CN104359558B - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱仪，包括腔体，入射狭缝，光栅，传感器，所述传感器被所述腔体分隔成第一部分和第二部分，所述第一部分传感器设置在所述腔体内，所述第二部分传感器设置在所述腔体外；所述光谱仪进一步包括：入射窗口，所述入射窗口设置在所述腔体上，待分析光依次透过所述入射窗口、入射狭缝照射在所述光栅上；透光窗口，所述透光窗口设置在所述腔体上，经光栅分光后的长波光透过所述透光窗口入射到所述第二部分传感器上。本发明具有成本低、腔体体积小等优点。

Description

一种光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，特别涉及一种可同时分析空气波段和真空紫外波段光谱的光谱仪。

背景技术

光是电磁波的一种，波长范围约从1nm至1mm之间，其中200nm以上的光在空气中的传输损耗很小，而200nm以下的真空紫外波段光由于会被空气中的氧气和水分等强烈吸收，只能在真空或紫外透明气体(紫外吸收系数很低的气体，例如氩气、氮气等)环境下才能够正常传输。因此，若要想测量真空紫外波段光，必须为测量设备提供真空或紫外透明气体的测量环境。

以图1所示的帕型-龙格结构的光谱仪为例，待分析的复合光经透光窗口16进入密封结构14所构建的密封腔体，通过入射狭缝11后，照射到光栅12上，经过光栅12的色散作用，不同波长的谱线被分开，从短波至长波沿D-E-F排列在圆弧13上，其中E点对应的波长为200nm，DE段为波长小于200nm的紫外波段光，EF段为波长大于200nm的空气波段光。

为了同时测量波长为200nm以上和200nm以下的光，目前的解决方案有两种：

(1)对图1所示的阴影部分抽真空，这样短波长的光和长波长的光均处在真空环境中，可同时实现长、短波的测量，但真空方案需要更高的结构强度，还会带来功耗、噪声等诸多使用上的不便利。对紫外透明气体吹扫方案来说，一般不采用，因为光谱仪的空间太大，要想使光谱仪内的气体纯度达到200nm以下真空紫外光的传输要求，紫外透明气体吹扫的时间和效果会受到很大影响。

(2)针对200nm以下的光波段专门设计一个小体积的气体吹扫光谱仪，如图2所示。待分析的复合光经透光窗口26进入密封结构24所构建的密封腔体，通过入射狭缝21后，照射到光栅22上，经过光栅22的色散作用，不同波长的谱线被分开，沿D-E排列在圆弧23上。通过对光栅22的参数和入射狭缝21的位置的优化设计，可以使200nm以下的光谱位置与入射狭缝的位置最接近，这样可以有效减少光谱仪的吹扫体积，进而减少吹扫的时间，改善吹扫效果。但这种方法需要用两套光谱仪分别测量短波和长波的光谱，显然增加了光谱仪的成本。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种光谱仪，可以在同一套光学系统下将真空紫外的空间从整个光谱仪中区分开来，从而大大缩短气体吹扫时间，改善吹扫效果。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种光谱仪，包括腔体，入射狭缝，光栅，传感器，所述传感器被所述腔体分隔成第一部分和第二部分，所述第一部分传感器设置在所述腔体内，所述第二部分传感器设置在所述腔体外；所述光谱仪进一步包括：

入射窗口，所述入射窗口设置在所述腔体上，待分析光依次透过所述入射窗口、入射狭缝照射在所述光栅上；

透光窗口，所述透光窗口设置在所述腔体上，经光栅分光后的长波光透过所述透光窗口入射到所述第二部分传感器上。

进一步，所述光谱仪还包括反射镜，所述反射镜设置在所述腔体内，从入射狭缝入射的光经所述反射镜反射后照射到所述光栅上。

作为优选，所述反射镜为平面镜或球面镜或非球面镜。

进一步，所述入射狭缝设置在满足光谱仪设计条件的位置上。

进一步，所述腔体内为真空或充有紫外透明气体。

作为优选，所述紫外透明气体为氮气、氩气或氦气。

进一步，所述入射窗口和所述透光窗口为同一个窗口。

进一步，所述入射狭缝设置在满足光谱仪设计条件的位置上。

作为优选，所述光栅为罗兰凹面光栅或平场凹面光栅。

进一步，所述腔体为带有进气口和/或出气口的密封腔体。

本发明所述长波为波长大于200nm的空气波段光，短波为波长小于200nm的紫外波段光；本发明所述的紫外透明气体为紫外吸收系数很低的气体，例如氩气、氮气等。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、成本低

一套光谱仪可同时分析波长大于200nm的空气波段即长波光谱和波长小于200nm的真空紫外波段即短波光谱，降低了仪器成本；

2、腔体体积小

将真空紫外波段的短波光谱的空间从整个光谱仪中分开构成腔体，将空气波段的光路隔出在腔体之外，大大减小了腔体体积；无论将腔体抽真空或填充紫外透明气体或用紫外透明气体吹扫置换，都大大缩短了操作过程时间，提高了效率。

附图说明

图1是传统光谱仪结构示意图；

图2是针对真空紫外波段光谱设计的光谱仪结构示意图；

图3是实施例2结构示意图；

图4是实施例3结构示意图；

图5是实施例4结构示意图；

图6是实施例5结构示意图；

图7是实施例6结构示意图；

图8是实施例7结构示意图；

图9是实施例8结构示意图.

