[发明专利]一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法

说明书

本发明涉及光谱检测设备领域，公开了一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法。待测光源通过准直透镜平行入射到所述光谱仪的衍射元件上，所述衍射元件由多个衍射光栅单元构成，所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或刻痕倾斜方向不同，待测光经过所述衍射元件后发生无规则散射，通过图像传感器记录待测光在零级衍射处和一级衍射处的散斑图案，再由光谱分析系统将所述散斑图案与波长‑散斑图案标准库进行比对，反推出待测光的光谱数据。本发明的光谱仪结构简单、具有高分辨率，并且人为可控、可进行批量生产，同时使用该光谱仪进行光谱检测误差小、操作简单，具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及光谱检测设备领域，具体涉及一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法。

背景技术

光谱仪是一种用来解析光源中波长成份和相对强度关系的仪器，它已经有上百年的发展历史。传统的光谱仪是利用棱镜、光栅等色散元件把复合光源按照波长顺序分开，再利用波长扫描机构及探测器进行测量。目前最流行的光谱仪结构是采用Czerny-Turner型光路，它包含入口狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、出口狭缝以及探测器。这种光谱仪分辨率取决于光栅色散能力、聚焦镜的焦距、狭缝宽度以及光路的调节水平。通常而言，要获得较好的分辨率，往往需要尽量窄的狭缝，但这样会导致进入仪器的光能量大大降低，从而会影响仪器的测量效率和信噪比。在这类光谱仪中，色散元件(光栅、棱镜)会将某个波长映射到一个特定的成像点。以CCD等阵列传感器作为探测器的光谱仪为例，波长和CCD像素之间形成一种一一映射关系。因此，光谱仪的波长解析性能主要取决于硬件(光路、光栅、探测器等)的性能，换句话说，光谱仪对硬件要求很高。

近年来，一种利用随机媒质的无规则散射现象构建的新型光谱检测方法得到迅速发展，被称为是计算光谱仪(computational spectrometer)。例如，耶鲁大学Cao Hui研究团队提出利用光在多模光纤内部多次反射的随机性来构成光谱测量装置，每一个单色波长的光从光纤出射后形成的散斑图案都不相同，而且即使波长间隔很小的两个单色光，它们散斑图案之间的相关性也很低，因而可以利用这种波长低相关散斑图案的特点来反推入射光的波长成份。再比如，美国犹他大学的Mennon R提出利用相位随机光栅的无序散射来实现光谱检测。它也利用了随机介质散射图案的低波长相关性这一特点，从而实现对入射光源的光谱检测目的。由于此类光谱仪的分辨率不依赖于光学元件的色散本领和尺寸，而是依赖于介质的随机性和软件计算，因而这种光谱仪有望克服仪器尺寸与分辨率的矛盾，有望得到高分辨率的微型光谱仪。

但是，上述技术依赖于介质的自然随机性，这种随机性是无法控制的，进而导致光谱检测无规则散射图案之间的相关性也不能控制，因此依据同样原理制造出来的两台光谱仪具有不同的参数，在性能上也可能会有差别，对每套系统都需要重新校准，重新建模，所以没有办法做到标准化生产。除此之外，美国犹他大学的Mennon R教授虽然利用相位随机光栅中的刻痕深度不同来实现待测光的无序散射，但该方法在实际制备过程难度较高，刻痕深度复制精度难以保证，因此也不适合批量化生产。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可形成不同散斑图案的衍射元件、一种结构简单具有高分辨率且人为可控可进行批量生产的光谱仪以及一种误差小、操作简单具有实际应用价值的光谱检测方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种衍射元件，包括：

基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，通过改变所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或所述刻痕的倾斜方向，使得不同波长的单色光从所述衍射元件出射后形成的散斑图案不同。

本发明还提供了一种高分辨率光谱仪，包括如上所述的衍射元件，以及，

入射单元，所述入射单元包括待测光源发出的待测光和准直透镜；以及，

所述待测光在所述衍射元件中发生无规则散射，出射后在所述衍射元件一侧形成散斑图案；以及，

图像传感器，用于记录所述散斑图案；以及，