專利名稱：一種衍射光柵光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將復(fù)色光分離成光譜的儀器，尤其是一種衍射光柵光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜技術(shù)在宇航、遙感、生化、環(huán)保、天文等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。光 譜技術(shù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是光譜的獲取。目前用于獲取光譜的光譜儀主要有兩 類， 一類是傳統(tǒng)型光譜儀，另一類是干涉型光譜儀。
傳統(tǒng)型光譜儀具有一種固定的結(jié)構(gòu)，這種固定結(jié)構(gòu)包括準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系 統(tǒng)和接受系統(tǒng)三個部分。而光譜儀的每一個系統(tǒng)都是由一些分離的元件組成， 因此整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。傳統(tǒng)型光譜儀具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和組成儀器的光學(xué) 元件數(shù)目多的特點，使得這種儀器不易于調(diào)節(jié)，不便于攜帶，而且儀器制造成 本高，儀器中的光學(xué)元件對能獲取的光譜范圍影響很大。而另一類干涉型光譜 儀，雖然它一般都具有光譜分辨率高的優(yōu)點。但干涉型光譜儀的元件的制造精 度要求很高，儀器的元件定位精度要求也很高。而且用這類儀器獲取光譜信息 時還要進行大量、復(fù)雜的計算處理。這使得在某些條件下對光譜的觀測十分不 便，并且這類儀器的成本也不低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)的衍射光柵光譜儀，這種光譜儀便于使用不同的采集系統(tǒng)采集光譜。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的。
一種衍射光柵光譜儀，包括帶有狹縫的平板、平面光柵和光譜采集裝置三 個組成部分，所述光譜采集裝置是數(shù)碼相機、膠片相機、攝像機其中一種，或 者是正透鏡和CCD探測器組成的裝置，或者是正透鏡和感光板組成的裝置，所
述CCD探測器和攝像機各由一臺計算機控制，所述平面光柵為一個獨立的衍射
成像元件。所述平面光柵為一個衍射成像元件對平板上的狹縫成像，除零級衍 射光外從平面光柵出射的每一級衍射光分別在狹縫的虛像面上成一組虛光譜。
所述平面光柵為透射型光柵或反射型光柵。
所述平面光柵的柵線是直線。
所述平板上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，并且平板上的狹縫平行于平面光柵的 柵線。平板上的狹縫的出光口對準(zhǔn)平面光柵的入射表面，光譜采集裝置的進光 口對準(zhǔn)平面光柵的出射表面。待測的目標(biāo)光通過所述衍射光柵光譜儀各部分的 順序依次為帶有狹縫的平板、平面光柵、光譜采集裝置。
其工作原理是
所述平面光柵為一個衍射成像元件。用待測的目標(biāo)光照明平板上的狹縫， 平面光柵對平板上的狹縫進行衍射成像。除零級衍射光外從平面光柵出射的每 一級衍射光中不同波長的光都分別對狹縫成一個單色虛像，這些虛像在其像面 上沿垂直于狹縫的方向按波長排列開。對于透射型平面光柵，像面在穿過狹縫 并且平行光柵平面的平面上，或者像面在穿過狹縫并且平行于光柵平面的平面
附近，即像面稍向平面光柵方向靠攏；對于反射型平面光柵，像面在穿過光柵
