多解析度光譜儀的製作方法

2023-10-07 01:11:09

本發明涉及光譜儀領域，尤其涉及一種多解析度光譜儀。

背景技術：

光譜儀是一種用途很廣的分析儀器，尤其用於物質的鑑定和分析。光譜儀利用色散元件將不同波長混合在一起的光信號分解並排列到探測器上，最終得到代表著不同波長處的信號強度分布的光譜圖線。光譜儀的解析度表徵了儀器對兩個相鄰波長信號間的分辨能力，決定了最終光譜圖攜帶特徵信息的精細程度。在光譜探測和分析中，光譜儀的解析度參數對於精確地鑑別物質、確定其化學組成和相對含量有著重要的意義。

現有光譜儀通常採用單一寬度的狹縫，狹縫寬度確定後，解析度就成了定值。不能保證解析度和靈敏度兼得。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種多解析度光譜儀，其通過採用特定形狀的入射狹縫，能夠適應於多種解析度的光譜圖採集。

本發明的實施例提供了一種多解析度光譜儀，包括：入射狹縫，布置用於接收入射光束；準直裝置，布置用於對來自入射狹縫的光束進行準直；色散裝置，布置用於對經過準直裝置準直的光束進行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束；成像裝置和陣列式光子探測器，所述成像裝置布置用於將所述多個子光束分別成像在所述陣列式光子探測器上，所述陣列式光子探測器用於將成像到其上的多個子光束的光信號轉換成電信號，所述電信號用於形成光譜圖，其中，所述入射狹縫具有第一狹縫部分和第二狹縫部分，所述第二狹縫部分具有比第一狹縫部分更大的寬度。

在一實施例中，所述色散裝置布置成將所述多個子光束在第一方向上分離開，所述陣列式光子探測器具有多列探測單元，其中每列探測單元沿著與第一方向垂直的第二方向布置。

在一實施例中，所述多個子光束中的每個子光束在所述陣列式光子探測器上形成的圖案包括分別對應於第一狹縫部分和第二狹縫部分的第一圖案部分和第二圖案部分，所述第二圖案部分具有比第一圖案部分更大的寬度。

在一實施例中，光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中的所有探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實施例中，所述陣列式光子探測器具有沿著第二方向依次布置的第一區域和第二區域，所述第一圖案部分形成於所述第一區域中，所述第二圖案部分形成於所述第二區域中，所述光譜圖包括第一子光譜圖和第二子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處於第一區域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處於第二區域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實施例中，所述狹縫還包括第三狹縫部分，所述第三狹縫部分具有比第二狹縫部分更大的寬度。

在一實施例中，所述多個子光束中的每個子光束在所述陣列式光子探測器上形成的圖案包括分別對應於第一狹縫部分、第二狹縫部分和第三狹縫部分的第一圖案部分、第二圖案部分和第三圖案部分，所述第二圖案部分具有比第一圖案部分更大但比第三圖案部分更小的寬度。

在一實施例中，所述陣列式光子探測器具有沿著第二方向依次布置的第一區域、第二區域和第三區域，所述第一圖案部分、第二圖案部分和第三圖案部分分別形成於所述第一區域、第二區域和第三區域中，所述光譜圖包括第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處於第一區域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處於第二區域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第三子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元中處於第三區域中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。

在一實施例中，所述入射狹縫具有寬度漸變的形狀。

在一實施例中，所述準直裝置包括準直透鏡或凹面反射鏡，所述色散裝置包括分色光柵，所述成像裝置包括會聚透鏡或凹面反射鏡。

如本發明的上述至少一個實施例中所述的多解析度光譜儀，通過設置具有寬度不同的各個狹縫部分的入射狹縫，能夠在對入射光束進行一次採集的過程中生成具有多種波長解析度的光譜圖。

