一种双入射狭缝光谱仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪

摘要

本发明公开了一种双入射狭缝光谱仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪，使用凹面光栅、两个入射狭缝和两个光探测器搭建光谱仪，包括以下步骤：1)确定第一入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期；2)估算凹面光栅的闪耀角，确定凹面光栅的表面材料和槽型结构；3)估算入射角范围；获取入射角度为θ

说明书

【技术领域】

本发明涉及光谱仪的设计方法，特别是涉及一种使用凹面光栅的双入射狭缝光谱 仪的设计方法以及双入射狭缝光谱仪。

【背景技术】

近年来，由于环境检测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等一 些需要现场实时测试的应用领域的现代化发展，实验室中的大型光谱仪器已难以满足 上述实际使用要求。开发便携式小型光谱仪器产品具有重要的实际意义以及广阔的市 场前景。现有小型光谱仪中，有使用凹面光栅进行搭建的光谱仪，通常包括凹面光栅、 一个入射狭缝和多个探测器。通过对凹面光栅的制作参数、入射狭缝的入射角度以及 各器件之间的相对位置进行设计调整，从而搭建光谱仪，实现在某一波段范围内的光 波检测。然而，现有的设计方法下搭建的光谱仪，虽然能实现宽光谱区域的光波检测， 但在部分光谱区域内对应的衍射效率却较低，无法满足高要求的应用。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种双入射狭缝 光谱仪的设计方法及双入射狭缝光谱仪，在大部分光谱区域内具有较高的衍射效率， 整体衍射效率较高。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种双入射狭缝光谱仪的设计方法，通过设计，使用凹面光栅、两个入射狭缝和 两个光探测器搭建光谱仪，且所述光谱仪的光谱检测范围为λ₁～λ₄；所述设计方法包括 以下步骤：1)根据所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在 单一入射狭缝时的入射角度值和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到 的入射角度值作为第一入射狭缝的入射角θ_A1的值；2)估算所述凹面光栅的闪耀角， 确定所述凹面光栅的表面材料和槽型结构；3)根据光谱闪耀条件，确定出与入射角度 θ_A1满足同一闪耀角下的光谱闪耀条件的入射角范围，将该入射角范围作为第二入射狭 缝的入射角θ_A2的范围，闪耀角的值取所述步骤2)估算的闪耀角的值；获取入射角度 为θ_A1时所述凹面光栅的波长-衍射效率曲线，以及分布在所述第二入射狭缝的入射角 范围内的多个角度下所述凹面光栅的波长-衍射效率曲线；4)根据步骤3)得到的多个 入射角度下的波长-衍射效率曲线确定一个角度作为第二入射狭缝的入射角θ_A2的值； 根据角度为θ_A1时的波长-衍射效率曲线和θ_A2角度下的波长-衍射效率曲线的对比，确 定波长λ₂和λ₃的值；5)根据得到的两个入射角θ_A1、θ_A2的值，四个波长λ₁、λ₂、λ₃、 λ₄的值以及所述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软 件ZEMAX软件进行参数优化，得到记录结构参数以及使用结构参数；6)根据步骤1) 中的凹面光栅的槽型周期，步骤2)的凹面光栅的闪耀角、表面材料和槽型结构以及步 骤5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的制作参数，得到满足应用的凹面光栅； 7)根据步骤5)得到的使用结构参数，确定两个入射狭缝和两个光探测器相对于所述 凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。

一种双入射狭缝光谱仪，包括凹面光栅、两个入射狭缝和两个光探测器，所述凹 面光栅的制作参数以及两个入射狭缝和两个光探测器相对于所述凹面光栅的位置根据 如上所述的设计方法确定得到。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的双入射狭缝光谱仪的设计方法，先确定单一入射角度值，然后通过各波 长在角度θ_A1下的衍射效率以及估算的θ_A2的角度范围内的衍射效率情况，确定另外 一个入射角度以及光谱检测区域(λ₁～λ₄)内的波段截止点λ₂和λ₃，进而根据确定的两 个入射角度和四个波长值进行光学设计，得到记录结构参数和使用结构参数，进而确 定凹面光栅的结构以及凹面光栅与两个入射狭缝、两个光探测器之间的相对位置，搭 建得到光谱仪。该搭建的光谱仪能实现预期目标，检测λ₁～λ₄范围内的光波。光谱仪通 过双入射狭缝实现双角度入射，从而实现双波长闪耀，相对于现有的光谱仪仅能实现 一个闪耀波长，本发明设计的光谱仪在使用大角度入射的入射狭缝时，其闪耀波长相 比小角度入射的入射狭缝会向短波部分移动，从而实现在两个不同的入射角下有两个 不同的闪耀波长，从而提高衍射效率，相对于现有的光谱仪，可提高大部分光谱区域 的衍射效率，且衍射效率高达0.4的波段区域占整个光波检测范围的比例也有所提高 (达81.9％以上)。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式的双入射狭缝光谱仪的光路结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的双入射狭缝光谱仪设计方法的流程图；