具体实施方式

实施例1

一种光谱仪，包括：腔体，入射狭缝，光栅，传感器，所述传感器被所述腔体分隔成第一部分和第二部分，所述第一部分传感器设置在所述腔体内，所述第二部分传感器设置在所述腔体外；

所述光谱仪进一步包括：

入射窗口，所述入射窗口设置在所述腔体上，待分析光依次透过所述入射窗口、入射狭缝照射在所述光栅上；

透光窗口，所述透光窗口设置在所述腔体上，经光栅分光后的长波光透过所述透光窗口入射到所述第二部分传感器上。

本发明所述长波为波长大于200nm的空气波段光，短波为波长小于200nm的紫外波段光。短波光对应所述第一部分传感器，长波光对应所述第二部分传感器。

为了实现短波的成像分析，短波从入射至到达第一部分传感器的整个光路部分应该均在真空或紫外透明环境中；而长波对此无要求；则将短波部分的光路设置在满足其测量要求的环境中即可，即，

进一步，所述腔体内为真空或充有紫外透明气体。本发明所述的紫外透明气体为紫外吸收系数很低的气体，例如氩气、氮气、氦气等。

故，短波到达第一部分传感器的整个光路部分均设置在腔体内，为了减小腔体体积，可将第二部分传感器设置在腔体外。此时，由于入射狭缝和光栅为了满足短波测量环境要求，是处于腔体内的，而对于长波而言，其从入射至光栅部分的光路是在腔体内的，而从光栅传播至第二部分传感器的光路会穿过腔体壁，这就要求腔体壁在长波穿过时能够透过长波光，即，

在所述腔体上设置透光窗口，以使长波能够穿过并到达第二部分传感器。

为了减小腔体的体积，进一步可将腔体内的光路折叠，只要能够使得入射光通过入射狭缝后到达光栅，并最终能到达相应传感器即可；

进一步，所述光谱仪还包括反射镜，所述反射镜设置在所述腔体内，从入射狭缝入射的光经所述反射镜反射后照射到所述光栅上。

作为优选，所述反射镜为平面镜或球面镜或非球面镜。

通过调整各器件之间的位置，可以进一步使得长波对应的透光窗口与所述入射窗口为同一个窗口。

进一步，所述入射狭缝设置在满足光谱仪设计条件的位置上。

进一步，所述入射狭缝只允许宽10μm、高10mm范围内的光线通过。

作为优选，所述光栅为罗兰凹面光栅或平场凹面光栅。

进一步，为了节省成本，可以将所述腔体设置为密封腔体，以降低抽真空或充紫外透明气体或紫外透明气体吹扫置换的成本；为了方便抽真空或充紫外透明气体或通紫外透明气体进行吹扫置换：

进一步，所述腔体为带有进气口和/或出气口的密封腔体。

本发明提供的光谱仪，可同时分析波长大于200nm的空气波段即长波光谱和波长小于200nm的真空紫外波段即短波光谱，降低了仪器成本；

将真空紫外波段的短波光谱的空间从整个光谱仪中分开构成腔体，将空气波段的光路隔出在腔体之外，大大减小了腔体体积；无论将腔体抽真空或填充紫外透明气体或用紫外透明气体吹扫置换，都大大缩短了操作过程时间，提高了效率。

实施例2

本实施例是实施例1的应用例。

如图3所示，一种光谱仪，包括腔体114，所述腔体114上设置入射窗口116和透光窗口115，所述腔体114内设置入射狭缝111和光栅112，入射狭缝111所处位置点记为A，所述光栅边缘记为B-C；

本实施例，所述光栅112为罗兰凹面光栅。

所述入射狭缝111设置在罗兰圆上，允许宽10μm、高10mm范围内的光线通过。

所述入射窗口116能够透过所有待分析光。所述透光窗口115能够透过长波光。

待分析光透过所述入射窗口116通过入射狭缝111照射在所述光栅112上；

所述光栅112将从入射狭缝111入射的光按波长分开，并按波长顺序汇聚在传感器113上，所述传感器记为D-E-F；

传感器D-E-F，包括第一部分传感器D-E和第二部分传感器E-F，所述第一部分传感器D-E设置在所述腔体114内，所述第二部分传感器E-F设置在所述腔体114外，短波光在所述腔体114内传播到达第一部分传感器D-E，长波光透过所述透光窗口115到达第二部分传感器E-F。

