CN112219108A - 光谱仪和包括光谱仪的仪器 - Google Patents

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Abstract

本文描述了包括中阶梯光栅和交叉色散器的光谱仪以及包括此类光谱仪的仪器的某些配置。所述光谱仪被配置为在空间上分离所提供的波长的光以准许检测每种所提供的波长的光或对每种所提供的波长的光进行成像。可使用本文描述的所述光谱仪来实现改善的灵敏度和检测限。

Description

光谱仪和包括光谱仪的仪器
相关申请
本申请要求在2018年5月7日提交的美国临时专利申请第62/667,973号的优先权，所述申请的内容明确以引用的方式整体并入本文。本申请还要求在2018年8月10日提交的美国专利申请第16/100,587号的优先权，所述申请的内容明确以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本文描述了可用于选择一种或多种波长的光的光谱仪的特定配置。在一些示例中，所述光谱仪可在具有较好的检测限的宽波长范围内提供光分离。
背景技术
光谱仪可用于将各种波长的光分离为单独的波长。许多光谱仪包括折射部件和/或反射部件。通常观察到光谱重叠，这会减小准确度、降低检测限并且可能会提供较差的成像分辨率。
发明内容
描述了光谱仪和包括光谱仪的仪器和系统的某些方面、配置、实施方案和示例。
一个或多个方面涉及具有快速准直器和多反射镜非球面成像器的中阶梯(Echelle)光谱仪。如本文所描述，可经由流控地耦合到样本引入装置的电感耦合等离子体焊枪来获得来自样本的光。可选地，可从其他来源接收光。
在下文更详细地描述额外的方面、配置、实施方案和示例。
附图说明
在下文参考附图描述光谱仪和其部件的某些特定配置，在附图中：
图1是根据某些示例的光谱仪的图解；
图2是根据某些配置的在反射望远镜中存在的某些部件的图解；
图3A、图3B、图3C、图3D、图3E和图3F是根据一些示例的在光谱仪的反射望远镜中可能存在的某些部件的图解；
图4是根据一些实施方案的光谱仪的图解；
图5是根据某些实施方案的光学发射仪器的图解；
图6是根据一些示例的电感耦合等离子体的图解；
图7是根据一些示例的电感耦合等离子体的另一图解；
图8是根据一些实例的包括径向翅片的感应装置的图解；并且
图9是根据某些实例的光谱仪的图解。
受益于本公开的本领域技术人员将认识到，图中的部件的确切布置、大小和定位不一定按比例或不一定是所需的。一个部件相对于另一部件的特定大小和角度可改变，以从所述部件或包括所述部件的光谱仪提供期望的响应或输出。
具体实施方式
在下文描述包括彼此光学耦合的多个独立的光学元件的光谱仪的某些配置。虽然所述光学元件的确切类型和布置可取决于来自光谱仪的期望的光学输出而改变，但是所述光谱仪可包括位于壳体内并且彼此光学耦合的两个、三个、四个、五个或更多个独立的光学元件。
以下某些图解涉及用于位置参考的术语“上游”和“下游”。在第二光学元件的上游的第一光学元件在光学上比第二部件更靠近入口狭缝。例如，当第一部件位于第二部件的上游时，入射光将先到达所述第一部件，之后才到达所述第二部件。在第一光学元件的下游的第二光学元件在光学上比第一部件更远离入口狭缝。例如，当第二部件位于第一部件的下游时，入射光将先到达所述第一部件，之后才到达所述第二部件。这些术语不意图将光学元件的确切布置限于任何一种所描述的图解，而是用于增强描述的清晰性。
在一个方面，公开了电感耦合等离子体光学发射仪器。在某些示例中，所述仪器包括样本引入装置。在其他示例中，所述仪器包括流控地耦合到所述样本引入装置的焊枪。在一些实例中，所述仪器包括感应装置，所述感应装置被配置为将射频能量提供到所述焊枪中以维持所述焊枪中的电感耦合等离子体。所述仪器可包括光谱仪，所述光谱仪被配置为接收和选择在约165nm到约950nm的整个波长范围内的波长的光。例如，所述光谱仪包括入口狭缝，所述入口狭缝光学耦合到焊枪中的电感耦合等离子体并且被配置为从所述焊枪中的所述电感耦合等离子体中的分析物物种接收光发射。所述光谱仪包括光学耦合到所述入口狭缝的准直器。所述光谱仪包括中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散。所述光谱仪包括双通光学色散器，所述双通光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光。所述光谱仪包括反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述双通光学色散器并且被配置为从所述双通光学色散器接收所述交叉色散的光，其中所述反射式三合望远镜被配置为提供来自分析物物种的所接收的光发射中的一种或多种波长的光，其中由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。所述光谱仪还可包括检测器，所述检测器光学耦合到所述光谱仪并且被配置为接收在空间上分离的一种或多种所提供的波长的光。
在一些示例中，所述光谱仪的双通光学色散器包括双通反射棱镜。在其他示例中，所述反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。在一些配置中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在一些配置中，主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。
