一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构与设计方法

本发明涉及光学仪器，尤其是涉及一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构与设计方法。

背景技术：

1、特征光谱如同物质的“指纹”，能够唯一的确定物质成分甚至含量，光谱仪能够凭借对光谱的分析实现物质鉴别，在农林、矿产、防伪、质检、医药等领域具有非常广泛的应用。但是，面对更精细的区分需求或需要区分组分相近的物质时，对光谱仪器的光谱分辨率的要求更高。

2、中阶梯光栅光谱仪是一种光谱分辨率极高的光谱仪，利用其核心色散元件中阶梯光栅大闪耀角、低刻线密度和工作在高衍射级次等特点，具有极高的角色散率(可达到皮米量级)。但是中阶梯光栅光谱仪存在严重的级次重叠，一般需要将中阶梯光栅与横向色散元件配合使用，组成交叉色散光路，得到二维色散谱图来展开重叠光谱。因此，采用面阵探测器接收中阶梯光栅光谱仪二维色散的谱图是实现其超高光谱分辨率的关键所在。

3、棱镜常被选作横向色散元件。然而，棱镜的非线性色散特性在宽波段应用时带来明显的局限性。特别是在紫外波段，棱镜展现出较强的色散能力，而至于在可见和近红外波段，其色散能力则明显不足。这种特性导致中阶梯光栅光谱仪的探测器利用率受到限制。此外，在可见光及红外波段，随着色散能力的减弱，不同衍射级次之间的间隔减小，从而容易产生级次间的串扰，级次与级次之间相差10-20nm，这与中阶梯光栅光谱仪本身的高光谱分辨率(可达皮米量级)有着近百倍甚至千倍的误差。这不仅增加了后期光谱标定和校正的难度，也对后续的图像处理造成极大挑战，从而限制了该技术在更广泛应用范围内的推广。

4、虽然2016年，曹海霞设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪，通过双狭缝切换的方式分别实现165～230nm和210nm～800nm波段的二维成像，实现165～800nm波段光谱的测量；但该技术利用双狭缝切换成像，增加了后续成像拼接步骤，牺牲了中阶梯光栅光谱仪瞬态直读能力，没有从根源上解决中阶梯光栅光谱仪的级次串扰的现象，并且增加了后期匹配算法的难度。

5、鉴于此，亟需一种双胶合反射式棱镜色散结构，从根源上避免在二维图谱成像阶段长波段不同级次间的串扰，降低光谱仪的误差，对推动光谱检测在各应用领域的发展具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构与设计方法，能够避免成像阶段长波段不同级次间的串扰。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构，包括入射小孔、准直反射镜、中阶梯光栅、双胶合反射式棱镜、汇聚反射镜和大靶面高灵敏度面阵探测器。

3、其中，准直反射镜设于入射小孔的右侧，通过准直反射镜将入射光线转化为准直光；

4、中阶梯光栅设于入射小孔和准直反射镜之间，位于入射小孔轴线的上侧，用于对准直光进行一阶色散；

5、双胶合反射式棱镜设于中阶梯光栅右侧偏上的位置，对一阶色散的结果进一步进行二阶色散；

6、汇聚反射镜设于双胶合反射式棱镜左侧偏上的位置，将二阶色散的光谱汇聚到成像位置；

7、大靶面高灵敏度面阵探测器设于汇聚反射镜的右侧，用于形成二维图谱。

8、优选的，双胶合反射式棱镜包括第一棱镜和第二棱镜。

9、优选的，一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，具体步骤如下：

10、s1、根据大靶面高灵敏度面阵探测器的成像宽度，获得双胶合棱镜的色散宽度范围，限制二维图谱的成像边界；

11、s2、根据中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构整体光路的设计，限定双胶合棱镜的反射角范围，保证安装合理，有利于成像和后续校正；

12、s3、建立双胶合反射式棱镜的数学模型，计算反射角，进而得到色散宽度和反射角；

13、s4、根据光谱工作波段明确波长范围，并利用评价指标评价中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的色散效果，确定双胶合棱镜具体的色散宽度和反射角参数。

14、优选的，步骤s1中获得色散宽度范围，具体如下：

15、

16、式中，hccd为大靶面高灵敏度面阵探测器在中阶梯光栅色散方向的长度，f为焦距，λmax表示中阶梯光栅的最大自由光谱区长度，m表示该自由光谱区的级次，d为中阶梯光栅的光栅常数，θb为中阶梯光栅闪耀角，ω为中阶梯光栅的偏置角，wccd为大靶面高灵敏度面阵探测器在双胶合反射式棱镜色散方向的长度。