附圖說明

圖1示意性地示出根據本發明的一實施例的多解析度光譜儀；

圖2a、2b、2c示意性地示出根據本發明的一實施例的多解析度光譜儀的入射狹縫的形狀的示例；

圖3示意性地示出經過入射狹縫的光束經過色散裝置之後成像在陣列式光子探測器上的圖案的示例；

圖4示意性地示出光譜圖中的譜線。

具體實施方式

下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號表示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發明實施方式的說明旨在對本發明的總體發明構思進行解釋，而不應當理解為對本發明的一種限制。

根據本發明的總體構思，提供一種多解析度光譜儀，包括：入射狹縫，布置用於接收入射光束；準直裝置，布置用於對來自入射狹縫的光束進行準直；色散裝置，布置用於對經過準直裝置準直的光束進行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束；成像裝置和陣列式光子探測器，所述成像裝置布置用於將所述多個子光束分別成像在所述陣列式光子探測器上，所述陣列式光子探測器用於將成像到其上的多個子光束的光信號轉換成電信號，所述電信號用於形成光譜圖，其中，所述入射狹縫具有第一狹縫部分和第二狹縫部分，所述第二狹縫部分具有比第一狹縫部分更大的寬度。

另外，在下面的詳細描述中,為便於解釋,闡述了許多具體的細節以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或更多個實施例在沒有這些具體細節的情況下也可以被實施。

圖1示意性地示出根據本發明的一實施例的多解析度光譜儀100。該多解析度光譜儀100可以包括入射狹縫10、準直裝置20、色散裝置30、成像裝置40和陣列式光子探測器50。入射狹縫10布置用於接收入射光束。準直裝置20布置用於對來自入射狹縫10的光束60進行準直。色散裝置30布置用於對經過準直裝置20準直的光束進行分色，以形成具有不同的波長的多個子光束61、62(例如波長分別為λ1和λ2)。成像裝置40布置用於將所述多個子光束61、62分別成像在所述陣列式光子探測器50上。所述陣列式光子探測器50用於將成像到其上的多個子光束61、62的光信號轉換成電信號，所述電信號用於形成光譜圖。如圖2a所示，入射狹縫10具有第一狹縫部分11和第二狹縫部分12，所述第二狹縫部分12具有比第一狹縫部分11更大的寬度。

在光譜儀系統的設計開發過程中，入射狹縫的寬度直接影響了解析度的高低——狹縫越窄，解析度越高；狹縫越寬，解析度越低。單一地減小狹縫寬度雖然可以提高解析度，但是會導致光通量減小，即信號強度下降。如果整個狹縫寬度都一致，則只能實現一種解析度。而本發明的實施例中的多解析度光譜儀中的入射狹縫10至少具有兩種不同寬度的狹縫部分，這樣在陣列式光子探測器50上產生的子光束的圖案也可以實現不同的波長解析度。於是，在對入射光束的一次採集中就可以產生具有多種波長解析度的光譜圖。這可以為用戶提供多種選擇，從而更好地平衡解析度和光通量的要求。

雖然在上述實施例中僅提到了第一狹縫部分11和第二狹縫部分12，但是在本發明的實施例中，並不限於包括兩個狹縫部分的入射狹縫，例如入射狹縫10還可以包括第三狹縫部分13(如圖2b所示)，所述第三狹縫部分13具有比第二狹縫部分12更大的寬度。本領域技術人員應當理解，入射狹縫10也還可以包括四個、五個或更多的具有不同的寬度的狹縫部分。

在一示例中，色散裝置30(例如可以為分色光柵)可以布置成將所述多個子光束61、62在第一方向(如圖3中所示的x方向)上分離開，所述陣列式光子探測器50具有多列探測單元51、52，其中每列探測單元51、52沿著與第一方向垂直的第二方向(如圖3中所示的y方向)布置。這意味著具有不同的波長的子光束61、62在空間上被分列開，從而陣列式光子探測器50可以獨立地接收光束中的不同波長成分的光信號。