在一些示例中，准直器包括离轴抛物面。在某些实例中，准直器的f#是3并且准直器的离轴角为14度。在其他实例中，准直器的焦距为约255mm。在一些示例中，旋转对称的非球面表面是12阶旋转对称的非球面表面。在某些实施方案中，中阶梯光栅包括62度的闪耀角和每毫米79排的凹槽密度。
在某些配置中，光谱仪的光谱分辨率在220nm处为约0.006nm。
在其他配置中，光谱仪的双通光学色散器包括棱栅、双通反射棱栅、双通反射棱镜、折射棱镜、反射光栅或折射光栅。
在一些实例中，光谱仪的双通光学色散器包括双通反射棱镜，其中反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜，其中主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括12阶的旋转对称的非球面表面。
在其他实例中，其中主反射镜包括光学耦合到双通光学色散器的凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括光学耦合到主反射镜的凹形非球面双曲面表面的凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括光学耦合到次反射镜的凸形非球面椭球面表面的凹形非球面双曲面表面。
在一些示例中，检测器包括电荷耦合装置相机或互补金属氧化物半导体检测器。
在其他示例中，感应装置被配置为感应线圈或板状电极。
在一些实例中，光谱仪包括电耦合到感应装置的射频发生器。
在某些配置中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者或两者包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在另一方面，描述了一种光谱仪，所述光谱仪被配置为接收和选择在约165nm到约950nm的波长范围内的波长的光。在一些配置中，所述光谱仪包括：入口狭缝，所述入口狭缝被配置为接收光；准直器，所述准直器光学耦合到所述入口狭缝；中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；双通光学色散器，所述双通光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光；以及反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述双通光学色散器并且被配置为从所述双通光学色散器接收所述交叉色散的光。例如，所述反射式三合望远镜可被配置为提供所接收的光中的一种或多种波长的光，其中由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。
在某些示例中，所述光谱仪的双通光学色散器包括双通反射棱镜。在其他示例中，所述反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。在一些实例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在某些配置中，主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。在其他示例中，准直器包括离轴抛物面。在一些实例中，准直器的f#是3并且准直器的离轴角为14度。在其他示例中，准直器的焦距为约255mm。在一些实施方案中，旋转对称的非球面表面是12阶旋转对称的非球面表面。在一些示例中，中阶梯光栅包括62度的闪耀角和每毫米79排的凹槽密度。
在某些实施方案中，光谱仪的光谱分辨率在220nm处为约0.006nm。
在其他实施方案中，光谱仪的双通光学色散器包括棱栅、双通反射棱栅、双通反射棱镜、折射棱镜、反射光栅或折射光栅。
在一些示例中，光谱仪的双通光学色散器包括双通反射棱镜，其中反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜，其中主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括12阶的旋转对称的非球面表面。
在其他示例中，主反射镜包括光学耦合到双通光学色散器的凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括光学耦合到主反射镜的凹形非球面双曲面表面的凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括光学耦合到次反射镜的凸形非球面椭球面表面的凹形非球面双曲面表面。
在一些示例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括自由形态的旋转非对称的表面形状。在其他示例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括非球面表面形状。在某些示例中，三级反射镜包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在其他实例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的两者包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括非球面表面形状。