平面對狹縫的鏡像并且平行于光柵平面的平面上，或者像面在穿過光柵平面對狹縫的鏡像并且平行于光柵平面的平面附近，即像面稍佝平面光柵方向靠攏。 除零級衍射光外從平面光柵出射的任一級衍射光對狹縫成的所有虛像構(gòu)成待測 的目標(biāo)光的虛光譜。其中由波長為A的衍射光對狹縫所成的單色像或譜線到狹 縫的距離4可以表為A^IV^1，而波長間隔為^U的兩光波的譜線在像面上的間 隔4(^t)可以表為A(zU)叫zU/"斗其中/是光柵的空間頻率，"是衍射光的級數(shù)， "是譜線到光柵平面的距離。當(dāng)光柵的空間頻率/確定后，測出某一待測譜線的 Z"值就可得到形成該待測譜線的光的波長，或者已知某一參考譜線對應(yīng)的波長， 測出參考譜線和待測譜線在像面上的距離丄"(ZU))也可得到形成該待測譜線的光 的波長。因此只要通過某一級衍射光對狹縫衍射成像，再通過光譜采集裝置就 能采集到目標(biāo)光的光譜。
為了改善傳統(tǒng)型光譜儀或干涉型光譜儀的不足，本發(fā)明所述的衍射光柵光 譜儀獲取光譜的方法，既不同于傳統(tǒng)型光譜儀獲取光譜的方法，也不同于干涉 型光譜儀獲取光譜的方法，而是利用平面光柵對物體的衍射成像效應(yīng)獲取光譜。 直柵線的平面光柵能夠?qū)ξ矬w進行衍射成像。這種衍射成像效應(yīng)表述為在單 色光照明下的物體，通過直柵線的平面光柵的每一級衍射光都可以分別成一單 色像，而且，除零級衍射光外其它級衍射光所成的單色像的位置與照明光的波 長有關(guān)。所述物體是實物或虛物。對于透射型平面光柵，像面在平面光柵的物 面上，或者像面在平面光柵的物面附近，即像面稍向平面光柵方向靠攏；對于 反射型平面光柵，像面在光柵平面對物面的鏡像面上，或者像面在光柵平面對 物面的鏡像面附近，即像面稍向平面光柵方向靠攏。當(dāng)用復(fù)色光照明物體時， 除零衍射光級外，直柵線的平面光柵的每一級衍射光中不同波長的光分別對同 一物體成一單色像，而且這些不同顏色的像在成像面上按波長沿垂直與平面光柵的柵線的方向排列開，即某一非零級衍射光對同一物點成的不同顏色的像的 位置不同。平面光柵對實物成虛像。
本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點
不僅結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)、光譜分辨率高，而且適于獲取紅外光波段的光 譜、可見光波段的光譜和紫外光波段的光譜。本發(fā)明的另外一個突出優(yōu)點是便 于使用各種采集系統(tǒng)采集光譜。例如數(shù)碼相機或膠片相機可以在光柵后直接拍 攝光譜，由計算機控制的攝像機可以在光柵后直接采集光譜，正透鏡和CCD探 測器組成的裝置或正透鏡和感光板組成的裝置也可以在光柵后直接采集光譜。


圖1為實施例1的光路示意圖
圖2為實施例2的光路俯視圖 圖3為實施例3的光路示意圖 圖4為實施例4的光路俯視圖
圖1至圖4中的標(biāo)記為S待測的目標(biāo)光、D某一非零級衍射光、P虛光譜、 1帶有狹縫的平板、2平面透射光柵、3照相機、4平面反射光柵、5攝像 機、6計算機、7 CCD探測器、8正透鏡、9感光板。
具體實施例方式
以下通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。 實施例l
對照圖1， 一種具體的衍射光柵光譜儀包括一塊帶有狹縫的平板l、 一片平 面透射光柵2和一臺照相機3或一臺攝像機，所述攝像機由一臺計算機控制著。按待測的目標(biāo)光S依次經(jīng)過衍射光柵光譜儀的各部分的順序，所述衍射光柵光 譜儀的輸入部分是一塊帶有狹縫的平板1，衍射光柵光譜儀的中間部分是一片 平面透射光柵2，衍射光柵光譜儀的輸出部分是一臺照相機3或一臺攝像機。
帶有狹縫的平板1安放在平面透射光柵2的入射表面以前的空間里，平板1上 的狹縫平行于平面透射光柵2的柵線，照相機3或攝像機安放在平面透射光柵 2的透射表面以后的空間里，平板1上的狹縫的出光口對準(zhǔn)平面透射光柵2的 入射表面，照相機3的進光口或攝像機的進光口對準(zhǔn)平面透射光柵2的透射表 面。
所述的衍射光柵光譜儀，平板1上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，平面透射光柵 2的柵線是直線，照相機3是數(shù)碼相機或膠片相機。
其工作原理是
