[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]实用新型专利说明书
[21]ZL 专利号
98225262.5
[51]Int.CI6
G01J 3/18
[45]授权公告日1999年11月3日[22]申请日98.9.30
[73]专利权人复旦大学
地址200433上海市邯郸路220号
[72]设计人陈良尧 郑玉祥 张荣君 夏国强 陈岳立
赵海斌 杨月梅
[11]授权公告号CN 2347149Y
[21]申请号98225262.5
[74]专利代理机构复旦大学专利事务所
代理人陆飞
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页
[54]实用新型名称
一种采用面阵式CCD探测器的多光栅单色仪[57]摘要
本实用新型属于光学电子器件领域,它将多块光栅平行组合成新的光栅平面,覆盖CCD探测器全波长范围的整个光谱区,无需任何机械传动和位移装置,便能在200—1100nm波长范围,实现高精度和快速波长扫描。本仪器的原理还可被推广应用于红外光谱区。本光栅单色仪,设计和结构简单,波长扫描精度高,光谱范围宽,性能稳定,易于调试、使用寿命长,可广泛应用于各种光谱分析和测量。
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权 利 要 求 书
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1、一种多光栅单色仪，由多块光栅和面阵式CCD探测器、控制计算机构成，其特征在于多块光栅以等分形式平行组合成一个新光栅平面，并覆盖对应于CCD探测器的波长范围的整个光谱区，光栅平面垂直于入射方向；第一块光栅以后各块光栅前端分别放置一片高通滤光片，各滤光片的截止波长与对应的光栅的前缘波长一致，以便滤去光栅光谱区对应的2次以上的高次衍射光；与光栅结构相对应，CCD探测器的焦平面也等分成多个光谱区，每个等分部分的探测元数目按波长扫描方向再均匀等分为若干个小区，每个探测小区探测元与各被检测波长位置相对应，系统由计算机控制。
2、根据权利要求1所述的多光栅单色仪，其特征在于组成新光栅平面的光栅块数为3～6块。
3、根据权利要求2所述的多光栅单色仪，其特征在于： 与面阵式CCD探测器相对应的200～1100nm波长范围内，采用三块光栅覆盖整个光谱区，具体为：
光栅(1)．200-400nm,1800线/mm光栅，闪耀波长为250nm； 光栅(2)．300-600nm,1200线/mm光栅，闪耀波长为450nm； 光栅(3)．600-1200nm,600线/mm光栅，闪耀波长为750nm； 在光栅(2)和(3)的前端各分别放置一片高通滤光片，其截止波长分别为300nm和600nm；
与光栅结构对应，CCD探测器的焦平面也等分成上、中、下三个光谱区，分别覆盖200-400nm、300-600nm、600-1200nm波长区。
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说 明 书
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一种采用面阵式CCD探测器的多光栅单色仪
本实用新型属于光学电子器件领域，是一种采用面阵式CCD探测器的多光栅单色仪。
单色仪是一种光子能量和波长选择器，是一种基本的光谱分析和测量仪器，在光学和光电子领域有着广泛的应用，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收和光反射光谱，以及调制光谱等众多光谱分析仪器的核心光学器件。其中，在近紫外至近红外区，应用最广泛的是光栅型单色仪，这是利用了波动性的光子在光栅上产生衍射的原理。光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米1200条或每毫米1800条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求。光子落在这些细槽上，由于衍射的作用，将引起各光波的振幅和相位发生叠加，反射后的光子便会按能量或波长在空间有规则地排列起来，其关系式为：
dsinθm=mλ (1)
式中d和θm分别是光栅的槽间距和第m级的波长为λ的光子在空间的分布角(θm被定义为反射光子方向与光栅法线之间的夹角)。因此，如取m=1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级衍射光子。在传统光栅单色仪的设计中，均固定光子的入射和出射狭缝位置不变，而采用一个机械结构体控制光栅的θ角转动，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子。
采用上述结构的光栅单色仪，在实际使用中需要解决下述两个问题： 1．当单色仪在较宽的波长区工作时，为提高仪器的波长分辨率和获得最佳的信噪比质量，需要根据所工作的光谱波长区不断更换光栅。例如，在目前使用最多的200-1100nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，方能较好地满足光谱线精确测量的要求。
2．由公式(1)可知，在某θ角位置，m=1的较长波长和m=2(或更高次)较短波长的衍射光会同时出现。因此，根据实际的波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤光片，将m=2(或更高次)的高次衍射光滤去，方能满足被检测光子单色性的要求。
在目前大多数商品单色仪结构中，上述两个控制功能(置换光栅和滤色片)均通过的机械传动结构进行，(参考文献1．光栅单色仪产品
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说明书，Oriel Corporation,250 Long Beach Blvd.Stratford,CT,097-0872,USA。参考文献2．光栅单色仪产品说明书，ScientificMeasurement Systems,Inc.2527 Foresight Circle Junction,CO81505-1007,USA)。这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，尤其是置换光栅时，需对系统的波长位置进行重新精确定标和调整，十分费时和麻烦。 为了提高波长扫描的效率和精度，面阵式CCD探测器已被广泛应用于光栅型单色仪中，可取代单一光子探测器，在较宽的光谱范围对波长进行快速扫描。由于受到由公式(1)所决定的光栅结构的，即使采用面阵式CCD探测器，仍难用一块光栅实现在较宽的光谱范围内进行高精度的全波长覆盖扫描。因此，在目前大多数商品CCD光栅单色仪中，仍需要采用多块光栅和滤光片，方能实现高质量和高精度的波长扫描。在上述商品CCD光栅单色仪设计中，即： 光栅Gx→CCD