图3是本发明具体实施方式中设计时步骤P3)中在入射角度θ_A1时得到的波长- 衍射效率曲线图；

图4是发明具体实施方式中新结构的光谱仪与普通光谱仪在各波长处的衍射效率 对比示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本具体实施方式要设计的双入射狭缝光谱仪的光路结构示意图。 光谱仪包括两个入射狭缝、凹面光栅和两个光探测器。光探测器优选的可以采用光电 倍增管、热电探测器、半导体光探测器或者CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器 件)阵列探测器，但并非限制于这几种。图1中，A₁、A₂为入射狭缝，B₁B₂、B₁’B₂’ 为光探测器。以凹面光栅G的中心O点为坐标原点建立坐标系，依光的传播方向，在 光路上依次设置入射狭缝、凹面光栅G和光探测器。凹面光栅G的参数以及入射狭缝、 光探测器的位置通过如下设计方法设计得到，从而搭建出能够检测波长范围在λ₁～λ₄的光波的凹面光栅光谱仪。经设计搭建，第一入射狭缝A₁经凹面光栅G汇聚分光后出 射的光线照射到光探测器B₁’B₂’上，波长范围为λ₃～λ₄；第二入射狭缝A₂经凹面光栅 G汇聚分光后出射的光线照射到光探测器B₁B₂上，波长范围为λ₁～λ₂，其中，λ₁＜λ₂≤ λ₃＜λ₄。

设计方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

P1)确定第一入射狭缝的入射角以及凹面光栅的槽型周期。具体地，根据光谱仪 的固定结构参数，基于光程函数级数展开法计算得到在单一入射狭缝时的入射角度值 和所述入射角度值下所述凹面光栅的槽型周期，将得到的入射角度值作为第一入射狭 缝的入射角θ_A1的值。

当需要搭建光谱仪时，其固定结构参数，例如光谱检测范围值，选用的凹面光栅 的曝光波长、工作级次、边长、基底曲率半径、光栅常数，选用的两个入射狭缝的宽 度等固有属性参数是已知的。根据固定结构参数，使用光程函数级数展开法即可计算 得到光栅在单一入射狭缝时的入射角度，并可同时得到所述入射角度值下所述凹面光 栅的槽型周期。将该计算的入射角度作为第一入射狭缝的入射角θ_A1的值。本具体实 施例中，光谱仪的固定结构参数如下表1所示：

表1

光谱检测范围 190nm～800nm 凹面光栅的曝光波长 441.6nm 凹面光栅的工作级次 +1 入射狭缝宽度 5μm 凹面光栅边长 30mm 凹面光栅基底曲率半径 83.684mm 光栅常数d/mm 1/650～1/350

从上述参数也可知，λ₁＝190nm，λ₄＝800nm。根据表1中的固定结构参数，计算 得到入射角为﹣7°，槽型周期为每毫米450个，则θ_A1＝﹣7°。

P2)估算凹面光栅的闪耀角，确定凹面光栅的表面材料和槽型结构。

估算闪耀角时，可使用常规的方法进行估算。优选地，采用如下方法进行，可较 为准确且快速地估算得到闪耀角。先使用PCGrate软件得到入射角度θ_A1下，在(λ₀， λ₀+100)的范围内的多个波长分别作为闪耀波长时对应的凹面光栅的波长-衍射效率曲 线，选取整个光谱检测范围内的长波段范围内衍射效率的平均值相对于其它波长时的 该范围内的衍射效率的平均值要高、且该范围内衍射效率的方差相对于其它波长时方 差要小时的一个波长(λ_y)作为最终的闪耀波长，进而估算得到闪耀角。其中，λ₀表示 光谱仪在仅入射角θ_A1入射时，使所述凹面光栅在整个光谱检测范围的衍射效率的平 均值相对较高、方差相对较小时的波长，也即光栅仅设置一个入射狭缝时搭建的光谱 仪的闪耀波长。确定λ₀表示时，可取整个光谱检测范围内的多个波长分别作闪耀波长， 判断衍射效率曲线的平均值、方差。各波长对应的衍射效率曲线彼此交错在一起，有 些波长对应的曲线在长波段时值较高，在短波段时值较低；而有些波长对应的曲线在 短波段时值较高，在长波段时值较低。因此，综合考虑，曲线的值相对较高(平均值 较高)，且变化平缓(方差较小)时对应的波长作为闪耀波长。