待測的目標(biāo)光S從平板1上的狹縫出射后，經(jīng)平面透射光柵2透射成多級 衍射光，除零級衍射光外其它的每一級衍射光在平面透射光柵2對平板1上的 狹縫的成像面上分別成一組虛光譜P。照相機3的鏡頭或攝像機的鏡頭對著某 一非零級衍射光D，該級衍射光進入照相機3或攝像機后，經(jīng)過調(diào)節(jié)照相機3 或攝像機使其對該級衍射光所成的虛光譜P成一清晰的像，然后用照相機3拍 攝此圖像從而得到待測的目標(biāo)光S的光譜或用計算機控制著攝像機采集此圖像 的信息從而得到待測的目標(biāo)光S的光譜信息。
實施例2
對照圖2， 一種具體的衍射光柵光譜儀包括一塊帶有狹縫的平板l、 一片平 面反射光柵4和一臺攝像機5或一臺照相機，所述攝像機5由一臺計算機6控 制著。按待測的目標(biāo)光S依次經(jīng)過衍射光柵光譜儀的各部分的順序，所述衍射 光柵光譜儀的輸入部分是一塊帶有狹縫的平板1，衍射光柵光譜儀的中間部分是一片平面反射光柵4，衍射光柵光譜儀的輸出部分是一臺攝像機5或一臺照 相機。帶有狹縫的平板1安放在平面反射光柵4的入射表面以前的空間里，平
板1上的狹縫平行于平面反射光柵4的柵線，并且?guī)в歇M縫的平板1位于平面 反射光柵4的一個側(cè)邊的前方；攝像機5或照相機也安放在平面反射光柵4的 入射表面以前的空間里，并且攝像機5或照相機位于平面反射光柵4的另一個 側(cè)邊的前方。平板1上的狹縫的出光口對準(zhǔn)平面反射光柵4的入射表面，攝像 機5的進光口或照相機的進光口對準(zhǔn)平面反射光柵4的反射表面，平面反射光 柵4的入射表面和反射表面都背對著平面反射光柵4的背部的外表面。
所述的衍射光柵光譜儀，平板1上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，平面反射光柵 4的柵線是直線，照相機是數(shù)碼相機或膠片相機。
其工作原理是
待測的目標(biāo)光S從平板1上的狹縫出射后，經(jīng)平面反射光柵4反射成多級 衍射光，除零級衍射光外其它的每一級衍射光在平面反射光柵4對平板1上的 狹縫的成像面上分別成一組虛光譜。攝像機5的鏡頭或照相機的鏡頭對著某一 非零級衍射光D，該級衍射光進入攝像機5或照相機后，經(jīng)過調(diào)節(jié)攝像機5或 照相機使其對該級衍射光所成的虛光譜成一清晰的像，然后用計算機控制著攝 像機5采集此圖像的信息從而得到待測目標(biāo)光S的光譜圖像和光譜強度的數(shù)據(jù) 或用照相機拍攝此圖像從而得到待測的目標(biāo)光S的光譜。
實施例3
對照圖3， 一種具體的衍射光柵光譜儀包括一塊帶有狹縫的平板l、 一片平 面透射光柵2、 一個正透鏡8、 一個CCD探測器7或一片感光板。所述的CCD探 測器7由計算機6控制著。按待測的目標(biāo)光S依次經(jīng)過衍射光柵光譜儀的各部 分的順序，所述衍射光柵光譜儀的輸入部分是一塊帶有狹縫的平板1，衍射光柵光譜儀的中間部分是一片平面透射光柵2，衍射光柵光譜儀的輸出部分是一
個由一個正透鏡8和一個CCD探測器7組成的裝置或一個由一個正透鏡8和一片感光板組成的裝置。帶有狹縫的平板1安放在平面透射光柵2的入射表面以前的空間里，平板1上的狹縫平行于平面透射光柵2的柵線，正透鏡8安放在平面透射光柵2的透射表面以后的空間里，平面透射光柵2與CCD探測器7或感光板之間由正透鏡8隔開。平板1上的狹縫的出光口對準(zhǔn)平面透射光柵2的入射表面，正透鏡8對著平面透射光柵2的透射表面，CCD探測器7的探測面或感光板的感光面朝向正透鏡8并垂直于正透鏡8的光軸。
所述的衍射光柵光譜儀，平板1上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，平面透射光柵2的柵線是直線。
其工作原理是
待測的目標(biāo)光S從平板1上的狹縫出射后，經(jīng)平面透射光柵2透射成多級衍射光，除零級衍射光外其它的每一級衍射光在平面透射光柵2對平板1上的狹縫的成像面上分別成一組虛光譜P。正透鏡8對著某一非零級衍射光D，該級衍射光通過正透鏡8后，調(diào)節(jié)正透鏡8和平面透射光柵2的距離讓正透鏡8對虛光譜P成實像。再將CCD探測器7或感光板移動到正透鏡8對虛光譜P所成的實像的像面上，然后用計算機6控制著CCD探測器7采集光譜信息或讓感光板適量曝光以記錄待測的目標(biāo)光S的光譜。
