[發明專利]一種閃耀透射光柵型光譜儀

有效

• 申請號: 202210104180.2
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114440772B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 盧榮勝;談士濤
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/06;G01J3/18;G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

本發明公開了一種閃耀透射光柵型光譜儀，包括：Y型多模耦合光纖、準直鏡頭、閃耀透射光柵、聚焦鏡頭、探測器；Y型多模耦合光纖出射的發散光經過消色差透鏡和伽利略擴束鏡頭構成的準直透鏡變成平行光，并以最佳入射角isubgt;opt/subgt;照射至閃耀透射光柵，經閃耀透射光柵+1級衍射并透過Cooke物鏡結構的聚焦鏡頭，最終被探測器接收。本發明適用于作為光譜共焦傳感器的內置光譜儀，具有高光通量、大數值孔徑、結構緊湊、成像質量良好、高光譜分辨率并可調的卓越性能。

技術領域

本發明涉及一種用于光譜共焦傳感器的閃耀透射光柵型光譜儀的光路結構設計，可作為光譜共焦傳感器中后置微型、大數值孔徑、高通量光譜儀結構首選方案。

背景技術

用于光學測量距離和厚度的光譜共焦技術已被確立為可用于工業和研究的成熟方法之一。入射的白光通過色散物鏡成像，沿光軸產生連續的單色光，從而對光軸進行“彩色編碼”。當物體存在于該光場中時，單個波長被固定到其表面，然后被反射回光學系統。后向散射光束通過多模耦合光纖，然后由光譜儀獲取。光譜儀通過解析波長，確定表面在測量范圍中的位置。光譜共焦技術要求以高分辨率進行可靠、精確且可重復的尺寸測量。由于入射至光譜儀中的波長光是經過色散物鏡透射、物體表面或者內部反射、色散物鏡反向傳播與耦合光纖濾光后的單色光或者多色光，其能量相較與原本照明的寬光譜白光光源已經被很大程度地衰減。且由于前置色散物鏡較大的輸出數值孔徑和耦合光纖數值孔徑限制，例如STIL?CCS?OPTIMA+控制器所配置的型號為MG35-CL4物鏡探頭配用的耦合光纖數值孔徑NA＝0.22。因此要求后置微型光譜儀在保證高光譜分辨率的同時，具有大數值孔徑和高光通量的特點。

對于光柵光譜儀結構來說，高光譜分辨率、高光通量、大數值孔徑、小尺寸和好的成像質量之間是相互約束的關系。以凹面反射光柵為核心的Dyson結構光譜儀，雖然數值孔徑可達到0.6，但是太低的凹面光柵衍射效率和太小的物像面之間距離是其嚴重的不足；基于Schwarzschild結構的平面光柵光譜儀，具有大于0.2的數值孔徑和較優的成像質量，但是需要設計自由曲面反射鏡校正離軸像散，導致設計難度和成本急劇增大；改進型的Czerny-Turner結構光譜儀的數值孔徑大多小于0.1，甚至更小，因此也無法用于光譜共焦傳感器的光譜儀結構方案。閃耀透射光柵型光譜儀因其數值孔徑大、同軸度高、易于裝配性、信噪比高成為用于光譜共焦傳感器的光譜儀的最佳選擇。而傳統的閃耀透射光柵型光譜儀的準直鏡頭多為單一消色差透鏡或者非球面消色差透鏡。單一透鏡的缺點是可優化參數少，光束準直度難以優化，其準直光束直徑無法改變，帶來寬光譜范圍內成像質量差的弊端和光譜分辨率不可調的缺點；傳統的閃耀透射光柵型光譜儀的聚焦鏡頭多為雙膠合透鏡，視場角通常小于6°，且場曲嚴重，導致邊緣波長段的光譜成像出現嚴重的像差。雖然有人提出用Tessar物鏡、Heliar物鏡甚至雙高斯物鏡替代雙膠合透鏡，但是相較于用無限共軛Cooke物鏡作為閃耀透射光柵型光譜儀的聚焦鏡頭，上述物鏡結構更復雜，且鏡片數量多，會帶來閃耀透射光柵型光譜儀的光通量降低的弊端。另外，準直鏡頭的準直光束相對于光柵平面的入射角會影響閃耀透射光柵衍射效率，而在諸多光譜儀結構設計實例中并沒有考慮這一點以及最佳入射角選擇方法，這也會帶來閃耀透射光柵型光譜儀的光通量降低的弊端。

發明內容

本發明為了解決上述現有技術的不足之處，提供了一種閃耀透射光柵型光譜儀，以期能與光譜共焦傳感器中的色散物鏡直接耦合，并滿足高光通量、大數值孔徑、結構緊湊、成像質量良好、高光譜分辨率并可調的要求，從而解決光譜共焦測量過程中由于透射、反射、光纖耦合造成的光能量衰減而導致的光譜儀信噪比降低、積分時間長的問題。

本發明為解決技術問題所采用的技術方案是：

本發明一種閃耀透射光柵型光譜儀的特點是依次包括：Y型多模耦合光纖、準直鏡頭、閃耀透射光柵、聚焦鏡頭、探測器，且在所述準直鏡頭、閃耀透射光柵、聚焦鏡頭的可鍍膜表面分別鍍有可見光波段的增透膜；

所述Y型多模耦合光纖為一分二的光纖類型，將所述Y型多模耦合光纖的出射端口O的纖芯直徑a作為閃耀透射光柵型光譜儀的入口狹縫寬度和高度；