雙光柵光譜儀，兩段光譜被同一探測器接收。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于光學譜段分離的雙光柵光譜儀，包括有光纖、圓形狹縫、第一凹面反射鏡、第一光柵、第二光柵、第二凹面反射鏡和面陣探測器。入射光由光纖導入，經圓形狹縫及第一凹面反射鏡準直后變為平行光束，投射到第一光柵、第二光柵表面，第一光柵、第二光柵使各自光學譜段的光線發生色散，經第二凹面反射鏡聚焦后形成兩條彼此分開的光譜帶，最終被面陣探測器接收。

第一光柵、第二光柵均為參數相同的平面反射式閃耀光柵。

第一光柵、第二光柵豎直排列，通過調整各自的偏轉和俯仰角度，使兩光譜段得到分離。

第一凹面反射鏡、第二凹面反射鏡為焦距相同的凹面反射鏡。

兩光柵的偏轉和俯仰角度及各自分離光學譜段的計算方法：

a)推導色散公式將中心波長與入射角、衍射角的關系換算為中心波長與光柵偏轉角的關系，如公式(1)所示，