作為示例，所述多個子光束61、62中的每個子光束在所述陣列式光子探測器50上形成的圖案包括分別對應於第一狹縫部分11和第二狹縫部分12的第一圖案部分81、81』和第二圖案部分82、82』，所述第二圖案部分82、82』具有比第一圖案部分81、81』更大的寬度。如圖3所示，波長為λ1的第一子光束61在陣列式光子探測器50上形成第一子光束圖案91，波長為λ2的第二子光束62在陣列式光子探測器50上形成第二子光束圖案92。第一子光束圖案91具有第一圖案部分81和第二圖案部分82，第二子光束圖案92也具有第一圖案部分81』和第二圖案部分82』。從圖3上可以看出，第一圖案部分81、81』的寬度比較小，而第二圖案部分82、82』的寬度比較大，但相鄰的第二圖案部分82、82』的中心之間的間距與相鄰的第一圖案部分81、81』的中心之間的間距是相同的。這樣，對於第一圖案部分81、81』而言，即使子光束的分布更密集一些，也仍然能夠將相鄰的第一圖案部分81、81』分辨出來，而在同等的情況下，相鄰的第二圖案部分82、82』可能就難以分辨。也就是說，第一圖案部分81、81』的解析度比第二圖案部分82、82』的解析度更高。

作為示例，圖3還示出了在入射狹縫10還包括第三狹縫部分13的情況下第一子光束圖案91和第二子光束圖案92中包含的第三圖案部分83、83』。如前所述，在本發明的實施例中還可能設置更多的狹縫部分，相應地，在第一子光束圖案91和第二子光束圖案92中也可能包括第四、第五或更多的圖案部分。

在一示例中，光譜圖中的每條譜線101、102(如圖4所示)可以由一列探測單元51、52中的所有探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。在這種情況下，可以形成單一的光譜圖，而該光譜圖的解析度是各個圖案部分(例如第一圖案部分81、81』和第二圖案部分82、82』或者第一圖案部分81、81』、第二圖案部分82、82』和第三圖案部分83、83』)的解析度的折衷。

而在另一示例中，所述陣列式光子探測器50具有沿著第二方向(例如圖3中的y方向)依次布置的第一區域71和第二區域72，所述第一圖案部分81、81』形成於所述第一區域71中，所述第二圖案部分82、82』形成於所述第二區域72中。所述光譜圖包括第一子光譜圖和第二子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處於第一區域71中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處於第二區域72中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。以這種方式，在對入射光束進行一次採集的情況下可以同時生成至少兩種具有不同的波長解析度的光譜圖。如前所述，波長解析度高可能會導致光信號變弱(光通量變小)，而光譜儀的使用者在對於信號分析要求較高的應用中尋求波長解析度和光信號強度的最佳平衡是有益處的，甚至可能需要對於兩種以上的具有不同波長解析度的光譜圖一起進行分析來提高光譜儀的檢測精度。因此，利用入射狹縫的一次採集(或一次成像)來同時提供具有不同波長解析度的光譜圖，對於光譜儀檢測信號的優化是有幫助的。

作為示例，如圖3所示，所述多個子光束61、62中的每個子光束在所述陣列式光子探測器50上形成的圖案可以包括分別對應於第一狹縫部分11、第二狹縫部分12和第三狹縫部分13的第一圖案部分81、81』、第二圖案部分82、82』和第三圖案部分83、83』，所述第二圖案部分82、82』具有比第一圖案部分81、81』更大但比第三圖案部分83、83』更小的寬度。這為基於同一入射狹縫同時提供三種波長解析度的光譜圖提供可能。在一示例中，所述陣列式光子探測器50具有沿著第二方向(如圖3中的y方向)依次布置的第一區域71、第二區域72和第三區域73。所述第一圖案部分81、81』、第二圖案部分82、82』和第三圖案部分83、83』分別形成於所述第一區域71、第二區域72和第三區域73中，所述光譜圖包括第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖，所述第一子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處於第一區域71中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第二子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處於第二區域72中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成，所述第三子光譜圖中的每條譜線由一列探測單元51、52中處於第三區域73中的探測單元所獲得的電信號的疊加輸出而生成。在上述示例中，第一子光譜圖、第二子光譜圖和第三子光譜圖具有不同的波長解析度。第一圖案部分81、81』、第二圖案部分82、82』和第三圖案部分83、83』分別代表三種波長。該圖案部分的寬度越小，佔據的探測器上的像素也越少，對應的波長解析度也就越高。因此，在圖3的示例中，第一子光譜圖的波長解析度高於第二子光譜圖的波長解析度，第二子光譜圖的波長解析度高於第三子光譜圖的波長解析度。同時提供三種具有不同波長解析度的子光譜圖，可以進一步提高光譜儀對於檢測應用的適應性。