在另一方面，一种电感耦合等离子体光学发射仪器包括：样本引入装置；焊枪，所述焊枪流控地耦合到所述样本引入装置；感应装置，所述感应装置被配置为将射频能量提供到所述焊枪中以维持所述焊枪中的电感耦合等离子体；以及光谱仪，所述光谱仪被配置为接收和选择在约165nm到约950nm的整个波长范围内的波长的光。在一些配置中，所述光谱仪包括入口狭缝，所述入口狭缝光学耦合到焊枪中的电感耦合等离子体并且被配置为从所述焊枪中的所述电感耦合等离子体中的分析物物种接收光发射。在其他配置中，所述光谱仪包括光学耦合到所述入口狭缝的准直器。在一些实施方案中，所述光谱仪包括中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散。在额外的实例中，所述光谱仪包括光学色散器，所述光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光。在某些示例中，所述光谱仪包括反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述光学色散器并且被配置为从所述光学色散器接收交叉色散的光。例如，所述反射式三合望远镜包括多个独立且分开的旋转对称的非球面表面。所述反射式三合望远镜可被配置为提供来自分析物物种的所接收的光发射中的一种或多种波长的光。由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光可在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。所述光谱仪还可包括检测器，所述检测器光学耦合到所述光谱仪并且被配置为接收在空间上分离的一种或多种所提供的波长的光。
在某些示例中，所述反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。例如，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在一些示例中，主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。在其他示例中，准直器包括离轴抛物面。在某些实例中，准直器的f#是3并且准直器的离轴角为14度。在一些实施方案中，准直器的焦距为约255mm。
在一些示例中，多个独立且分开的旋转对称的非球面表面各自是12阶旋转对称的非球面表面。
在某些配置中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者或两者包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括除了自由形态的旋转非对称的表面形状之外的形状。在一些示例中，三级反射镜包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在额外的方面，描述了一种光谱仪，所述光谱仪被配置为接收和选择在约165nm到约950nm的整个波长范围内的波长。在一些配置中，所述光谱仪包括：入口狭缝，所述入口狭缝被配置为接收光；准直器，所述准直器光学耦合到所述入口狭缝；中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；光学色散器，所述光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光；以及反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述光学色散器并且被配置为从所述光学色散器接收所述交叉色散的光。在一些实例中，所述反射式三合望远镜包括多个独立且分开的旋转对称的非球面表面。所述反射式三合望远镜可被配置为提供所接收的光中的一种或多种波长的光。由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光可在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。
在一些示例中，所述反射式三合望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。在其他示例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在一些示例中，主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。在其他示例中，准直器包括离轴抛物面。在一些示例中，准直器的f#是3并且准直器的离轴角为14度。在其他实施方案中，准直器的焦距为约255mm。
在某些实例中，多个独立且分开的旋转对称的非球面表面各自是12阶旋转对称的非球面表面。
在一些示例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者或两者包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括除了自由形态的旋转非对称的表面形状之外的形状。在其他示例中，三级反射镜包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在另一方面，描述了一种光谱仪，所述光谱仪被配置为：接收光学发射，所述光学发射包括从电感耦合等离子体中的多种分析物物种的光学发射产生的多种光波长；以及将选定波长的光提供给检测器。在一些配置中，所述光谱仪包括：入口狭缝，所述入口狭缝被配置为接收包括多种光波长的光学发射；第一光学装置，所述第一光学装置光学耦合到所述入口狭缝并且被配置为使包括所述多种光波长的所接收的光学发射色散；双通光学色散装置，所述双通光学色散装置光学耦合到所述第一光学装置并且被配置为从所述第一光学装置接收色散的光学发射，所述双通光学色散装置被配置为使从所述第一光学装置接收的所述色散的光学发射交叉色散；以及望远镜装置，所述望远镜装置光学耦合到第二光学装置，所述望远镜装置包括多个反射光学元件，所述多个反射光学元件彼此光学耦合并且一起被配置为提供所接收的多种光波长中的一种或多种波长的光，其中由所述望远镜装置提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离，以准许检测每种所提供的波长的光。
