CN102967367B - 一种紫外二维全谱高分辨光学系统 - Google Patents

Abstract

一种紫外二维全谱高分辨光学系统，光学系统设计、光学仪器技术领域。该系统包括光源、滤波片切换装置、准直镜、聚光镜、入射狭缝、入射狭缝、全息光栅、中阶梯光栅、面阵CCD。所有组件通过定位底座固定在光学平台上相互连接，以保证各个组件的空间相对位置。利用滤波片将光谱范围分成120-240nm和240-480nm分时复用的两部分；利用衍射级次共用的设计思想，设计低色散全息凹面准直分光光栅代替传统系统中的准直镜和棱镜；全谱消像差光路设计；在不降低光学系统性能的前提下，将成本高的大面阵二维CCD探测器的成像面积缩小到原来的四分之一。该系统具有宽谱像差校正、高分辨、高光通量、全谱二维成像的显著优点。

Description

一种紫外二维全谱高分辨光学系统

技术领域

本发明属于光学系统设计、光学仪器技术领域，特别是涉及一种紫外二维全谱高分辨光学系统。

背景技术

宽谱、高分辨光谱仪在科研、工业、生命、食品安全等领域的元素成分和含量分析测试中有着重要的应用，尤其在钢铁、化工、冶金、材料和环保等领域的应用中，元素干扰少的光谱范围主要集中在紫外及近紫外波段，因此宽谱、高分辨的紫外光谱仪在这些领域有着重要的应用。目前市场上的光谱仪器广泛采用基于Rowland, Czerny Turner成像光谱仪的光学系统，为了获得高的光谱分辨率，常采用长焦距，同时增加光栅刻线数。但是长焦距，将导致庞大的仪器体积，而且光栅刻线数目增加也会限制光谱的测量范围。基于中阶梯光栅和棱镜的二维全谱光学系统成功地解决了宽光谱和高分辨率这一光谱仪中普遍存在的矛盾，然而这项技术也有如下局限性：

1.采用低色散棱镜作初级分光，棱镜的非线性色散使得在该色散方向上光谱分布不均匀；

2.需要大感光区域的面阵CCD采集系统以覆盖全谱范围，仪器成本高；

3.为了降低面阵CCD的成本，有的系统采用狭缝切换或旋转棱镜来实现宽谱范围的高分辨光谱图，导致整个光路系统有移动部件，影响谱图标定及系统使用的长期稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外二维全谱高分辨光学系统，改进了基于中阶梯光栅和全息光栅的二维全谱高分辨光学系统，消除低色散方向上的光谱分布不均匀，实现小面阵CCD宽谱高分辨光谱图采集，同时全谱光路固定，测量波段的切换不影响全谱图的标定，提高仪器的稳定性，同时降低仪器的成本。

本发明的设计思想在于利用滤波片将光谱范围分成120-240nm和240-480nm分时复用的两部分，并使用衍射级次共用的低色散凹面全息光栅代替传统光学系统中的准直镜和分光棱镜，在不降低光谱范围和光谱分辨率的情况下，简化了整体光路，并使光谱图像采集系统的成像面积缩小到原来的四分之一，大大降低成本。

本发明包括光源1、滤波片切换装置2、准直镜3、聚光镜4、入射狭缝5、入射狭缝5、全息光栅6、中阶梯光栅(7)、面阵CCD9；所有组件通过定位底座固定在光学平台上相互连接，以保证各个组件的空间相对位置。光源1为系统的原点，通过夹紧装置固定在光学平台上，滤波片切换装置2通过定位底座固定在光学平台上，保证其与光源1的相对位置，光源)发射出的原子多色光谱经过分时复用的滤波片切换装置2后被分成120-240nm和240-480nm的两个光谱波段，出射的光直线传播到偏转角度为5°的准直镜3上，准直镜3为球面反射镜通过定位底座固定在光学平台上，保证其与滤波片切换装置(2)的相对位置，准直镜3将经过滤波片切换装置2的入射光进行准直变成平行光，并使传播角度偏转10°后反射，反射后的平行光直线传播到第一聚焦镜4上，第一聚焦镜4)也为球面反射镜通过定位底座固定在光学平台上，保证其与准直镜3的相对位置，第一聚焦镜4将由准直镜3反射的平行光变成会聚光，并使传播角度偏转-10°后直线传播，最后会聚到入射狭缝5处，入射狭缝5为一个中心有孔的薄片，通过镜筒和夹紧装置固定在光学平台上，保证其与第一聚焦镜4的相对位置。入射狭缝5为点光源， 其发射的光直线传播到凹面全息光栅6上，凹面全息光栅6通过二维调整架和定位底座固定在光学平台上，以保证它与入射狭缝5的相对位置。凹面全息光栅6兼有球面反射镜和光栅的作用，它将入射狭缝5发出的光反射后变为平行光，并使该平行光传播角度偏转10°，该平行光直线传播到中阶梯光栅7上，中阶梯光栅7通过三维调整装置和定位底座固定在光学平台上，以保证它与凹面全息光栅6的相对位置。中阶梯光栅(7)将入射的平行光反射后进行色散分光，使不同波长的光偏转不同的角度后直线传播，这些平行光直线传播到第二聚焦镜8上，第二聚焦镜8为球面反射镜，通过二维调整架和定位底座固定在光学平台上，以保证它与中阶梯光栅7的相对位置。第二聚焦镜8将中阶梯光栅7反射的色散平行光变为会聚光，并使传播角度偏转-10°后反射，反射后的会聚光直线传播，最后成像在面阵CCD9上，面阵CCD(9) 通过夹紧定位装置固定在光学平台上，以保证它与第二聚焦镜8的相对位置，面阵CCD9将入射的光谱信号转换成数字信号传给计算机。