在一示例中，入射狹縫10可以具有寬度漸變的形狀，如圖2c所示。這種形狀的入射狹縫10也可以被劃分成多個具有不同寬度的狹縫部分。在圖2a和2b所示的示例中，每一段狹縫部分都具有固定的寬度。而對於圖2c所示的示例，由於是寬度漸變的，因此劃分之後的狹縫部分的寬度也不是完全一致的。與包含各個具有固定寬度的狹縫部分的入射狹縫(如分階形狀)相比，圖2c所示的示例的優勢在於可以根據需要來劃分各個狹縫部分以及陣列式光子探測器50上的各個區域(例如第一區域71、第二區域72和第三區域73等)以更靈活地獲取各個光譜子圖，但缺點是更容易引入相鄰波長之間的串擾。

雖然圖2a至圖2c給出了一些入射狹縫的示例，但是在本發明的實施例中，入射狹縫的形狀不限於此，例如，在同一入射狹縫中的各個狹縫部分的中心可以位於同一條中心線上(如圖2a至圖2c所示)，但也可以不位於同一條中心線上(即各個狹縫部分可以彼此之間具有橫向偏移)。再例如，在同一入射狹縫中的各個狹縫部分的寬度可以依次變大(如圖2a至圖2c所示)，但也可以任意排列，如對於圖2b的示例，寬度最大的狹縫部分可以位於其它兩個狹縫部分之間，而不是位於最下方。

在本發明的實施例中，每個子光束71、72具有第一子光束部分(對應於第一圖案部分81、81』)和第二子光束部分(對應於第二圖案部分82、82』)。在本發明的實施例中，色散裝置可以將入射光束60在第一方向(例如圖3中示出的x方向)上分解成多個子光束，每個子光束具有各自的波長，而入射狹縫的寬度不同的各個狹縫部分可以將每個子光束在第二方向(例如圖3中示出的y方向)上分成寬窄不同的各個子光束部分，以獲得不同的波長解析度。作為示例，在根據本發明的實施例的多解析度光譜儀中，入射狹縫10中的各個狹縫部分可以沿著第二方向排布，但這不是必須的，例如，入射狹縫10中的各個狹縫部分也可以沿著除第二方向之外的其它方向排布，為了使子光束在陣列式光子探測器50上形成的例如第一圖案部分81、81』、第二圖案部分82、82』和第三圖案部分83、83』等圖案部分可以沿著第二方向排布，可以在多解析度光譜儀的光路中將成像方向(必要時可以設置光束摺疊或旋轉部件)調節成期望的方向。

在根據本發明的實施例的多解析度光譜儀中，準直裝置20例如可以包括準直透鏡或凹面反射鏡，色散裝置30例如可以包括分色光柵，成像裝置40例如可以包括會聚透鏡或凹面反射鏡。然而，本發明的實施例不限於此，準直裝置20、色散裝置30和成像裝置40也可以採用本領域已知的任何其它形式的準直裝置、色散裝置和成像裝置。根據本發明的實施例的多解析度光譜儀可以用於各種光譜(例如拉曼光譜、紅外光譜、螢光光譜等)的檢測和物質鑑定等應用。

雖然結合附圖對本發明進行了說明，但是附圖中公開的實施例旨在對本發明優選實施方式進行示例性說明，而不能理解為對本發明的一種限制。附圖中的尺寸比例僅僅是示意性的，並不能理解為對本發明的限制。

雖然本發明總體構思的一些實施例已被顯示和說明，本領域普通技術人員將理解，在不背離本總體發明構思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本發明的範圍以權利要求和它們的等同物限定。