在某些示例中，所述望远镜装置包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。在其他示例中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在一些示例中，主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。
在某些示例中，所述第一光学装置包括离轴抛物面准直器。在一些实施方案中，准直器的f#是3并且准直器的离轴角为14度。在其他示例中，准直器的焦距为约255mm。
在一些示例中，所述多个反射光学元件中的每一者包括旋转对称的非球面表面。在一些实例中，旋转对称的非球面表面中的每一者是12阶旋转对称的非球面表面。
在其他配置中，主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者或两者包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者包括除了自由形态的旋转非对称的表面形状之外的形状。在一些实施方案中，三级反射镜包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在另一方面，提供了检测电离装置中的分析物物种的同时光学发射的方法。所述方法可包括在空间上分离同时光学发射中的每种所发射的波长，以准许在约165nm到约950nm的波长范围内检测每种分析物物种。
在某些示例中，所述方法包括将同时光学发射提供到光谱仪，所述光谱仪包括：准直器；中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；光学色散器，所述光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光；以及反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述光学色散器并且被配置为从所述光学色散器接收所述交叉色散的光，其中所述反射式三合望远镜包括多个独立且分开的旋转对称的非球面表面，其中所述反射式三合望远镜被配置为提供来自分析物物种的所提供的光学发射中的一种或多种波长的光，其中由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离，以准许检测每种所提供的波长的光。
在一些示例中，所述方法包括将所述反射式三合望远镜配置为包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。在其他实例中，所述方法包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的每一者配置为包括旋转对称的非球面表面。在一些示例中，所述方法包括将主反射镜配置为包括凹形非球面双曲面表面；将次反射镜配置为包括凸形非球面椭球面表面；以及将三级反射镜配置为包括凹形非球面双曲面表面。在某些示例中，光谱仪的光谱分辨率在220nm处为约0.006nm。在其他示例中，所述方法包括将旋转对称的非球面表面各自配置为12阶旋转对称的非球面表面。
在一些配置中，所述方法包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者配置为包括自由形态的旋转非对称的表面形状。在其他配置中，所述方法包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者配置为包括非球面表面形状。在一些示例中，所述方法包括将三级反射镜配置为包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
在某些示例中，描述了一种光谱仪，所述光谱仪被配置为接收在约165nm到约950nm的波长范围内的多种波长的光，并且在空间上分离每种波长的光以至少提供0.01nm的光谱分辨率。在一些配置中，所述光谱仪包括多个单独的光学元件。例如，第一光学元件可被配置为接收多种波长的光并且使所接收的多种波长的光色散。第二光学元件可光学耦合到所述第一光学元件并且可被配置为从所述第一光学元件接收色散的多种波长的光并且使所述色散的多种波长的光交叉色散。第三光学元件可光学耦合到所述第二光学元件。所述第三光学元件包括至少一个旋转对称的非球面表面。所述第三光学元件可被配置为从所述第二光学元件接收交叉色散的多种波长的光，并且在空间上分离所接收的交叉色散的多种波长的光以准许检测多种波长的光中的每种波长的光。
在某些配置中且参看图1，示出了光谱仪的一般示意图。光谱仪100包括壳体110，所述壳体包括彼此光学耦合的两个或更多个光学元件115、120。壳体110包括入口狭缝112和出口狭缝114。光学输入，例如包括多种不同波长的光，可通过入口狭缝112进入到壳体110中。光学元件115、120(和任选地未示出的其他光学元件)可对入射的光学输入111执行一种或多种光学操作，并且通过出口狭缝114提供所得的光学输出121。在典型的操作中，包括从约165nm到约950nm变化的多个波长范围的入射光可入射在第一光学元件115上。壳体110内的各种光学元件可将光分离为单独的波长，因此在入射光束中存在的波长中不存在光谱重叠或存在最小的光谱重叠。每种分离的波长的光可入射在检测器(例如，在下文图5中示出的检测器540)上，所述检测器光学耦合到光谱仪100的出口狭缝114。如在下文更多地叙述，可对检测器进行选择，使得检测在入射光束中存在的所有波长的同时检测。在需要时，可测量波长和强度两者以准许将可发射光的各种分析物物种定量。