實施例4
對照圖4， 一種具體的衍射光柵光譜儀包括一塊帶有狹縫的平板1、 一片平面反射光柵4、 一個正透鏡8、 一片感光板9或一個CCD探測器。所述CCD探測器由一臺計算機控制著。按待測的目標(biāo)光S依次經(jīng)過衍射光柵光譜儀的各部分的順序，所述衍射光柵光譜儀的輸入部分是一塊帶有狹縫的平板1，衍射光柵光譜儀的中間部分是一片平面反射光柵4，衍射光柵光譜儀的輸出部分是一個
由一個正透鏡8和一片感光板9組成的裝置或一個由一個正透鏡8和一個CCD探測器組成的裝置。帶有狹縫的平板1安放在平面反射光柵4的入射表面以前的空間里，平板1上的狹縫平行于平面反射光柵4的柵線，并且?guī)в歇M縫的平板1位于平面反射光柵4的一個側(cè)邊的前方；正透鏡8也安放在平面反射光柵4的入射表面以前的空間里，并且正透鏡8位于平面反射光柵4的另一個側(cè)邊的前方；平面反射光柵4與感光板9或CCD探測器之間由正透鏡8隔開。平板1上的狹縫的出光口對準(zhǔn)平面反射光柵4的入射表面，正透鏡8對著平面反射光柵4的反射表面，平面反射光柵4的入射表面和反射表面都背對著平面反射光柵4的背部的外表面，感光板9的感光面或CCD探測器的探測面朝向正透鏡8并垂直于正透鏡8的光軸。
所述的衍射光柵光譜儀，平板1上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，平面反射光柵4的柵線是直線。
其工作原理是
待測的目標(biāo)光S從平板1上的狹縫出射后，經(jīng)平面反射光柵4反射成多級衍射光，除零級衍射光外其它的每一級衍射光在平面反射光柵4對平板1上的狹縫的成像面上分別成一組虛光譜。正透鏡8對著某一非零級衍射光D，該級衍射光通過正透鏡8后，調(diào)節(jié)正透鏡8和平面反射光柵4的距離讓正透鏡8對該級衍射光所成的虛光譜成實像，再將感光板9或CCD探測器移動到正透鏡8對虛光譜所成的實像的像面上，然后讓感光板適量曝光以記錄待測的目標(biāo)光S的光譜或用計算機控制著CCD探測器采集待測的目標(biāo)光S的光譜信息。
權(quán)利要求
1、一種衍射光柵光譜儀，包括帶有狹縫的平板、平面光柵和光譜采集裝置三個組成部分，所述光譜采集裝置是數(shù)碼相機、膠片相機、攝像機其中一種，或者是正透鏡和CCD探測器組成的裝置，或者是正透鏡和感光板組成的裝置，所述CCD探測器和攝像機各由一臺計算機控制，其特征在于，所述平面光柵為一個獨立的衍射成像元件，所述平面光柵為一個衍射成像元件對平板上的狹縫成像，除零級衍射光外從平面光柵出射的每一級衍射光分別在狹縫的虛像面上成一組虛光譜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光柵光譜儀，其特征在于，所述平面光柵為透射型光柵或反射型光柵。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光柵光譜儀，其特征在于，所述平面光柵的柵線是直線。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光柵光譜儀，其特征在于，所述平板上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衍射光柵光譜儀，包括帶有狹縫的平板、平面光柵和光譜采集裝置。所述平板上的狹縫的縫寬可以調(diào)節(jié)，平面光柵作為一個衍射成像元件對平板上的狹縫成像，除零級衍射光外從平面光柵出射的每一級衍射光分別在狹縫的虛像面上成一組虛光譜，光譜采集裝置是數(shù)碼相機、膠片相機、攝像機其中一種，或者是正透鏡和CCD組成的裝置，或者是正透鏡和感光板組成的裝置，光譜采集裝置對某一非零級衍射光衍射所成的像進行采集，從而采集到光譜。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)，而且便于使用不同的采集系統(tǒng)采集光譜。
文檔編號G01J3/28GK101672695SQ20091011441
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 董建杰 申請人:廣西大學(xué)