入射至光栅的光与从光栅出射的光之间的边界点为G。只要将光路空间A-B-C-D-E-G-A设置在腔体内，即可实现本发明的目的。故，透光窗口115在光路方向上设置在E-G段的后方。

所述腔体114为密封腔体。图中阴影部分充有紫外透明气体。本实施例，所述腔体114内充有氮气。

实施例3

如图4所示，一种光谱仪，与实施例2不同的是：本实施例的光谱仪还包括反射镜127，所述反射镜127设置在腔体124内，在光栅112的下端点B与最长光传感器位置F连线的下方。

通过入射窗口126的光透过入射狭缝121，先经过反射镜127的反射后，再入射到光栅112上。所述入射狭缝121，在光栅112的上端点C与最短光传感器位置D连线的上方。

所述反射镜127可以为平面镜、球面镜或非球面镜。

实施例4

如图5所示，一种光谱仪，与实施例3不同的是：待分析光通过腔体134上的入射窗口136入射到入射狭缝131上，所述入射狭缝131在光栅112的下端点B与最长光传感器位置F连线的下方。

实施例5

本实施例是实施例1的应用例。

如图6所示，一种光谱仪，与实施例2不同的是：

腔体214上设置入射窗口216和透光窗口215，所述腔体214内设置入射狭缝211和光栅212，入射狭缝211所处位置点记为a，所述光栅边缘记为b-c；

本实施例，所述光栅112为平场凹面光栅。

所述腔体214内充有氩气。

所述光栅212将从入射狭缝211入射的光按波长分开，并按波长顺序汇聚在传感器213上，所述传感器记为d-e-f；

传感器d-e-f，包括第一部分传感器d-e和第二部分传感器e-f，所述第一部分传感器d-e设置在所述腔体214内，所述第二部分传感器e-f设置在所述腔体214外，短波光在所述腔体214内传播到达第一部分传感器d-e，长波光透过所述透光窗口215到达第二部分传感器e-f。

入射至光栅的光与从光栅出射的光之间的边界点为g。只要将光路空间a-b-c-e-d-g-a设置在腔体内，即可实现本发明的目的。故，透光窗口215在光路方向上设置在c-e段的后方。

实施例6

如图7所示，一种光谱仪，与实施例5不同的是：本实施例的光谱仪还包括反射镜227，所述反射镜227设置在腔体224内，在光栅212的下端点b与最短光传感器位置d连线的下方。

通过入射窗口226的光透过入射狭缝221，先经过反射镜227的反射后，再入射到光栅212上。所述入射狭缝221，在光栅212的下端点b与最短光传感器位置d连线的下方。

所述反射镜227可以为平面镜、球面镜或非球面镜。

实施例7

如图8所示，一种光谱仪，与实施例6不同的是：待分析光通过腔体234上的入射窗口236入射到入射狭缝231上，本实施例的光谱仪的入射狭缝231在腔体234内的位置做了调整，即所述入射狭缝231在光栅212的上端点c与最长光传感器位置f连线的上方。

实施例8

如图9所示，一种光谱仪，与实施例7不同的是：腔体244的入射窗口和透光窗口为同一个窗口，均为窗口245，可透过所有待分析的光谱。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：短波光在真空或紫外透明腔体内传播到达第一部分传感器，长波光透过腔体壁上的透光窗口到达第二部分传感器。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光谱仪，包括腔体，入射狭缝，光栅，传感器，其特征在于：所述传感器被所述腔体分隔成第一部分和第二部分，所述第一部分传感器设置在所述腔体内，所述第二部分传感器设置在所述腔体外；所述光谱仪进一步包括：

入射窗口，所述入射窗口设置在所述腔体上，待分析光依次透过所述入射窗口、入射狭缝照射在所述光栅上；

透光窗口，所述透光窗口设置在所述腔体上，经光栅分光后的长波光透过所述透光窗口入射到所述第二部分传感器上。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述光谱仪还包括反射镜，所述反射镜设置在所述腔体内，从入射狭缝入射的光经所述反射镜反射后照射到所述光栅上。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于：所述反射镜为平面镜或球面镜或非球面镜。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述腔体内为真空或充有紫外透明气体。

5.根据权利要求4所述的光谱仪，其特征在于：所述紫外透明气体为氮气、氩气或氦气。

6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述入射窗口和所述透光窗口为同一个窗口。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述光栅为罗兰凹面光栅或平场凹面光栅。

8.根据权利要求1～7任一所述的光谱仪，其特征在于：所述腔体为带有进气口和出气口的密封腔体。