在本文描述的各种配置中，入口狭缝和出口狭缝的高度和宽度可改变并且可相同或可不同。在一些示例中，入口狭缝和出口狭缝中的每一者的狭缝高度可独立地在约50微米到约500微米之间变化，其中当检测小于200nm的波长时，通常选择在350微米到400微米左右的狭缝高度。入口狭缝和出口狭缝中的每一者的狭缝宽度可独立地在约5微米到约50微米之间变化，其中通常使用在10微米到30微米左右的狭缝宽度。
在某些实例中，所述光谱仪可包括反射式三合望远镜或成像器。参看图2，示出了反射式三合望远镜或成像器(统称为210)。在不希望被任何特定理论束缚的同时，反射式三合望远镜210被配置为提供在入射光束中存在的一种或多种波长的光，例如在来自一种或多种分析物物种的所接收的光发射中存在的一种或多种波长的光。反射式三合望远镜被设计成至少部分地在空间上使一种或多种波长的光与其他波长的光分离，以准许检测在入射光束或光学输入中存在的每种波长的光。例如，可将在空间上分离的波长的光提供到二维检测器，以准许使用由所述检测器检测到的值来重建图像。在某些实例中，反射式三合望远镜210包括光学耦合到第二光学元件214的第一光学元件212。第二光学元件216光学耦合到第三光学元件216。光学元件212、214和216的确切定位和角度可依据光学元件212、214和216中的每一者的确切配置而变(如在下文更详细地论述)。在一些实例中，光学元件212、214和216中的一者可被配置为反射光学元件，诸如反射镜。在一些实例中，光学元件212、214和216中的两者可被配置为反射光学元件，诸如反射镜，其中所述两个反射光学元件视需要为相同或不同的。在一些实例中，光学元件212、214和216中的所有三者可被配置为反射光学元件，诸如反射镜，其中所述三个反射光学元件视需要为相同或不同的。
在某些示例中，光学元件212、214和216中的每一者的表面可采取不同的形式和不同的配置，包括(但不限于)非球面表面形状、旋转对称的非球面表面形状、非球面双曲面表面形状和/或凸形非球面椭球面表面形状。在不希望被任何一种配置束缚的同时，在光谱仪内使用一个或多个光学元件的非球面表面可减小光谱仪的整体大小，降低成本并且可增强其性能。类似地，各种光学元件212、214、216的确切曲率可变化。在一些示例中，中央光学元件214可以是凸形光学元件，并且光学元件212、216中的一者或两者可以是凹形光学元件。例如，中央光学元件214可包括凸形非球面表面，并且光学元件212、216中的一者或两者可包括凹形非球面表面。在某些特定配置中，反射式三合望远镜200的中央光学元件214可包括凸形非球面椭球面表面，并且光学元件212、216可包括可为相同或可为不同的凹形非球面双曲面表面。在光学元件212、214和216包括旋转对称的非球面表面的情况下，非球面表面的确切阶数可独立地变化，例如2阶到12阶，其中在一些实例中针对光学元件212、214和216中的每一者选择12阶。
在某些示例中，为了确定其中存在凹形非球面双曲面表面的主反射镜的确切配置，可使用等式1
Figure BDA0002814305260000141
其中z是表面下垂度，c是表面的曲率，r是半径，ri是第i个幂的半径，k是圆锥常数，并且a项是非球面系数。第一光学元件212的确切尺寸可(例如)在从约140mm到180mm的直径范围内变化。为了确定其中存在凸形非球面椭球面表面的次反射镜的确切配置，可使用等式1。第二光学元件214的确切尺寸可(例如)在从约80mm到100mm的直径范围内变化。为了确定其中存在凹形非球面双曲面表面的三级反射镜的确切配置，可使用等式1。第三光学元件216的说明性尺寸可从约150mm到170mm的高度范围到约150mm到170mm的宽度范围变化。
在某些实施方案中，光学元件212、214和216中的一者可包括除了非对称的表面形状之外的表面形状。例如，在一些实例中，光学元件216包括自由形态的表面形状，并且光学元件212、214包括除了自由形态的表面形状之外的表面形状。在其他实例中，光学元件216包括自由形态的表面形状并且光学元件212、214中的一者包括自由形态的表面形状，并且另一光学元件212、214包括除了自由形态的表面形状之外的表面形状。例如，光学元件212、214和216中的一者或两者可包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且光学元件212、214和216中的一者可包括除了自由形态的旋转非对称的表面形状之外的表面形状。在一些示例中，光学元件216包括自由形态的旋转非对称的表面形状，并且其他两个光学元件包括除了自由形态的旋转非对称的表面形状之外的表面形状。例如在US 8,616,712、US20060268282和US 6,313,951中描述了说明性自由形态的旋转非对称的表面形状和其他表面形状，并且在此以引用的方式并入。
在某些配置中，虽然三个光学元件212、214和216被示出为存在于反射式三合望远镜210中，但在需要时，还可存在额外的光学元件。例如，反射望远镜可包括彼此光学耦合的四个光学元件、彼此光学耦合的五个光学元件或彼此光学耦合的六个光学元件。在需要时，额外的光学元件和部件可位于其他光学元件中的任何一者或多者之间。
