CN107941336A - 一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学系统设计、光学仪器技术领域，特别是一种双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统，包括光源(1)、前置光路(2)、双狭缝切换机构和分光系统；双狭缝切换机构包括可调整的切换棱镜(3)、第一狭缝(4)和第二狭缝(5)，分光系统包括准直镜(7)、分光棱镜(8)、中阶梯光栅(9)、聚焦镜(10)、面阵CCD(11)；从第一狭缝(4)或第二狭缝(5)出射的光束经准直镜(7)准直为平行光束，经分光棱镜(8)、中阶梯光栅(9)、聚焦镜(10)反射聚焦至探测器的面阵CCD(11)，面阵CCD(11)能够分别接收短波波段和长波波段两个波段的光谱信息。该系统具有高光谱分辨率、短波波段系统光通量大、有效缓解衍射级次干扰的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学系统设计、光学仪器技术领域，特别是涉及一种双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统。
背景技术
近年来，原子发射光谱仪正不断向全谱直读、智能化、小型化、低分析成本的方向发展。分光系统作为原子发射光谱仪的核心部分，直接决定整体仪器的性能水平。
目前，常见的光谱仪结构有Czerny-Turner，Paschen-Runge结构、平场凹面光栅分光系统、中阶梯光栅二维分光系统等。其中高分辨率中阶梯光栅二维分光系统是以低色散棱镜与高色散中阶梯光栅交叉色散的全谱光谱仪，它采用纵向色散，配合中阶梯光栅高衍射级次的横向色散，在像面上形成二维谱图，并以面阵探测器采集二维谱图，具有波段范围宽、分辨率高、体积小、灵敏度高、瞬态测量等优点，已成为原子发射光谱分析技术研究的重点。例如，本申请人(钢研纳克检测技术有限公司)于2012年12月5日申请的发明专利No.201210518400.2‘一种紫外二维全谱高分辨光学系统’，(公开号CN 102967367B)。该发明专利中所述的光学系统采用中阶梯光栅和常规凹面光栅相结合的分光系统，利用带通滤波片的切换实现所测波段120nm-240nm和240nm-480nm的分时复用。该项技术避免由于棱镜非线性色散带来的光谱分布不均匀，但波长范围仅为120nm-480nm，波段有限，无法良好的满足原子发射光谱仪的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，改进了基于中阶梯光栅和棱镜交叉色散的二维高分辨光学系统，将全谱波段分为两部分，合理设计光学系统，充分利用探测面感光面积，有效缓解棱镜色散方向的衍射级次之间的干扰；采用不同尺寸的双狭缝切换，在保证全谱波段高分辨率的前提下，提高了短波波段的系统光通量；全波段谱图分两次采集，实现小面阵CCD宽波段高分辨谱图信息的采集，降低仪器成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，包括：光源1、前置光路2，该系统的光路中还依次包括双狭缝切换机构和分光系统；
其中，双狭缝切换机构包括：可调整的切换棱镜3、第一狭缝4、第二狭缝5，所述切换棱镜3的位置可调整为置于或离开前置光路2聚焦的主光路上，实现将光束切换为轴上光束或离轴光束，聚焦至第一狭缝4或第二狭缝5；
分光系统包括：准直镜7、分光棱镜8、中阶梯光栅9、聚焦镜10、面阵CCD11；分别从第一狭缝4或第二狭缝5出射的光束经准直镜7准直为平行光束，经分光棱镜8一次透射后，经中阶梯光栅9衍射，出射光束再经分光棱镜8二次透射后照射到聚焦镜10上，光束经聚焦镜10反射聚焦至探测器的面阵CCD11，面阵CCD11能够分别接收短波波段和长波波段两个波段的光谱信息；
所有组件通过定位及固定装置固定在光学平台上，以保证各个组件的空间相对位置。
所述双狭缝切换机构进一步包括用于调整切换棱镜3位置的气缸6。
所述第一狭缝4和第二狭缝5为设置在同一光学平面的、相邻的两组狭缝。
所述轴上光束、离轴光束分别聚焦至第一狭缝4或第二狭缝5。
第一狭缝4或第二狭缝5的出射光束分别对应短波波段和长波波段的光谱信息。
当需要光束聚焦至第一狭缝4处时，气缸6推动切换棱镜3离开光路，轴上光束通过第一狭缝4进入分光系统，光束照射到准直镜7上，经准直镜7准直为平行光束，分光棱镜8透射后，经中阶梯光栅9衍射，再经分光棱镜8透射后照射到聚焦镜10上，光束经聚焦镜10反射聚焦至探测器面阵CCD11，此时的光束经分光棱镜8和中阶梯光栅9交叉色散后，能够被面阵CCD11接收的是短波波段的光谱信息；
当需要光束聚焦至第二狭缝5处时，气缸6推动切换棱镜3置于前置光路2聚焦的主光路上，前置光路2聚焦的光束经切换棱镜3折返后产生离轴光束，该离轴光束通过第二狭缝5进入分光系统，进入分光系统的光束照射到准直镜7上，经准直镜7准直为平行光束，分光棱镜8透射后，经中阶梯光栅9衍射，再经分光棱镜8透射后照射到聚焦镜10上，光束经聚焦镜10反射聚焦至面阵CCD11，此时能够被面阵CCD11接收的是长波波段的光谱信息。