本具体实施方式中，当仅一个入射角度θ_A1＝﹣7°入射时，对于检测光谱范围为 190nm～800nm的光谱仪，可检测确定300nm作为闪耀波长时，相对于其它波长作为闪 耀波长时，整个光谱检测范围的衍射效率都较好(较好是指，大部分区域的衍射效率 都较高，衍射效率的平均值相对较高；且方差相对较小，即衍射效率波动相对较小， 曲线平缓)，则可确定λ₀＝300nm。然后，取范围(310，350)内的多个波长，例如310nm、 320nm、330nm、340nm、350nm五个波长，可以使用PCGrate软件得到在入射角度θ_A1下，310nm、320nm、330nm、340nm、350nm分别作为闪耀波长得到五个波长-衍射效 率曲线，如发现在波长340nm下，长波段范围(对于190～800nm的光谱检测范围，长 波段为300nm～800nm)的衍射效率的平均值相比其它四个波长时的长波段的衍射效率 的平均值要高，且相应的方差相比其它四个波长时的长波段的衍射效率的方差要低(即 曲线平缓)，则将340nm作为最终的闪耀波长，进而估算得到闪耀角γ＝4.5°。此处衍 射效率的平均值、方差，可通过计算直接获取。也可由设计者直接根据衍射效率曲线 进行判断，如衍射效率在长波段范围的大部分区域都较高，即可认定其平均值相对较 高，同时衍射效率在长波段范围内的各取值变化平缓，即可认定其方差相对较低，而 不用精确计算出平均值、方差的具体值。

凹面光栅的表面材料和槽型结构可由设计者自由选取，本具体实施方式中选用 PCGrate中自定义的一种Al类材料作为表面材料，槽型为锯齿形。其它材料，其它槽 型，例如梯形结构均可选择适用，并不限于上述示例情形。

P3)根据光谱闪耀条件，确定出与入射角度θ_A1满足同一闪耀角下的光谱闪耀条 件的入射角范围，将该入射角范围作为第二入射狭缝的入射角θ_A2的范围，闪耀角的 值取所述步骤P2)估算的闪耀角的值；获取入射角度为θ_A1时所述凹面光栅的波长- 衍射效率曲线，以及分布在所述第二入射狭缝的入射角范围内的多个角度下所述凹面 光栅的波长-衍射效率曲线；

本具体实施方式的设计方法的设计目标是通过同一光栅光谱仪光路实现两个入射 角度的入射，且第二入射角度为相对于第一入射角度较大的入射角。因此入射角θ_A1和入射角θ_A2应满足相同的光谱闪耀条件方程。根据这一原则，即可根据入射角θ_A1以及光谱闪耀条件方程确定出入射角范围，将其作为第二个入射狭缝的入射角θ_A2的 范围。优选地，将入射角θ_A1带入光谱闪耀条件方程，化简后可得到θ_B1-θ_A1＝2γ， θ_B1表示入射角度为θ_A1时的闪耀波长的出射角度；如入射角θ_A2满足相同的光谱闪耀 条件方程，则也存在θ_B2-θ_A2＝2γ，相应地，θ_B2表示入射角度为θ_A2时的闪耀波长的 出射角度。而根据光栅方程，有方程d(sinθ_A2+sinθ_B2)＝mλ_b。其中，m＝1；d 表示步骤P1)估算的槽型周期数，γ表示步骤P2)估算的闪耀角。综上，可根据上述 两个方程解出θ_A2的值。当λ_b在(λ₀-100，λ₀)的范围内变化取值时，即得到相应的 入射角θ_A2的范围。λ₀即为上述确定的，光栅仅设置一个入射狭缝时搭建的光谱仪的 闪耀波长。本具体实施方式中，确定的范围为﹣35°～﹣45°。

获取入射角度范围后，可使用光栅设计软件PCGrate软件得到相应角度下对应的 波长-衍射效率曲线图。将步骤P2)确定的所述凹面光栅的表面材料和槽型结构输入光 栅设计软件PCGrate软件中，即可分别得到入射角度为θ_A1时所述凹面光栅的波长-衍 射效率曲线，以及入射角度分布在上述范围内多个角度下所述凹面光栅的波长-衍射效 率曲线。

