用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构及光谱仪

本发明涉及光谱仪，特别涉及一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构及光谱仪。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、目前针对一些特定材料的厚度检测及成分分析等，如硅片厚度检测，需要使用穿透力更强的近红外波段光谱进行测量，而目前市面上的系统存在条件受限：单光栅结构分辨率低且体积庞大；采用多光栅结构虽然实现了高分辨率，但其由于光栅可能存在各种转角，导致装配、定位难度较大，且由于多了一个光学元件，体积也会增加；而如果将双光栅换成双透射光栅，虽然实现了较小的体积和高分辨率，但是其光栅材料限制应用波段，且透射光栅色差较大。

3、例如，基于单光栅高分辨率的光谱仪器，是目前较为成熟的方法，相关光路、软件算法等均已有商用产品，其主要借助于高色散的分光器件，针对特定的波长选取适用的参数，使用交叉型c-t光路，虽然可将体积做到很小，但是分辨率相对较差，该种仪器的光路通常采用狭缝、准直镜、光栅元件、会聚镜等光学器件，利用光学成像及光栅衍射原理，将衍射光线聚焦在ccd线阵传感器上，外接环形器来实现硅片等物体的厚度测量，如图1所示为相关光路的基本原理。

4、但是，发明人发现，基于单光栅高分辨率的光谱仪器虽然具有灵活性高等优点，但其分辨率较差，且体积庞大，无法满足现有需求，主要原因在于：1)在近红外波段下，单光栅相对于双光栅来说，其分辨率相对较差，无法满足现有的需求；2)按理论计算得知，非交叉ct光路分辨率优于交叉型ct光路，但是其体积较大。

5、再例如，基于反射式双光栅/多光栅的高分辨率光谱仪，这种光谱仪的原理简单、技术成熟，针对光路可以灵活设置光栅角度及位置，但由于器件之间的耦合要求较高，无疑增加了器件固定及装配困难，尤其是针对高分辨率的光路，较小的误差都会引起较大的分辨率改变，如图2所示为双光栅的光路设计。

6、发明人发现，上述这种光谱仪虽然可实现较高的分辨率，但从图2可以看出，光栅定位及装配相对困难，不能满足小体积、高分辨的需求，具体原因如下：1)双光栅/多光栅需要保证光线在光栅的入射角保持准确，各器件之间的定位及装配相对困难，可能会导致最终误差较大，达不到理论分辨率，增大了调试难度，延长了工期；2)使用多个可灵活设置的光栅，意味着体积增大，违背现阶段小体积的光路发展趋势。

7、再例如，基于透射式双光栅的高分辨率光谱仪，其对于光路的合理性布局较为友好，可以做到较小的体积和较高的分辨率，如图3所示。

8、发明人发现，上述方案虽然可实现较高的分辨率，而且相较于反射式光栅，其体积也可大幅降低，但仍存在如下一些问题：1)仍然存在各器件之间的定位及装配相对困难的问题；2)由于使用透射式光栅，导致最终像面会有较大的色差。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构及光谱仪，通过两个平行摆放的平面反射光栅，实现了多次衍射，解决了近红外波段光谱仪分辨率低的问题，大幅度提高了光谱仪的分辨率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面透镜、平面反射镜、柱面镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

4、光源、准直镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直镜发来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面透镜，非球面透镜、平面反射镜、柱面镜和ccd芯片沿光路依次布置。

5、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直反射镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面反射镜、平面反射镜、柱面镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

6、光源、准直反射镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直反射镜反射来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面反射镜，非球面反射镜、平面反射镜、柱面镜和ccd芯片沿光路依次布置。

7、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面透镜、柱面镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

8、光源、准直镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直镜发来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面透镜，非球面透镜、柱面镜和ccd芯片沿光路依次布置。

9、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直反射镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面反射镜、柱面镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

10、光源、准直反射镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直反射镜反射来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面反射镜，非球面反射镜、柱面镜和ccd芯片沿光路依次布置。

11、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面透镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

12、光源、准直镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直镜发来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面透镜，非球面透镜和ccd芯片沿光路依次布置。

13、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直反射镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面反射镜和ccd芯片；

14、光源、准直反射镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直反射镜反射来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面反射镜，非球面反射镜和ccd芯片沿光路依次布置。

15、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面透镜、平面反射镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

16、光源、准直镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直镜发来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面透镜，非球面透镜、平面反射镜和ccd芯片沿光路依次布置。

17、本发明的一种实现方式中，提供了一种用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构，包括：光源、准直反射镜、第一平面闪耀光栅、第二平面闪耀光栅、非球面反射镜、平面反射镜和ccd芯片，第一平面闪耀光栅和第二平面闪耀光栅平行布置；

18、光源、准直反射镜和第一平面闪耀光栅沿光路依次布置，第一平面闪耀光栅的第一部分用于将经准直反射镜反射来的光反射至第二平面闪耀光栅，第一闪耀光栅的第二部分用于将经第二平面闪耀光栅反射来的光反射至非球面反射镜，非球面反射镜、平面反射镜和ccd芯片沿光路依次布置。

19、本发明的一种实现方式中，提供了一种高分辨率小型化光谱仪，包括本发明上述的用于高分辨率小型化光谱仪的光路结构。

20、作为本发明的进一步限定，本发明所述的光源为光纤光源。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、1、本发明解决了近红外波段光谱仪分辨率低的问题，通过平行摆放的反射式双光栅，经过多次衍射，大幅提高了光谱仪的分辨率。

23、2、本发明解决了使用双光栅难以定位和装配的问题，采用了平行放置的平面反射光栅，避免了繁琐的定位问题，仅需确定两个光栅的间距及偏移即可完成。

24、3、本发明采用反射式光栅，不会引入额外色差，波段范围适应广；本发明解决了使用双光栅导致的设备体积偏大的问题，由于光线的衍射仅发生在两个平行放置的反射光栅中，间距可自由控制，体积可与单光栅/双透射光栅的设备体积相仿。

25、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。