中阶梯光栅9的闪耀角范围在70°～80°之间。
第一狭缝4和第二狭缝5的形状均为圆形孔，但狭缝尺寸不一致，第一狭缝4的直径大于第二狭缝5的直径。
本发明的有益效果是：
本发明利用双狭缝切换装置，将全谱波段范围分为两部分，分别采集两个波段的谱图，充分利用面阵CCD，有效避免长波波段相邻衍射级次间的干扰，实现全谱波段范围二维高分辨率的快速测量。
本发明选择闪耀角足够大的中阶梯光栅，能够获得很高的高光谱分辨率；
本发明在整个波段范围内采用不同尺寸的狭缝，在保证光谱分辨率的同时，提高短波波段的系统光通量；
该光学系统具有高光谱分辨率、短波波段系统光通量大、有效缓解衍射级次干扰、全谱二维成像、探测器利用率高等显著优点。
附图说明
图1a为本发明的双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪分光系统中的前置光路及狭缝切换机构的一条光路(轴上光束)的结构示意图；
图1b为本发明的双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪分光系统中的前置光路及狭缝切换机构的另一条光路(离轴光束)的结构示意图；
图2为本发明的双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪分光系统中分光系统的结构示意图；
图3a为本发明的双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统采集的短波波段(178-230nm)的谱图示意图；
图3b是本发明的双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统采集的长波波段(225-550nm)的谱图示意图；
图4为现有技术中的全谱波段范围(178-550nm)一次采集的谱图示意图。
附图标记：
1光源 2前置光路 3切换棱镜
4第一狭缝 5第二狭缝 6气缸
7准直镜 8分光棱镜 9中阶梯光栅
10聚焦镜 11面阵CCD
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的设计思想在于利用双狭缝切换机构将全谱波段分为轴上光束(短波波段)和离轴光束(长波波段)光路复用两部分，简化整体光路，充分利用探测器像面面积，有效缓解长波波段相邻衍射级次相互干扰的情况；利用不同尺寸的狭缝进行切换，在保证光谱分辨率的前提下，提高短波波段的系统光通量。
一种双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统，包括：光源1、前置光路2、双狭缝切换机构、分光系统。
其中，双狭缝切换机构包括切换棱镜3、第一狭缝4、第二狭缝5和气缸6，气缸6用于推动切换棱镜3位置的偏移与恢复，实现光束在第一狭缝4和第二狭缝5的切换；分光系统包括准直镜7、分光棱镜8、中阶梯光栅9、聚焦镜10、面阵CCD11。
所有组件通过定位及固定装置固定在光学平台上，以保证各个组件的空间相对位置。
光源1作为该光学系统的出发点，光源1发出的光束经前置光路2将光束聚焦至狭缝切换机构。
如图1a所示，当光束聚焦至第一狭缝4处时，气缸6推动切换棱镜3偏离光路，当切换棱镜3偏离前置光路2聚焦的主光路时，光束通过第一狭缝4进入分光系统，即轴上光束通过入射狭缝4进入分光系统。
如图2所示，进入分光系统的光束照射到准直镜6上，经准直镜7准直为平行光束，分光棱镜8透射后，经中阶梯光栅9衍射，再经分光棱镜8透射后照射到聚焦镜10上，光束经聚焦镜10反射聚焦至面阵CCD11，此时的光束经分光棱镜8和中阶梯光栅9交叉色散后，能够被面阵CCD10接收的是短波波段(轴上光束)的谱图信息。
如图1b所示，当光束聚焦至第二狭缝5处时，切换棱镜3置于前置光路2聚焦的主光路，前置光路2聚焦的光束经切换棱镜3折返后，经第二狭缝5进入分光系统，即离轴光束通过第二狭缝5进入分光系统。
如图2所示，进入分光系统的光束照射到准直镜7上，经准直镜7准直为平行光束，分光棱镜8透射后，经中阶梯光栅9衍射，再经分光棱镜8透射后照射到聚焦镜10上，光束经聚焦镜10反射聚焦至面阵CCD11，此时能够被面阵CCD11接收的是长波波段(离轴光束)的谱图信息。
根据面阵CCD11的有效感光面积，选择闪耀角范围在70°～80°之间的中阶梯光栅9，确保在全谱波段范围内具有很高的光谱分辨率。
第一狭缝4和第二狭缝5的形状均为圆形孔，但狭缝尺寸不一致，第一狭缝4的直径大于第二狭缝5的直径，保证光谱分辨率的同时，提高紫外波段的系统光通量。
本申请使用气缸6推动狭缝切换棱镜3位置的偏移与恢复，实现第一狭缝4和第二狭缝5的切换。所选用的气缸6性能稳定，且切换结构机械加工精度完全能够保证切换棱镜的稳定切换。