入射狭缝5、全息光栅6、中阶梯光栅7、第二聚焦镜8、面阵CCD9 组件通过定位底座固定在光学平台上相互连接，组成中阶梯光学系统。

光源(1)、滤波片2、准直镜3、第一聚光镜4、入射狭缝5 均通过定位底座固定在光学平台上相互连接，组成前置光路系统。

光源1为ICP光源，也可是其它原子发射，吸收或LIBS激发光源。

本发明的创新点在于：利用滤波片将光谱范围分成120-240nm和240-480nm分时复用的两部分；利用衍射级次共用的设计思想，设计低色散全息凹面准直分光光栅代替传统系统中的准直镜和棱镜；全谱消像差光路设计；通过这三项创新，在不降低光学系统性能的前提下，将成本高的大面阵二维CCD探测器的成像面积缩小到原来的四分之一。该新型紫外二维全谱光学系统具有宽谱像差校正、高分辨、高光通量、全谱二维成像的显著优点，可广泛应用于紫外波段的ICP光谱仪、LIBS光谱仪、火花光谱仪、辉光光谱仪等高性能光谱仪器。

本发明的积极效果在于前置光路将光源发出的光耦合到入射狭缝前分别经过两个带通滤波片，实现所测波段120-240nm和240-480nm分时复用；自主设计的准直、低色散凹面全息光栅代替传统光学系统中的准直镜和分光棱镜；优化整体光路保证相同光谱范围和光谱分辨率的情况下，使光谱图像采集系统的成像面积缩小到原来的四分之一，大大降低仪器成本。

附图说明

图1为本发明前置光路系统结构示意图。其中，光源1、滤波片2、准直镜3、第一聚光镜4、入射狭缝5。

图2为本发明中阶梯光学系统结构示意图。其中，入射狭缝5、全息光栅6、中阶梯光栅7、第一聚焦镜8、面阵CCD9

图3 为本发明两波段分时采集的光谱示意图。

图4 为本发明铁，锡元素在120-240nm波段光谱标定示意图。

图5 为本发明铁，锡元素在240-480nm波段光谱标定示意图。

具体实施方式

本发明的包括光源1、滤波片切换装置2、准直镜3、第一聚光镜4、入射狭缝5、入射狭缝5、全息光栅6、中阶梯光栅(7)、第二聚焦镜8、面阵CCD9 ，所有组件通过定位底座固定在光学平台上相互连接，以保证各个组件的空间相对位置。

图1～图5为本发明的一种具体实施方式。

图1为前置光路系统结构示意图，其中：光源(1)为ICP光源，也可是其它原子发射，吸收或LIBS激发光源，本装置使用ICP光源；前置光路为双反射成像光路，光源(1)发出的光经过分时滤波片2，将光谱范围分成120-240nm和240-480nm分时复用的两波段，出射的光直线传播到准直镜3上，反射后直线传播到第一聚光镜4上，经过第一聚光镜4变为会聚光后反射，最后成像在入射狭缝(5)处。

图2中阶梯光学系统结构示意图，其中：入射狭缝5为25μm×25μm或25μm×50μm大小可选的两种方形孔径；低色散凹面全息光栅6为自主设计的一级和二级衍射级次共用的凹面全息闪耀光栅，2级和1级闪耀波长分别为180nm和360nm，其功能是将从入射狭缝5射出的多色光准直，并在出射方向上进行低色散分光，然后入射到中阶梯光栅7上进行二次高色散分光；中阶梯光栅(7)将低色散凹面全息光栅6出射准直平行光进行二次高色散分光,再由第二聚焦镜8成像在面阵CCD9上。

