光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光譜分析領(lǐng)域，特別涉及一種寬波段全譜采集、無級次干擾的高分辨率光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在ICP_0ES、LIBS等光譜分析領(lǐng)域?qū)庾V儀的分辨能力要求較高，往往需要達(dá)到1pm級別，傳統(tǒng)的光譜儀多為Czerny-Turner型單道掃描式的單色儀或中階梯光柵、羅蘭圓結(jié)構(gòu)的光譜儀。但是傳統(tǒng)的單色儀和羅蘭圓結(jié)構(gòu)的光譜儀單純利用光柵進(jìn)行分光，要實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨能力，必須采用大的焦距(如750mm或者1000mm)的光學(xué)系統(tǒng)，這樣不可避免的使光譜儀體積變得很龐大;若采用中階梯光柵二維分光光譜儀，光學(xué)分辨率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，但是在級次方面存在級次干擾，特別是長波段級次干擾嚴(yán)重。為解決級次干擾的問題，利曼公司采用自由曲面的棱鏡，但自由曲面的棱鏡加工困難，一致性難以保證;安道爾公司采用多個(gè)棱鏡，同時(shí)需要配合棱鏡材料折射率和阿貝數(shù)使得級次均勻，對材料的要求非?？量?，價(jià)格昂貴且加工困難。
[0003]此外，在現(xiàn)有的光譜儀中，一次曝光僅能采集紫外波段或長波段的光譜。為了實(shí)現(xiàn)寬波段全譜采集，在光學(xué)系統(tǒng)中增加運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行長、短波切換，先采集紫外波段，再采集長波段，由此卻降低了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與分析速度。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本實(shí)用新型提供了一種穩(wěn)定可靠、體積小、無級次干擾、分辨率高、一次曝光即可寬波段全譜采集的光譜儀。
[0005]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種光譜儀，包括光源、狹縫、準(zhǔn)直單元、分光單元、成像單元和檢測單元，所述分光單元進(jìn)一步包括:
[0007]中階梯光柵，所述中階梯光柵的刻線數(shù)為90-160條/毫米，經(jīng)準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直的測量光被所述中階梯光柵在波長方向分光；
[0008]棱鏡，所述棱鏡的角度為12-20°，經(jīng)中階梯光柵分光后的測量光被所述棱鏡在級次方向分光。
[0009]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述波長方向和級次方向相互垂直。
[0010]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述檢測單元為面陣檢測器，所述面陣檢測器采集165-850nm波長范圍內(nèi)的光譜。
[0011]根據(jù)上述的光譜儀，可選地，所述面陣檢測器的尺寸為20-30mm。
[0012]根據(jù)上述的光譜儀，優(yōu)選地，所述進(jìn)一步包括:矯正單元，所述矯正單元設(shè)置在成像單元與檢測單元之間的測量光路上。
[0013]根據(jù)上述的光譜儀，可選地，所述矯正單元為矯正透鏡。
[0014]根據(jù)上述的光譜儀，可選地，所述矯正透鏡是單透鏡或雙膠合透鏡或自由曲面透Ho
[0015]根據(jù)上述的光譜儀，可選地，所述光譜儀進(jìn)一步包括:光采集單元，所述光采集單元包括第一透鏡、多芯光纖和第二透鏡，光源發(fā)出的測量光經(jīng)第一透鏡會聚、多芯光纖傳播和第二透鏡會聚后穿過狹縫。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的有益效果為:
[0017]1、本實(shí)用新型的光譜儀在波長方向采用中階梯光柵分光，在級次方向采用棱鏡分光，光譜儀體積小、分辨率高。
[0018]2、本實(shí)用新型采用刻線數(shù)為90-160條/毫米的高刻線中階梯光柵，角度為12-20°的大角度棱鏡，通過光柵刻線數(shù)和棱鏡角度的相互配合，使得譜線間距變大，實(shí)現(xiàn)無級次干擾。
[0019]3、本實(shí)用新型采用尺寸為20-30mm的大面陣檢測器而非一般12mm左右的面陣檢測器，一次曝光即可實(shí)現(xiàn)寬波段(165-850nm)全譜采集，譜線豐富，處理簡單，采集速度快，分析時(shí)間短。