如图3所示，为本具体实施方式中，在入射角度θ_A1＝﹣7°时得到的波长-衍射效 率曲线图。对于入射角度范围﹣35°～﹣45°范围下的多个角度，例如可分别选取﹣35 °，﹣37°，﹣40°，﹣43°和﹣45°作为入射角度，分别得到这五个入射角度下的 波长-衍射效率曲线图。当选取的角度越多，设计精度越高，但相应地工作量也较大。 相应得到各个角度下对应的波长-衍射效率曲线图，曲线的形状与图3类似，只是在水 平方向，竖直方向会有移动，在此不一一列举。

P4)根据步骤P3)得到的多个入射角度下的波长-衍射效率曲线确定一个角度作为 第二入射狭缝的入射角θ_A2的值；根据角度为θ_A1时的波长-衍射效率曲线和θ_A2角度 下的波长-衍射效率曲线的对比，确定波长λ₂和λ₃的值。

具体地，对比前述多个入射角度下的波长-衍射效率曲线，选择整个光谱检测范围 内的短波段范围内衍射效率的平均值相对较高、方差相对较小时的一个角度作为θ_A2值，然后寻找在θ_A1和θ_A2两个入射角下相同波长处衍射效率相等时的波长λ_x。如果 设计的光谱仪需要整个波段实现检测，则λ₂＝λ₃＝λ_x。如果设计的光谱仪不需要在整个波 段实现检测，假设λ₅～λ₆的范围内不需要检测，则若λ_x在λ₅～λ₆的范围，则λ₂＝λ₅，λ₃＝λ₆； 若λ_x<λ₅，则λ₂＝λ_x，λ₃＝λ₆；若λ_x>λ₆，λ₂＝λ₅，λ₃＝λ_x。通过上述方式得到θ_A2的值以及 波长λ₂和λ₃的值。本具体实施方式中，光谱检测范围为190～800nm，则其短波段范围 为190nm～300nm，通过对比步骤P3)中五个入射角度下的波长-衍射效率曲线，发现 ﹣40°下，短波段范围190～300nm的衍射效率的平均值相对其它四个角度时较高，且 方差相对其它四个角度时较小，因此最终确定得到角度为θ_A2＝﹣40°。而对比﹣40° 和﹣7°时衍射效率曲线，发现在285nm处两角度下的衍射效率相等，则确定得到波长 分别为λ₂＝285nm，λ₃＝285nm。

经过上述步骤P4)，即获得另外一个入射狭缝的入射角，以及两个波长λ₂，λ₃的 值。至此，经过前述步骤，已确定得到两个角度值，四个波长值，光栅闪耀角。本具 体实施方式中，两个角度值为θ_A1＝﹣7°、θ_A2＝﹣40°；四个波长值λ₁＝190nm， λ₂＝285nm，λ₃＝285nm、λ₄＝800nm。且估算得到光栅闪耀角γ＝4.5°。如下即根据这些 信息设计凹面光栅以及光学器件之间的相对位置设置。

P5)根据得到的两个入射角θ_A1、θ_A2的值，四个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的值以及所 述光谱仪的固定结构参数，基于光程函数级数展开法，使用光学设计软件ZEMAX软 件进行参数优化，得到记录结构参数以及使用结构参数。

本具体实施方式中，基于光程函数级数展开法，利用光学设计软件ZEMAX软件， 带入两个角度值，四个波长值和表1中的固定结构参数值进行参数优化，得到的记录 结构参数以及使用结构参数如表2所示。

表2

其中，r₁和r₂分别代表利用全息法制作凹面光栅时的两个入射点在极坐标下的极 径长度；θ₁和θ₂分别代表极径r₁和极径r₂与x轴的夹角。r_A1、r_A2代表两个入射狭缝 在极坐标下的极径长度，θ_A1、θ_A2代表入射点的极径r_A1、r_A2分别与x轴的夹角，也 即前述确定的入射角；B₁、B₂、B₁’、B₂’为光探测器B₁B₂和B₁’B₂’的两端在笛卡 尔坐标系内的坐标值。

P6)根据步骤P1)中的凹面光栅的槽型周期，步骤P2)的凹面光栅的闪耀角、表 面材料和槽型结构以及步骤P5)得到的记录结构参数确定所述凹面光栅的制作参数， 得到满足应用的凹面光栅。按照上述参数要求，使用全息法即可制作出满足应用要求 的凹面光栅。