在某些实例中，反射望远镜的第一光学元件可包括与在图3A(侧视图)和图3B(前视图)中示出的非球面表面类似的非球面表面。光学元件310包括反射表面312，所述反射表面可用于对入射光执行光学操作，例如以期望的角度反射所述光。用于生产光学元件310的确切材料可变化，并且说明性材料包括(但不限于)铝、硼硅玻璃、微晶玻璃和可3D打印金属。表面312可被抛光、镀镍和后抛光，或者在需要时以其他方式进行处理以提供合意的形状和/或光学性质。在一些示例中，表面312包括自由形态表面、非球面表面、对称表面或非对称表面。图3A中的特定表示示出了凹形非球面双曲面表面，但如本文所述，替代地可使用其他表面形状。
在某些配置中，反射望远镜的第二光学元件(位于第一光学元件310的下游)可包括与在图3C(侧视图)和图3D(前视图)中示出的非球面表面类似的非球面表面。第二光学元件320包括反射表面322，所述反射表面可用于对入射光执行光学操作，例如以期望的角度反射所述光。用于生产光学元件320的确切材料可变化，并且说明性材料包括(但不限于)铝、硼硅玻璃、微晶玻璃和可3D打印金属。表面322可被抛光、镀镍和后抛光，或者在需要时以其他方式进行处理以提供合意的形状和/或光学性质。在一些示例中，表面322包括自由形态表面、非球面表面、对称表面或非对称表面。图3C中的特定表示示出了凸形非球面椭球面表面，但如本文所述，替代地可使用其他表面形状。
在某些配置中，反射望远镜的第三光学元件(位于第二光学元件320的下游)可包括与在图3E(侧视图)和图3F(前视图)中示出的非球面表面类似的非球面表面。第三光学元件330包括反射表面332，所述反射表面可用于对入射光执行光学操作，例如以期望的角度反射所述光。用于生产光学元件330的确切材料可变化，并且说明性材料包括(但不限于)铝、硼硅玻璃、微晶玻璃和可3D打印金属。表面332可被抛光、镀镍和后抛光，或者在需要时以其他方式进行处理以提供合意的形状和/或光学性质。在一些示例中，表面332包括自由形态表面、非球面表面、对称表面或非对称表面。图3E中的特定表示示出了凹形非球面双曲面表面，但如本文所述，替代地可使用其他表面形状。虽然未示出，但第三光学元件330通常光学耦合到下游检测器，以将来自光谱仪的光提供到所述检测器。
在某些配置中，可与在反射式三合望远镜中存在的光学元件组合地使用额外的光学元件。参看图4，示出了在光谱仪中存在的某些光学元件的框图。光谱仪400包括光学耦合到准直器410的入口狭缝405。准直器410光学耦合到光栅420。光栅420光学耦合到色散器430。所述色散器光学耦合到反射式三合望远镜440。在需要时，反射式三合望远镜440可光学耦合到检测器的入口(或任选的出口狭缝445)，以将来自光谱仪400的光学输出提供到下游的检测器。在下文更详细地考虑这些部件中的每一者。
在某些示例中，在光谱仪400中存在的准直器410被配置为缩窄通过入口狭缝405接收的入射的光学输入402，例如入射光束。例如，在光通过入口狭缝405进入到光谱仪400中时，所述光相对于准直器410的入射表面在不同方向上或以不同角度行进。准直器410可将发散的光有效地转换为平行光束。准直器410可被设计成提供光学输出(例如，光412)，使得由准直器410提供的光大体上平行或对准或聚焦在距准直器410期望的距离处。虽然准直器410的确切配置可变化，但在一些实例中，所述准直器可采取诸如离轴抛物面的抛物面形式。例如，离轴抛物面可将入射光聚焦到下游部件。依据在准直器410与下游部件之间的距离和角度，为准直器选择的确切f数(f#)和离轴角可变化，例如f#可在一到十或二到八之间变化，或者可为二、三或四或这些值之间的任何数。准直器410的离轴角通常小于30度，例如20度或更小或者15度或更小。准直器410的焦距可在从约200mm到约1500mm之间变化，其中对于本文描述的光谱仪来说，在250mm到300mm范围内的值是典型的。
在某些实施方案中，可将从准直器410提供的光412提供到光栅420。虽然所使用的确切光栅可变化，但所述光栅通常是中阶梯光栅。在不希望被任何特定配置束缚的情况下，中阶梯光栅包括低凹槽密度，但凹槽形状被配置为在高入射角度下使用。可使用中阶梯光栅与其他部件的组合来获得较高的衍射级，以提供不同波长的光的增加的空间分离。在典型的中阶梯光栅中，存在多个狭缝，所述多个狭缝的宽度与衍射的光的波长大致相同。在反射光栅的情况下，可将反射部分倾斜(闪耀)以将大部分光散射到所关注的期望方向(并且散射到特定衍射级)。对于多种波长的光，出现相同的一般结果，但有可能高阶的较长波长与下一阶的较短波长重叠。在中阶梯光栅中，有意地选择此行为，并且针对多个重叠高阶来优化闪耀。来自中阶梯光栅的所得的光学输出包括具有不同但重叠的波长范围的条纹。可使用下游的光学元件在垂直于中阶梯光栅的衍射平面的方向上提供空间分离，以准许检测在由光谱仪接收的入射的光学输入中存在的每种波长的光。所使用的确切闪耀角可取决于光谱仪的系统级规范，并且说明性闪耀角包括(但不限于)约40度到约90度，例如约60度到约65度。在光栅420上存在的凹槽密度还可在每毫米约10排到每毫米约100排之间变化，其中在本文描述的光谱仪中通常使用每毫米75排到85排的值。
在某些示例中，可将从光栅420提供的光学输出422提供到下游的光学色散器430，以使所述波长的光进一步色散或在空间上分离。在需要时，色散器430可替代地位于光栅420的上游，例如在准直器410与光栅420之间，以充当预色散器。在其他实例中，第一色散器可位于准直器410与光栅420之间，并且第二色散器可在光栅420的下游。色散器430可被配置为将光学输出432，例如交叉色散的光，提供到下游的光学部件，例如，提高到反射式三合望远镜的第一光学元件。虽然色散器430的确切配置可变化，但说明性配置包括(但不限于)折射棱镜、双通反射棱镜、双通折射棱镜、反射光栅、折射光栅、棱栅、双通反射棱栅或其他光学元件。尽管可将许多不同的光学元件用于色散器430，但色散器430一般将包括交叉色散的光的光学输出提供到反射式三合望远镜440的第一光学元件。从色散器430提供的光的光学输出角度可与入射在色散器430上的光的角度正交、几乎正交或不到正交，例如在入射光与所提供的光之间的角度可介于约0度与约180度之间。反射式三合望远镜440可与本文描述的那些图解类似地配置。反射式三合望远镜440通过出口狭缝445提供光学输出442，并且提供到光学耦合到光谱仪400的检测器(未示出)。