本申请将整个波段分为两个波段分别实现谱图信息的采集，两个波段分别充分利用探测器CCD像面感光面积。
实施例
在本实施例中，该光学系统所采用的波长范围设计为178-550nm，且不仅限于此波长范围。
所选的气缸6为SMC微型气缸CJ1系列，性能稳定，保证切换棱镜3的稳定切换。
图3a、图3b是本实施例的光学系统分别采集的短波波段和长波波段的谱图示意图，图4是现有技术中的全谱一次成像的谱图示意图。
可以明显看出，图3a、图3b在长波波段相邻衍射级次之间的间隔相比图4得到有效缓解。图3b中长波波段550nm附近相邻衍射级次之间的间隔为3.5pixel，178nm附近相邻衍射级次之间的间隔为21.9pixel。相应的如图4中，550nm附近相邻衍射级次之间的间隔为2.0pixel，178nm附近相邻衍射级次之间的间隔为12.6pixel，采用双狭缝切换的二维高分辨光谱仪光学系统，可以把相邻衍射级次之间的间隔在原基础上增大了65％以上，大大缓解衍射级次之间的干扰。
Claims (8)
1.一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，包括：光源(1)、前置光路(2)，其特征在于：该系统的光路中还依次包括双狭缝切换机构和分光系统；
其中，双狭缝切换机构包括：可调整的切换棱镜(3)、第一狭缝(4)、第二狭缝(5)，所述切换棱镜(3)的位置可调整为置于或离开前置光路(2)聚焦的主光路上，实现将光束切换为轴上光束或离轴光束，聚焦至第一狭缝(4)或第二狭缝(5)；
分光系统包括：准直镜(7)、分光棱镜(8)、中阶梯光栅(9)、聚焦镜(10)、面阵CCD(11)；分别从第一狭缝(4)或第二狭缝(5)出射的光束经准直镜(7)准直为平行光束，经分光棱镜(8)一次透射后，经中阶梯光栅(9)衍射，出射光束再经分光棱镜(8)二次透射后照射到聚焦镜(10)上，光束经聚焦镜(10)反射聚焦至探测器的面阵CCD(11)，面阵CCD(11)能够分别接收短波波段和长波波段两个波段的光谱信息；
所有组件通过定位及固定装置固定在光学平台上，以保证各个组件的空间相对位置。
2.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：所述双狭缝切换机构进一步包括用于调整切换棱镜(3)位置的气缸(6)。
3.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：所述第一狭缝(4)和第二狭缝(5)为设置在同一光学平面的、相邻的两组狭缝。
4.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：所述轴上光束、离轴光束分别聚焦至第一狭缝(4)或第二狭缝(5)。
5.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：第一狭缝(4)或第二狭缝(5)的出射光束分别对应短波波段和长波波段的光谱信息。
6.根据权利要求2所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：
当需要光束聚焦至第一狭缝(4)处时，气缸(6)推动切换棱镜(3)离开光路，轴上光束通过第一狭缝(4)进入分光系统，光束照射到准直镜(7)上，经准直镜(7)准直为平行光束，分光棱镜(8)透射后，经中阶梯光栅(9)衍射，再经分光棱镜(8)透射后照射到聚焦镜(10)上，光束经聚焦镜(10)反射聚焦至探测器面阵CCD(11)，此时的光束经分光棱镜(8)和中阶梯光栅(9)交叉色散后，能够被面阵CCD(11)接收的是短波波段的光谱信息；
当需要光束聚焦至第二狭缝(5)处时，气缸(6)推动切换棱镜(3)置于前置光路(2)聚焦的主光路上，前置光路(2)聚焦的光束经切换棱镜(3)折返后产生离轴光束，该离轴光束通过第二狭缝(5)进入分光系统，进入分光系统的光束照射到准直镜(7)上，经准直镜(7)准直为平行光束，分光棱镜(8)透射后，经中阶梯光栅(9)衍射，再经分光棱镜(8)透射后照射到聚焦镜(10)上，光束经聚焦镜(10)反射聚焦至面阵CCD(11)，此时能够被面阵CCD(11)接收的是长波波段的光谱信息。
7.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：
中阶梯光栅(9)的闪耀角范围在70°～80°之间。
8.根据权利要求1所述的一种双狭缝切换的二维高分辨率光谱仪光学系统，其特征在于：
第一狭缝(4)和第二狭缝(5)的形状均为圆形孔，但狭缝尺寸不一致，第一狭缝(4)的直径大于第二狭缝(5)的直径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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