对铁，锡元素的标准溶液，用本发明的光学系统进行仿真计算，选定铁元素检测波长为218.719nm，238.204nm，244.257nm，259.94nm，271.441nm, 选定锡元素检测波长为140.052nm，147.515nm，189.989nm，242.949nm，283.999nm；在对应检测波段计算其衍射光谱图，

图4为基于本发明的光学系统，仿真计算得铁(218.719nm,238.204nm)和锡(140.052nm，147.515nm，189.989nm)的光谱标定图。

图5为基于本发明的光学系统，仿真计算得铁(244.257nm，259.94nm，271.441nm）和锡(242.949nm，283.999nm) 的光谱标定图。

与现有的二维全谱高分辨ICP仪器相比，本发明的光学系统不仅具有宽谱像差校正、高分辨、高光通量、全谱二维成像的显著优点，还可以有效地缩小光谱采集系统中的CCD有效感光面积，大大降低仪器的成本。

Claims (5)

1.一种紫外二维全谱高分辨光学系统，其特征是，包括光源(1)、滤波片切换装置(2)、准直镜(3)、聚光镜(4)、入射狭缝(5)、全息光栅(6)、中阶梯光栅(7)、面阵CCD(9)；光源(1)为系统的原点，通过夹紧装置固定在光学平台上，滤波片切换装置(2)通过定位底座固定在光学平台上，保证其与光源(1)的相对位置，光源(1)发射出的原子多色光谱经过分时复用的滤波片切换装置(2)后被分成120-240nm和240-480nm的两个光谱波段，出射的光直线传播到偏转角度为5°的准直镜(3)上，准直镜(3)通过定位底座固定在光学平台上，保证其与滤波片切换装置(2)的相对位置，准直镜(3)将经过滤波片切换装置(2)的入射光进行准直变成平行光，并使传播角度偏转10°后反射，反射后的平行光直线传播到第一聚焦镜(4)上，第一聚焦镜(4)通过定位底座固定在光学平台上，保证其与准直镜(3)的相对位置，第一聚焦镜(4)将由准直镜(3)反射的平行光变成会聚光，并使传播角度偏转-10°后直线传播，最后会聚到入射狭缝(5)处，入射狭缝(5)为一个中心有孔的薄片，通过镜筒和夹紧装置固定在光学平台上，保证其与第一聚焦镜(4)的相对位置；入射狭缝(5)为点光源，入射狭缝(5)发射的光直线传播到凹面全息光栅(6)上，凹面全息光栅(6)通过二维调整架和定位底座固定在光学平台上，以保证它与入射狭缝(5)的相对位置；凹面全息光栅(6)兼有球面反射镜和光栅的作用，它将入射狭缝(5)发出的光反射后变为平行光，并使该平行光传播角度偏转10°，该平行光直线传播到中阶梯光栅(7)上，中阶梯光栅(7)通过三维调整装置和定位底座固定在光学平台上，以保证它与凹面全息光栅(6)的相对位置；中阶梯光栅(7)将入射的平行光反射后进行色散分光，使不同波长的光偏转不同的角度后直线传播，这些平行光直线传播到第二聚焦镜(8)上，第二聚焦镜(8)通过二维调整架和定位底座固定在光学平台上，以保证它与中阶梯光栅(7)的相对位置；第二聚焦镜(8)将中阶梯光栅(7)反射的色散平行光变为会聚光，并使传播角度偏转-10°后反射，反射后的会聚光直线传播，最后成像在面阵CCD(9)上，面阵CCD(9)通过夹紧定位装置固定在光学平台上，以保证它与第二聚焦镜(8)的相对位置，面阵CCD(9)将入射的光谱信号转换成数字信号传给计算机。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述的准直镜(3)、聚焦镜均为球面反射镜。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述的光源(1)为ICP光源、原子发射，吸收或LIBS激发光源。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，入射狭缝(5)、全息光栅(6)、中阶梯光栅(7)、第二聚焦镜(8)、面阵CCD(9)通过定位底座固定在光学平台上相互连接，组成中阶梯光学系统。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，光源(1)、滤波片(2)、准直镜(3)、第一聚光镜(4)、入射狭缝(5)均通过定位底座固定在光学平台上相互连接，组成前置光路系统。