在某些示例中，本文描述的光谱仪可用于光学发射仪器中。在图5中示出了光学发射(OES)仪器的某些部件的框图。OES装置500包括样本引入装置510、电离装置520、光谱仪530和检测器或检测装置540。样本引入装置510可采取许多形式，诸如注射器、毛细管、用以将液态样本气雾化以便引入到电离装置520中的喷雾器等。在使用喷雾器的情况下，所述喷雾器可采取许多形式，包括横流式喷雾器、同心喷雾器和微流喷雾器。在使用注射器的情况下，所述注射器可采取具有小孔口的针、毛细管或其他管的形式。受益于本公开的本领域技术人员将选择额外的样本引入装置。例如，超声波脉冲液体输送装置、液滴生成器或微滴生成器也可用作样本引入装置或与样本引入装置一起使用。另外，喷雾器(或其他样本引入装置)可连接到一个或多个上游装置或仪器，例如液相色谱法装置、毛细管电泳装置、细胞分选器、细胞处置设备等。电离装置520可包括在图6至图8中所示的一个或多个部件或者可提供或维持电离源的其他装置和部件。检测器或检测装置540可采取众多形式，并且可以是可检测诸如光学发射525的光学发射的任何合适的装置。例如，检测器540可包括合适的光学器件，诸如透镜、反射镜、棱镜、窗、带通滤波器等。检测器540还可被配置为相机，诸如电荷耦合装置(CCD)相机、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器或其他类型的检测器。检测器540可被配置为检测大波长范围内的发射波长，包括(但不限于)紫外光、可见光、近红外光和远红外光等。如本文所述，可使用所述检测器来提供表示各种所发射的波长的二维图像。OES装置500还可包括合适的电子器件，诸如微处理器和/或计算机和合适电路，以提供期望的信号和/或用于数据采集。合适的额外装置和电路在本领域中是已知的并且可(例如)在市售的OES装置上找到，所述市售的OES装置诸如PerkinElmer Health Sciences公司市售的Optima 2100DV系列、Optima 5000DV系列OES装置、Optima 8000或8300系列OES装置、或Avio 200和Avio 500OES装置。光谱仪530可被配置为本文描述的光谱仪中的任一者。受益于本公开的本领域技术人员还将能够使用本文公开的光谱仪来改装现有的OES装置并且能够使用在这里公开的喷雾室来设计新的OES装置。所述OES装置还可包括自动进样器，诸如PerkinElmer Health Sciences公司市售的AS90和AS93自动进样器或可从其他供应商得到的类似装置。
在某些实施方案中，电离装置520的确切性质可变化，并且电离装置520的说明性类型包括(但不限于)电感耦合等离子体、电容耦合等离子体、微波诱导等离子体、低流等离子体、电弧、火花、火焰和可将样本(例如，包括无机材料或有机材料的样本)电离和/或雾化的其他高温或高能量源。在某些示例中，电离装置520可包括一个或多个焊枪和一个或多个感应装置。在图6至图8中示出电离装置的某些部件。例如在美国专利第9,433,073号和第9,360,403号中描述了说明性感应装置和焊枪，所述专利的全部公开内容在此以引用的方式并入本文以用于所有目的。参看图6，示出了包括焊枪610与感应装置或感应线圈620的组合的装置。感应线圈620通常电耦合到射频发生器(未示出)以将射频能量提供到焊枪610中并且维持电感耦合等离子体650。样本引入装置将样本气雾化并且将样本提供到等离子体650。等离子体650可电离或雾化并激发样本中的金属物种，并且可使用如本文描述的光谱仪来分离来自受激物种的光发射，并且随后使用检测器来检测所述光发射。
在替代性配置中，可使用一个或多个板状电极来取代感应线圈620。举例来说并且参看图7，第一板状电极720和第二板状电极721被示出为包括可接收焊枪710的孔口。例如，可将焊枪710放置在包括板状电极720、721的感应装置的某一区域内。可使用焊枪710和来自板状电极720、721的感应能量来维持等离子体或其他电离/雾化源750，诸如电感耦合等离子体。射频发生器730被示出为电耦合到板状电极720、721中的每一者。在需要时，替代地可使用仅单个板状电极。在典型的配置中，喷雾器流控地耦合到焊枪710以将液体提供到等离子体750中。等离子体750可电离或雾化并激发样本中的金属物种，并且可使用如本文描述的光谱仪来分离来自受激物种的光发射，并且随后使用检测器来检测所述光发射。
在其他配置中，可替代地与本文描述的光谱仪组合地使用包括一个或多个径向翅片的感应装置。参看图8，装置或系统可包括感应线圈820，所述感应线圈包括至少一个径向翅片和焊枪810。可使用焊枪810和来自沿径向带翅片的感应装置820的感应能量来维持等离子体或其他电离/雾化源(未示出)，诸如电感耦合等离子体。射频发生器(未示出)可电耦合到感应线圈820以将射频能量提供到焊枪810中。样本引入装置可将样本气雾化并且将样本提供到等离子体。等离子体可电离或雾化并激发样本中的金属物种，并且可使用如本文描述的光谱仪来分离来自受激物种的光发射，并且随后使用检测器来检测所述光发射。