光栅Gx为一块或多块光栅组成，并由步进马达等机械传动机构控制，通过面阵式CCD探测器，实现对波长的扫描和测量。由于仍需要用到机械传动装置，在某种程度上削弱了采用面阵式CCD探测器的优点。另外，当控制光栅转动时，在机械位移极限位置长短波长的两端，需采用专门的限位开关，以防止机械位移过头而对单色仪造成损坏。这也增加了系统设计和结构的复杂性。
本实用新型的目的在于提出一种通过面阵式CCD探测器，可在全光谱区实现快速扫描、结构简单、使用可靠的多光栅单色仪。 本实用新型设计的多光栅单色仪由多块子光栅和面阵式CCD探测器、控制计算机构成，其中多块子光栅以等份形式平行组合成一个新的光栅平面，并覆盖对应于CCD探测器的200～1100nm波长范围的整个光谱区，光栅平面垂直于光子入射方向，第一块光栅开始的各光栅前端分别放置一片高通滤光片，各滤光片的截止波长与对应光栅的前缘波长一致，以便滤去光栅光谱区对应的2次以上的高次衍射光；与光栅结构相对应，CCD探测器的焦平面也等分成对应的多个光谱区，每个等分部分的探测元数目按波长扫描方向再均匀分为若干个小区，使每个小区的探测元与各被检测波长位置相对应，每一个探测小区在测量中互不干扰。系统由计算机控制。本多光栅单色仪的结构如图1所示。
本实用新型中平行组合成的子光栅的块数可根据不同用户对光谱范围和波长扫描精度需要而确定，块数越多，其精度越高；一般可用3-6
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块子光栅。而且，平行子光栅的位置可以互换。
本实用新型设计的面阵式CCD探测器的无机械位移多光栅单色仪具有以下特点：
无需任何机械传动装置，就可在200-1100nm波长范围内实现全波长的高精度和快速扫描，从而充分发挥了CCD探测器的作用和优点，使得CCD光栅单色仪的结构十分简单和可靠，波长扫描精度高，光谱范围宽，性能稳定，易于调试和寿命长，便于用户使用。
随着红外面阵式探测器的出现和应用，本方法也能很容易地被应用于红外光谱区，只要将多块红外光栅按本实用新型的原理组合在一起，实现无机械传动和位移的全红外光谱区快速波长扫描。各块光栅覆盖相对应的光谱区。在每块光栅前设置相应的滤光片，滤去与光栅光谱区对应的m≥2的高次衍射光。
在本实用新型中，需在整个波长扫描范围完成CCD探测元与波长之间的精确定位，这可以通过对高分辨率的标准线状光谱进行测量，然后由计算机拟合，获得各CCD探测元与扫描波长之间的对应关系，就能实现系统的精确定标，使得在全光谱工作范围内波长的扫描和控制精度可优于0.5nm。(如采用2000×2000探测元CCD探测器，并用5块子光栅按不同的θ角组成复合型光栅，在200-1100nm光谱区范围，波长扫描精度可优于0.1nm)。在以后的长期使用中，单色仪都可处于可靠的工作状态中，而能将日常维护的工作减至最少，从而显著地提高了工作和科研效率。
下面结合实施例，进一步描述本实用新型。 图1为本实用新型的结构示意图； 图2为本实用新型的结构原理图；
图3为三块光栅平行组合成的新的光栅；
其中，光栅1为1800线/mm，光栅2为1200线/mm，光栅3为600线/mm；G为三块光栅平行组成的光栅，M1、M2为球面反射镜；S1、S2为分别入射和出射狭缝。Light：光源，CCD：面阵式CCD探测器，A/D:A/D数据转换器，Computer：计算机。
实施例，如附图所示，在传统面阵式CCD光栅单色仪中光栅位置，取消原有的光栅机械传动结构。在与面阵式CCD探测器相对应的200-1100nm波长范围内，采用三块子光栅覆盖整个光谱区，分别为： (1)．200-400nm,1800线/mm光栅，闪耀波长为250nm。 (2)．300-600nm,1200线/mm光栅，闪耀波长为450nm。 (3)．600-1200nm,600线/mm光栅，闪耀波长为750nm。在与光子入射面垂直方向，将这三块光栅以三等分平行组合在一起，组
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成一个新的光栅平面，即最后组合成的光栅尺寸为L×L，每块光栅的尺寸为(L/3)×L。在光栅(2)和(3)的前端各分别放置一片高通滤光片，与光栅相对应的滤光片的截止波长分别为300nm和600nm，可将m=2或更高次衍射光滤去。按照公式(1)，上述三块光栅的线间距d为1∶1.5∶3，在上述光谱范围内，三块光栅的工作波长区都对应于相同的θ张角，即都在约21-46度范围内。因此，当光子入射到光栅上时，其上、中、下三等分的衍射光将同时覆盖不同的光谱区。然后通过一个光学系统，将具有相同θ张角的全部衍射光聚焦在面阵式CCD探测器的焦平面上。与光栅结构相对应，CCD探测器的焦平面也三等分被分成上、中、下三个光谱区，分别覆盖200-400nm、300-600nm、600-1200nm波长区。例如，采用1000×1000探测元的背照射Si基CCD面阵式探测器，光谱区范围为200-1100nm，每个探测元的尺寸为24×24μm。在与光子入射面垂直方向，CCD探测器被分成三等分，即：每一等分部分的探测元数目为333×1000，并按波长扫描方向再均分成1000个小区，每个小区为333个探测元，与各被检测波长的位置相对应。每一探测小区的面积为24μm×0.8cm，在测量中互不干扰。这样，便可在无任何机械传动装置和限位开关的条件下，本仪器可实现在200-1100nm光谱范围内的高精度和高速波长扫描测量。
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说 明 书 附 图
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图1
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图2
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图3
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