[發明專利]一種微型光譜儀和光譜檢測方法

在審

• 申請號: 202210818666.2
• 申請日: 2022-07-13
• 公開（公告）號: CN115165100A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 周哲海;吳婧儀;趙爽;李慧宇
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02;G01J3/18
• 代理公司: 北京遠創理想知識產權代理事務所(普通合伙) 11513
• 代理人: 張素妍

1.一種微型光譜儀，其特征在于，所述微型光譜儀包括準直鏡、第一衍射光柵、第二衍射光柵、會聚反射鏡、柱面鏡和探測陣列，所述準直鏡、所述第一衍射光柵、所述第二衍射光柵、所述會聚反射鏡、所述柱面鏡和所述探測陣列延光路方向依次設置；

所述第一衍射光柵與水平面的夾角是第一角度值；

所述第二衍射光柵和水平面的夾角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根據所述第一角度值計算得到的；

所述柱面鏡與垂軸面的夾角是第三角度值，所述第三角度值是根據所述柱面鏡在矢狀視圖的物距、所述柱面鏡在矢狀視圖的焦距、折射率、所述柱面鏡的中心厚度、所述準直鏡的半徑、所述會聚反射鏡的半徑、所述會聚反射鏡的離軸入射角、像散和不同波長的衍射光在所述探測陣列上的擴散距離計算得到的；

光源發出的原始光經過所述準直鏡后形成平行光，所述平行光經所述第一衍射光柵進行散射后，得到不同波長值的衍射光，使得所述不同波長值的衍射光以對應的入射角入射至所述第二衍射光柵后，經所述會聚反射鏡會聚到所述柱面鏡后，再會聚到所述探測陣列。

2.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

將衍射波長值、刻痕間距、入射角和光譜級次輸入公式

，得到所述衍射波長值對應的衍射角；

根據所述衍射角和所述第一角度值，得到所述第二角度值，其中，i是所述入射角，是所述衍射角，m是所述光譜級次，是所述衍射波長值。

3.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述第三角度值

其中，

其中，所述柱面鏡相對于矢狀焦平面的傾斜角度有以下關系式：

tan

其中，

，，，；

其中，是像散，是所述柱面鏡在矢狀視圖的物距，是所述柱面鏡在矢狀視圖的焦距，n是折射率，t是所述柱面鏡的中心厚度，是所述準直鏡的半徑，是所述會聚反射鏡的半徑，是所述會聚反射鏡的離軸入射角，H是不同波長的衍射光在所述探測陣列的擴散距離。

4.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述準直鏡是帶單模光纖的非球面準直鏡，焦距是18.75mm，有效孔徑是5.5mm。

5.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述會聚反射鏡是離軸非球面反射鏡，其中曲率半徑是-113.06mm，離軸角是33度，有效焦距是66.2mm。

6.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述柱面鏡的柱面曲率半徑是28.670mm，有效焦距是64.568637mm，工作距離是20mm，中心厚度是3mm，傾斜角度是2.443°。

7.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述第一衍射光柵是940.07line/mm，入射角是46.5度，尺寸是24x14x0.675mm。

8.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述第二衍射光柵是940.07line/mm，入射角是46.5度，尺寸是24x14x0.675mm。

9.根據權利要求1所述的微型光譜儀，其特征在于，

所述探測陣列的感光面積為12.8mm×0.5mm，像素尺寸是為50μm×500μm，像素個數是256pixels 。

10.一種光譜檢測方法，其特征在于，基于權利要求1～9中任一項所述的微型光譜儀實現，

所述微型光譜儀包括準直鏡、第一衍射光柵、第二衍射光柵、會聚反射鏡、柱面鏡和探測陣列，所述準直鏡、所述第一衍射光柵、所述第二衍射光柵、所述會聚反射鏡、所述柱面鏡和所述探測陣列延光路方向依次設置；

所述第一衍射光柵與水平面的夾角是第一角度值；

所述第二衍射光柵和水平面的夾角是第二角度值，其中，所述第二角度值是根據所述第一角度值計算得到的；

所述柱面鏡與垂軸面的夾角是第三角度值，所述第三角度值是根據所述柱面鏡在矢狀視圖的物距、所述柱面鏡在矢狀視圖的焦距、折射率、所述柱面鏡的中心厚度、所述準直鏡的半徑、所述會聚反射鏡的半徑、所述會聚反射鏡的離軸入射角、像散和不同波長的衍射光在所述探測陣列上的擴散距離計算得到的；

所述光譜檢測方法包括：

光源發出的原始光經過所述準直鏡后形成平行光，所述平行光經所述第一衍射光柵進行散射后，得到不同波長值的衍射光，使得所述不同波長值的衍射光以對應的入射角入射至所述第二衍射光柵后，經所述會聚反射鏡會聚到所述柱面鏡后，再會聚到所述探測陣列。