17、优选的，步骤s3中双胶合反射式棱镜的数学模型，通过将双胶合反射式棱镜按照反射面展开，获得三片式棱镜；根据单反射棱镜按照反射面展开，等效为一个透射式棱镜，利用透射式棱镜的出射角公式，依次对三片式棱镜的光路计算，获得双胶合反射式棱镜的出射角，进而获得反射角和色散宽度。

18、优选的，根据单反射棱镜按照反射面展开，等效为一个透射式棱镜，透射式棱镜的出射角公式，具体如下：

19、定义光路自左向右为正向，当入射光线相对于法线方向顺时针旋转，则入射角为正值；当入射光线相对于法线方向逆时针旋转，则入射角为负值；同理，定义顶角向上为正，向下为负；

20、利用折射率公式和基本数学运算法则，得到：

21、

22、式中，i2为透射式棱镜的出射角，i1为透射式棱镜的入射角，n为与波长λ相关的材料折射率，i′1为透射式棱镜第一面的折射角，i′2为透射式棱镜第二面的入射角。

23、根据三角函数变化获得出射角公式：

24、

25、式中，a1为单反射棱镜按照反射面展开后的顶角；

26、其中，材料折射率n利用sellmeier公式1计算得到，公式如下：

27、

28、式中，b1、b2、b3、c1、c2、c3均为材料系数。

29、优选的，获得反射角和色散宽度，具体如下：

30、δ＝i2-i1δ＝δ(λ)max-δ(λ)min

31、式中，δ为反射角，δ色散宽度，δ(λ)max为工作波段范围内最大的反射角，δ(λ)min为工作波段范围内最小的反射角。

32、优选的，步骤s4中的评价指标，具体如下：

33、

34、式中，λa、λb和λc分别代表波段范围内的三个波长，δ(λ)表示λ波长下的反射角。

35、因此，本发明采用上述一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构与设计方法，具有以下技术效果：

36、(1)采用双胶合反射式棱镜的结构，避免成像阶段在长波段范围内不同衍射级次间的串扰；

37、(2)建立双胶合反射式棱镜的数学模型，计算双胶合反射式棱镜出射角，获得反射角和色散宽度，并利用评价指标判断色散效果，确定若干组符合中阶梯光栅光谱仪工作波段内双胶合反射式棱镜的反射角、色散宽度参数。

38、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构，其特征在于，包括入射小孔、准直反射镜、中阶梯光栅、双胶合反射式棱镜、汇聚反射镜和大靶面高灵敏度面阵探测器；

2.根据权利要求1所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构，其特征在于，双胶合反射式棱镜包括第一棱镜和第二棱镜。

3.如权利要求1至2任一项所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，步骤s1中获得色散宽度范围，具体如下：

5.根据权利要求3所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，步骤s3中双胶合反射式棱镜的数学模型，通过将双胶合反射式棱镜按照反射面展开，获得三片式棱镜；根据单反射棱镜按照反射面展开，等效为一个透射式棱镜，利用透射式棱镜的出射角公式，依次对三片式棱镜的光路计算，获得双胶合反射式棱镜的出射角，进而获得反射角和色散宽度。

6.根据权利要求5所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，根据单反射棱镜按照反射面展开，等效为一个透射式棱镜，透射式棱镜的出射角公式具体如下：

7.根据权利要求6所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，获得反射角和色散宽度，具体如下：

8.根据权利要求3所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构的设计方法，其特征在于，步骤s4中的评价指标，具体如下：

技术总结本发明公开了一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构与设计方法，涉及光学仪器技术领域。所述的一种中阶梯光栅光谱仪均匀色散结构包括入射小孔、准直反射镜、中阶梯光栅、双胶合反射式棱镜、汇聚反射镜和大靶面高灵敏度面阵探测器；上述结构的设计方法包括根据大靶面高灵敏度面阵探测器的成像宽度，获得双胶合棱镜的色散宽度范围；根据整体光路的设计，限定双胶合棱镜的反射角范围；通过建立双胶合反射式棱镜的数学模型，计算光谱仪工作波段内的色散宽度和反射角；利用评价指标，结合色散宽度范围和反射角范围，获得双胶合反射式棱镜的参数。因此，采用上述的结构与设计方法，能够保留高分辨率和瞬态直读的优势，同时避免长波段衍射级次串扰的现象。技术研发人员：尹禄,周洋东,王乐,韩龙飞,孙亚楠受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20