P7)根据步骤P5)得到的使用结构参数，确定两个入射狭缝和两个光探测器相对 于所述凹面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。根据使用结构参数中极径长度信息， 角度信息以及坐标信息即可确定凹面光栅、狭缝、探测器的位置，搭建光路，从而得 到凹面光栅光谱仪。

综上，即设计得到光谱仪。设计的光谱仪工作时，第一入射狭缝A₁经凹面光栅G 汇聚分光后出射的光线照射到光探测器B₁’B₂’上，波长范围为λ₃～λ₄；第二入射狭缝 A₂经凹面光栅G汇聚分光后出射的光线照射到光探测器B₁B₂上，波长范围为λ₁～λ₂， 其中，λ₁＜λ₂≤λ₃＜λ₄。光波检测时，两个光探测器B₁B₂、B₁’B₂’在光谱检测时互相不 干扰。当需要检测短波段(λ₁～λ₂)时，所述第二入射狭缝A₂被打开，第一入射狭缝 A₁被遮住；当需要检测长波段(λ₃～λ₄)时，所述第一入射狭缝A₁被打开，第二入射 狭缝A₂被遮住，最终可实现λ₁～λ₂和λ₃～λ₄范围内的光波检测，而λ₂等于λ₃，也即λ₁～λ₄范围内的光波检测。并且在检测时，需要先进行短波段λ₁～λ₂的检测，然后利用其排除 短波段λ₁～λ₂的+2级光谱在进行长波段λ₃～λ₄的检测时的影响。

本具体实施方式设计的凹面光栅光谱仪，能实现λ₁～λ₄范围内的光波检测。而光波 检测过程中，由于两个不同入射角度下分别对应了两个不同的闪耀波长，小角度的入 射狭缝对应检测长波段范围的光谱，大角度的入射狭缝对应检测短波段范围的光谱。 相对于仅存在一个入射角度检测光谱时，双角度双闪耀波长检测光谱时，大部分光谱 距离闪耀波长的距离变近，衍射效率提高，从而使得整体衍射效率提高。

如下，设置普通设计流程设计的普通光谱仪，通过比较本具体实施方式的光谱仪 和普通光谱仪的衍射效率曲线，验证本具体实施方式的光谱仪在衍射效率方面的性能 提升。

普通光谱仪：包括凹面光栅，一个入射狭缝，两个光探测器。首先，根据光谱仪 的固定结构参数，基于光程函数级数展开法和zemax软件优化，得到入射角度，记录 结构参数以及使用结构参数。然后，代入入射角度，利用PCGrate软件求出能使整个 波段衍射效率的平均值相对较高、且方差相对较小的闪耀波长，进而根据闪耀波长确 定得到闪耀角。本例中，普通光谱仪的入射角度为-4.8°，闪耀波长在300nm，闪耀角 为γ＝3.05。最后，根据闪耀角和记录结构参数确定凹面光栅的制作参数，得到满足应 用的凹面光栅；根据入射角度和使用结构参数确定入射狭缝和两个光探测器相对于凹 面光栅的位置，从而搭建得到光谱仪。

使用PCGrate软件计算本具体实施方式中光栅光谱仪和上述普通光谱仪在各波长 (190nm～800nm)下的衍射效率值，具有如图4中所示衍射效率的曲线图。虚线是本 具体实施方式的新结构的光谱仪在各个波长处的衍射效率，入射角度分别为﹣7°，﹣ 40°；实线是普通光谱仪在各个波长处的衍射效率，入射角度为-4.8°。从图4可知， 两种结构在相同情况(所述“相同情况”指：采用相同的材料、相同光谱范围，并且 在衍射效率分析时除入射角度和闪耀角不同外，其它设计参数相同)下，采用本具体 实施方式的新结构的光谱仪在230nm～235nm、330nm～380nm和780nm～800nm范围内 衍射效率有0～10％左右的提高，而在380nm～780nm和190nm～230nm范围内衍射效率 有10％～14％左右的提高。虽然在其它光谱区域235nm～330nm衍射效率有所下降，但 总体来看在新结构光谱仪中衍射效率大于0.4、0.5、0.6的波长占81.97％、69.67％、 55.74％而普通结构占67.21、52.46％、37.70％。

综上，本具体实施方式中，通过采用两个衍射狭缝，分别通过一个小角度入射和 一个大角度入射，从而实现了双波长闪耀，提高了宽光谱光谱仪衍射效率较低波段的 衍射效率。虽然新结构牺牲了部分波段的衍射效率，但整体上优化了光谱仪的衍射效 率分布，从而改善了宽光谱光谱仪大部分光谱区域衍射效率较低的问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应 当视为属于本发明的保护范围。