[0020]4、本實(shí)用新型無需任何運(yùn)動部件，具有很強(qiáng)的抗震動能力，光譜儀的穩(wěn)定性高。
【附圖說明】
[0021]參照附圖，本實(shí)用新型的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是:這些附圖僅僅用于舉例說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而并非意在對本實(shí)用新型的保護(hù)范圍構(gòu)成限制。圖中:
[0022]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1和以下說明描述了本實(shí)用新型的可選實(shí)施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施和再現(xiàn)本實(shí)用新型。為了教導(dǎo)本實(shí)用新型技術(shù)方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實(shí)施方式的變型或替換將在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本實(shí)用新型的多個(gè)變型。由此，本實(shí)用新型并不局限于下述可實(shí)施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。
[0024]實(shí)施例1
[0025]圖1示意性地給出了本實(shí)施例的光譜儀的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示，所述光譜儀包括:光源(圖中未示出)、狹縫1、準(zhǔn)直單元2、分光單元3、成像單元4和檢測單元5;所述光源可以是ICP光源、激光器、元素?zé)艋蚧鹧娴绕渲幸环N;所述分光單元3進(jìn)一步包括:
[0026]中階梯光柵31，所述中階梯光柵的刻線數(shù)為90-160條/毫米，經(jīng)準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直的測量光被所述中階梯光柵在波長方向分光；
[0027]棱鏡32，所述棱鏡的角度為12-20°，經(jīng)中階梯光柵分光后的測量光被所述棱鏡在級次方向分光；
[0028]所述波長方向和級次方向相互垂直。
[0029]所述準(zhǔn)直單元和成像單元為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。
[0030]為了提高光譜采集范圍，加快采集速度，一次曝光實(shí)現(xiàn)全譜采集，縮短分析時(shí)間，故:
[0031]進(jìn)一步地，所述檢測單元為面陣檢測器，所述面陣檢測器的尺寸為20-30mm，可以采集165-850nm波長范圍內(nèi)的光譜。
[0032]采用大面陣檢測器進(jìn)行紫外波段和長波段的寬光譜采集，可能引起譜線彎曲的問題。因此，為了提高光譜采集的穩(wěn)定性和分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步地，所述光譜儀還包括:矯正單元6，所述矯正單元設(shè)置在成像單元與檢測單元之間的測量光路上。
[0033]進(jìn)一步地，所述矯正單元為矯正透鏡。
[0034]本實(shí)施例還提供一種光譜分析方法，所述光譜分析方法包括以下步驟:
[0035](Al)提供本實(shí)施例的光譜儀；
[0036](A2)光源發(fā)出的測量光經(jīng)準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直、中階梯光柵在波長方向分光后，進(jìn)一步被棱鏡在級次方向分光，經(jīng)成像單元成像、矯正單元譜線矯正，最后由檢測單元進(jìn)行全譜采集。
[0037]實(shí)施例2
[0038]本實(shí)施例提供一種光譜儀，與實(shí)施例1不同的是，所述光譜儀進(jìn)一步包括:光采集單元，所述光采集單元包括第一透鏡、多芯光纖、第二透鏡，光源發(fā)出的測量光經(jīng)第一透鏡會聚、多芯光纖傳播和第二透鏡會聚后穿過狹縫，所述第一透鏡為單透鏡或雙膠合透鏡，所述第二透鏡為會聚透鏡。
[0039]進(jìn)一步地，所述多芯光纖的芯數(shù)可根據(jù)光源情況設(shè)定，若光源為抖動光源，可增加多芯光纖的芯數(shù)，只要所述測量光經(jīng)所述第一透鏡耦合后全部成像在多芯光纖內(nèi)即可。
[0040]為了提高多芯光纖布局的合理性，故:
[0041]進(jìn)一步地，所述多芯光纖的入口端根據(jù)光源的抖動方向排布;所述多芯光纖的出口端根據(jù)狹縫方向排布。
[0042]作為優(yōu)選，所述多芯光纖出口端的光纖排布方向與狹縫方向平行。
[0043]本實(shí)施例還提供一種光譜分析方法，與實(shí)施例1不同的是，所述光譜分析方法進(jìn)一步包括:
[0044](BI)光源發(fā)出的測量光經(jīng)第一透鏡會聚、多芯光纖傳播和第二透鏡會聚后穿過狹縫，進(jìn)一步被準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直。
[0045]本實(shí)施例的益處在于:采用多芯光纖進(jìn)行光采集，體積小、抗光源抖動性強(qiáng)，提高光譜分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)波導(dǎo)的靈活性使得分光單元可以靈活排布，進(jìn)一步減小體積。
[0046]實(shí)施例3
[0047]本實(shí)用新型實(shí)施例1的光譜儀的應(yīng)用例。在該應(yīng)用例中，中階梯光柵的刻線數(shù)為98.7條/毫米，棱鏡的角度為15°，面陣檢測器的尺寸為25 X 25mm，在成像單元與面陣檢測器之間設(shè)置矯正透鏡(如單透鏡、雙膠合透鏡或自由曲面透鏡)；通過中階梯光柵的刻線數(shù)和棱鏡角度的相互配合，使得面陣檢測器上顯示的譜線間距加大，解決長波段光譜譜線重疊的問題。在此基礎(chǔ)上，通過面陣檢測器尺寸的配合以及矯正透鏡的設(shè)置，一次曝光即可實(shí)現(xiàn)無級次干擾的全譜(165-850nm)采集。
[0048]上述實(shí)施方式不應(yīng)理解為對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。本實(shí)用新型的關(guān)鍵是:通過中階梯光柵的刻線數(shù)、棱鏡的角度相互配合實(shí)現(xiàn)無級次干擾;同時(shí)采用大面陣檢測器，一次曝光即可實(shí)現(xiàn)寬光譜采集。在不脫離本實(shí)用新型精神的情況下，對本實(shí)用新型作出的任何形式的改變均應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光譜儀，包括光源、狹縫、準(zhǔn)直單元、分光單元、成像單元和檢測單元，其特征在于:所述分光單元進(jìn)一步包括: 中階梯光柵，所述中階梯光柵的刻線數(shù)為90-160條/毫米，經(jīng)準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直的測量光被所述中階梯光柵在波長方向分光； 棱鏡，所述棱鏡的角度為12-20°，經(jīng)中階梯光柵分光后的測量光被所述棱鏡在級次方向分光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述波長方向和級次方向相互垂直。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述檢測單元為面陣檢測器，所述面陣檢測器采集165-850nm波長范圍內(nèi)的光譜。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光譜儀，其特征在于:所述面陣檢測器的尺寸為20-30_。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述光譜儀進(jìn)一步包括: 矯正單元，所述矯正單元設(shè)置在成像單元與檢測單元之間的測量光路上。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜儀，其特征在于:所述矯正單元為矯正透鏡。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其特征在于:所述光譜儀進(jìn)一步包括: 光采集單元，所述光采集單元包括第一透鏡、多芯光纖和第二透鏡，光源發(fā)出的測量光經(jīng)第一透鏡會聚、多芯光纖傳播和第二透鏡會聚后穿過所述狹縫。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種光譜儀，包括光源、狹縫、準(zhǔn)直單元、分光單元、成像單元和檢測單元，所述分光單元進(jìn)一步包括：中階梯光柵，所述中階梯光柵的刻線數(shù)為90-160條/毫米，經(jīng)準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直的測量光被所述中階梯光柵在波長方向分光；棱鏡，所述棱鏡的角度為12-20°，經(jīng)中階梯光柵分光后的測量光被所述棱鏡在級次方向分光。本實(shí)用新型具有穩(wěn)定可靠、體積小、無級次干擾、分辨率高、寬波段全譜采集等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01J3/02
【公開號】CN205317346
【申請?zhí)枴緾N201620026085
【發(fā)明人】李銳, 韓雙來, 壽淼鈞, 俞曉峰, 喻正寧, 呂全超, 夏曉峰
【申請人】杭州譜育科技發(fā)展有限公司
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月1日