CN105486406A - 光谱仪及光谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光谱仪，包括光源、狭缝、准直单元、分光单元、成像单元和检测单元，所述分光单元进一步包括：中阶梯光栅，所述中阶梯光栅的刻线数为90-160条/毫米，经准直单元准直的测量光被所述中阶梯光栅在波长方向分光；棱镜，所述棱镜的角度为12-20°，经中阶梯光栅分光后的测量光被所述棱镜在级次方向分光。本发明还提供一种光谱分析方法。本发明具有稳定可靠、体积小、无级次干扰、分辨率高、宽波段全谱采集等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，特别涉及一种宽波段全谱采集、无级次干扰的高分辨率光谱仪及光谱分析方法。
背景技术
在ICP-OES、LIBS等光谱分析领域对光谱仪的分辨能力要求较高，往往需要达到10pm级别，传统的光谱仪多为Czerny-Turner型单道扫描式的单色仪或中阶梯光栅、罗兰圆结构的光谱仪。但是传统的单色仪和罗兰圆结构的光谱仪单纯利用光栅进行分光，要实现较高的光谱分辨能力，必须采用大的焦距(如750mm或者1000mm)的光学系统，这样不可避免的使光谱仪体积变得很庞大；若采用中阶梯光栅二维分光光谱仪，光学分辨率较高，结构紧凑，但是在级次方面存在级次干扰，特别是长波段级次干扰严重。为解决级次干扰的问题，利曼公司采用自由曲面的棱镜，但自由曲面的棱镜加工困难，一致性难以保证；安道尔公司采用多个棱镜，同时需要配合棱镜材料折射率和阿贝数使得级次均匀，对材料的要求非常苛刻，价格昂贵且加工困难。
此外，在现有的光谱仪中，一次曝光仅能采集紫外波段或长波段的光谱。为了实现宽波段全谱采集，在光学系统中增加运动机构进行长、短波切换，先采集紫外波段，再采集长波段，由此却降低了光学系统的稳定性与分析速度。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种稳定可靠、体积小、无级次干扰、分辨率高、一次曝光即可宽波段全谱采集的光谱仪。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种光谱仪，包括光源、狭缝、准直单元、分光单元、成像单元和检测单元，所述分光单元进一步包括：
中阶梯光栅，所述中阶梯光栅的刻线数为90-160条/毫米，经准直单元准直的测量光被所述中阶梯光栅在波长方向分光；
棱镜，所述棱镜的角度为12-20°，经中阶梯光栅分光后的测量光被所述棱镜在级次方向分光。
根据上述的光谱仪，优选地，所述波长方向和级次方向相互垂直。
根据上述的光谱仪，优选地，所述检测单元为面阵检测器，所述面阵检测器采集165-850nm波长范围内的光谱。
根据上述的光谱仪，可选地，所述面阵检测器的尺寸为20-30mm。
根据上述的光谱仪，优选地，所述进一步包括：矫正单元，所述矫正单元设置在成像单元与检测单元之间的测量光路上。
根据上述的光谱仪，可选地，所述矫正单元为矫正透镜。
根据上述的光谱仪，可选地，所述矫正透镜是单透镜或双胶合透镜或自由曲面透镜。
根据上述的光谱仪，可选地，所述光谱仪进一步包括：光采集单元，所述光采集单元包括第一透镜、多芯光纤和第二透镜，光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过狭缝。
本发明还提供一种光谱分析方法，所述光谱分析方法包括以下步骤：
(A1)提供上述任一所述的光谱仪；
(A2)光源发出的测量光经准直单元准直、中阶梯光栅在波长方向分光后，进一步被棱镜在级次方向分光，经成像单元成像、矫正单元谱线矫正，最后由检测单元进行全谱采集。
根据上述的光谱仪，可选地，所述光谱分析方法进一步包括：
(B1)光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过狭缝，进一步被准直单元准直。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1、本发明的光谱仪在波长方向采用中阶梯光栅分光，在级次方向采用棱镜分光，光谱仪体积小、分辨率高。
2、本发明采用刻线数为90-160条/毫米的高刻线中阶梯光栅，角度为12-20°的大角度棱镜，通过光栅刻线数和棱镜角度的相互配合，使得谱线间距变大，实现无级次干扰。
3、本发明采用尺寸为20-30mm的大面阵检测器而非一般12mm左右的面阵检测器，一次曝光即可实现宽波段(165-850nm)全谱采集，谱线丰富，处理简单，采集速度快，分析时间短。
4、本发明无需任何运动部件，具有很强的抗震动能力，光谱仪的稳定性高。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是本发明实施例1的光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1
图1示意性地给出了本实施例的光谱仪的结构简图，如图1所示，所述光谱仪包括：光源(图中未示出)、狭缝1、准直单元2、分光单元3、成像单元4和检测单元5；所述光源可以是ICP光源、激光器、元素灯或火焰等其中一种；所述分光单元3进一步包括：
中阶梯光栅31，所述中阶梯光栅的刻线数为90-160条/毫米，经准直单元准直的测量光被所述中阶梯光栅在波长方向分光；
棱镜32，所述棱镜的角度为12-20°，经中阶梯光栅分光后的测量光被所述棱镜在级次方向分光；
所述波长方向和级次方向相互垂直。
所述准直单元和成像单元为本领域的现有技术，在此不再赘述。
为了提高光谱采集范围，加快采集速度，一次曝光实现全谱采集，缩短分析时间，故：
进一步地，所述检测单元为面阵检测器，所述面阵检测器的尺寸为20-30mm，可以采集165-850nm波长范围内的光谱。
采用大面阵检测器进行紫外波段和长波段的宽光谱采集，可能引起谱线弯曲的问题。因此，为了提高光谱采集的稳定性和分析数据的准确性，进一步地，所述光谱仪还包括：矫正单元6，所述矫正单元设置在成像单元与检测单元之间的测量光路上。
进一步地，所述矫正单元为矫正透镜。
本实施例还提供一种光谱分析方法，所述光谱分析方法包括以下步骤：
(A1)提供本实施例的光谱仪；
(A2)光源发出的测量光经准直单元准直、中阶梯光栅在波长方向分光后，进一步被棱镜在级次方向分光，经成像单元成像、矫正单元谱线矫正，最后由检测单元进行全谱采集。
实施例2
本实施例提供一种光谱仪，与实施例1不同的是，所述光谱仪进一步包括：光采集单元，所述光采集单元包括第一透镜、多芯光纤、第二透镜，光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过狭缝，所述第一透镜为单透镜或双胶合透镜，所述第二透镜为会聚透镜。
进一步地，所述多芯光纤的芯数可根据光源情况设定，若光源为抖动光源，可增加多芯光纤的芯数，只要所述测量光经所述第一透镜耦合后全部成像在多芯光纤内即可。
为了提高多芯光纤布局的合理性，故：
进一步地，所述多芯光纤的入口端根据光源的抖动方向排布；所述多芯光纤的出口端根据狭缝方向排布。
作为优选，所述多芯光纤出口端的光纤排布方向与狭缝方向平行。
本实施例还提供一种光谱分析方法，与实施例1不同的是，所述光谱分析方法进一步包括：
(B1)光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过狭缝，进一步被准直单元准直。
本实施例的益处在于：采用多芯光纤进行光采集，体积小、抗光源抖动性强，提高光谱分析的准确性，同时波导的灵活性使得分光单元可以灵活排布，进一步减小体积。
实施例3
本发明实施例1的光谱仪的应用例。在该应用例中，中阶梯光栅的刻线数为98.7条/毫米，棱镜的角度为15°，面阵检测器的尺寸为25×25mm，在成像单元与面阵检测器之间设置矫正透镜(如单透镜、双胶合透镜或自由曲面透镜)；通过中阶梯光栅的刻线数和棱镜角度的相互配合，使得面阵检测器上显示的谱线间距加大，解决长波段光谱谱线重叠的问题。在此基础上，通过面阵检测器尺寸的配合以及矫正透镜的设置，一次曝光即可实现无级次干扰的全谱(165-850nm)采集。
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：通过中阶梯光栅的刻线数、棱镜的角度相互配合实现无级次干扰；同时采用大面阵检测器，一次曝光即可实现宽光谱采集。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光谱仪，包括光源、狭缝、准直单元、分光单元、成像单元和检测单元，其特征在于：所述分光单元进一步包括：
中阶梯光栅，所述中阶梯光栅的刻线数为90-160条/毫米，经准直单元准直的测量光被所述中阶梯光栅在波长方向分光；
棱镜，所述棱镜的角度为12-20°，经中阶梯光栅分光后的测量光被所述棱镜在级次方向分光。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述波长方向和级次方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述检测单元为面阵检测器，所述面阵检测器采集165-850nm波长范围内的光谱。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于：所述面阵检测器的尺寸为20-30mm。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述光谱仪进一步包括：
矫正单元，所述矫正单元设置在成像单元与检测单元之间的测量光路上。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于：所述矫正单元为矫正透镜。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述光谱仪进一步包括：
光采集单元，所述光采集单元包括第一透镜、多芯光纤和第二透镜，光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过所述狭缝。
8.一种光谱分析方法，所述光谱分析方法包括以下步骤：
(A1)提供权利要求1-7任一所述的光谱仪；
(A2)光源发出的测量光经准直单元准直、中阶梯光栅在波长方向分光后，进一步被棱镜在级次方向分光，经成像单元成像、矫正单元谱线矫正，最后由检测单元进行全谱采集。
9.根据权利要求8所述的光谱分析方法，其特征在于：所述光谱分析方法进一步包括：
(B1)光源发出的测量光经第一透镜会聚、多芯光纤传播和第二透镜会聚后穿过狭缝，进一步被准直单元准直。
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