在其他实例中，可与本文描述的光谱仪组合地使用一个或多个电容装置，诸如电容线圈或电容板。还可与本文描述的光谱仪组合地使用其他两个或更多个感应装置、电容装置或可将能量提供到焊枪中以维持诸如等离子体或火焰等雾化/电离源的其他装置。
在某些示例中，光谱仪530可采取许多不同的配置，并且在图9中示出一个图解。光谱仪900包括入口列表910、准直器920、中阶梯光栅930、交叉色散器940、反射望远镜的主光学元件950、反射望远镜的次光学元件960、反射望远镜的三级光学元件970和检测器980。在需要时，交叉色散器940可替代地位于准直器920与中阶梯光栅930之间作为预色散器。如本文所述，光谱仪900可被配置为在空间上分离光学输入中的多个波长的光，例如在来自焊枪中的分析物物种的入射的光学发射中存在的多个波长的光，并且提供光学输出进行检测。在一些示例中，光学输出可被成像(例如)为二维表示，并且用于确定在样本中存在的分析物物种中的每一者的量。
在某些示例中，本文描述的仪器可包括或使用处理器，所述处理器可以是所述仪器的一部分或者存在于与所述仪器一起使用的相关联装置中，所述相关联装置例如计算机、膝上型计算机、移动装置等。例如，可使用处理器来提供或构建表示由检测器接收的各种分析物光学发射的图像。可由处理器自动执行此类过程，而不需要用户介入。例如，处理器可使用信号强度以及一个或多个校准曲线来确定存在于样本中的每种分析物的量。在某些配置中，处理器可存在于一个或多个计算机系统和/或共同的硬件电路中，包括(例如)用于操作系统以(例如)控制电离装置、检测器等的微处理器和/或合适软件。在一些示例中，检测器自身可包括其自身的相应处理器、操作系统和用以准许检测各种分析物物种的其他特征件。处理器可与系统成一体，或者可存在于一个或多个副板、印刷电路板或电耦合到系统的部件的计算机上。处理器通常电耦合到一个或多个存储器单元以从系统的其他部件接收数据，并且准许在需要或要求时调整各种系统参数。处理器可为通用计算机的一部分，诸如基于Unix的处理器、Intel PENTIUM类型的处理器、Motorola PowerPC、Sun UltraSPARC、Hewlett-Packard PA-RISC处理器或任何其他类型的处理器。可根据本技术的各种实施方案来使用任何类型计算机系统中的一者或多者。此外，系统可连接到单个计算机或者可分布在通过通信网络附接的多个计算机之间。应了解，可执行其他功能，包括网络通信，并且本技术不限于具有任何特定功能或功能组。可将各种方面实现为在通用计算机系统中执行的专用软件。所述计算机系统可包括连接到一个或多个存储器装置的处理器，所述一个或多个存储器装置诸如磁盘驱动器、存储器或用于存储数据的其他装置。存储器通常用于在OES仪器的操作期间存储程序、校准曲线和数据值。计算机系统的部件可通过互连装置进行耦合，所述互连装置可包括一根或多根总线(例如，在集成于同一机器内的部件之间)和/或网络(例如，驻留在单独的分立机器上的部件之间)。所述互连装置实现在系统的部件之间交换通信(例如，信号、数据、指令)。所述计算机系统通常可在处理时间(例如，数毫秒、数微秒或更小)内接收和/或发出命令，以准许对系统的快速控制。例如，可实现计算机控制来控制样本引入、检测器参数等。处理器通常电耦合到电源，所述电源可例如是直流源、交流源、电池、燃料电池或其他电源或电源组合。所述电源可由系统的其他部件共享。所述系统还可包括一个或多个输入装置，例如，键盘、鼠标、跟踪球、传声器、触摸屏、人工开关(例如，超驰开关)，以及一个或多个输出装置，例如，打印装置、显示屏幕、扬声器。另外，所述系统可包含将计算机系统连接到通信网络的一个或多个通信接口(例如，作为互连装置的补充或替代)。所述系统还可包括用以转换从存在于系统中的各种电气装置接收的信号的合适电路。此类电路可存在于印刷电路板上或者可存在于通过合适的接口或通过一个或多个无线接口电耦合到印刷电路板的单独的板或装置上，所述合适的接口例如串行ATA接口、ISA接口、PCI接口等，所述无线接口例如蓝牙、Wi-Fi、近场通信或其他无线协议和/或接口。
在某些实施方案中，在本文描述的系统中使用的存储系统通常包括计算机可读和可写非易失性记录介质，所述介质中可存储可由将要由处理器执行的程序使用的软件代码或将要由所述程序处理的存储在所述介质之上或之中的信息。所述介质可(例如)为硬盘、固态驱动器或快闪存储器。通常，在操作中，处理器致使将数据从非易失性记录介质读取到另一存储器中，与所述介质相比，该另一存储器允许处理器更快地访问信息。此存储器通常是易失性随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。所述存储器可位于存储系统中或存储器系统中。处理器一般操纵集成电路存储器内的数据并且随后在处理完成之后将所述数据复制到介质。已知用于管理在介质与集成电路存储器元件之间的数据移动的多种机制，并且技术不受此限制。所述技术也不限于特定存储器系统或存储系统。在某些实施方案中，所述系统还可包括专门编程的专用硬件，例如，专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。所述技术的各方面可在软件、硬件或固件或它们的任何组合中实现。此外，可将此类方法、动作、系统、系统元件和其部件实现为上文描述的系统的部分或实现为独立的部件。虽然将特定系统举例描述为可在其上实践所述技术的各方面的一种类型的系统，但应了解，各方面不限于在所描述的系统上实现。可在具有不同架构或部件的一种或多种系统上实践各方面。所述系统可包括能够使用高级计算机编程语言编程的通用计算机系统。还可使用专门编程的专用硬件来实现所述系统。在所述系统中，处理器通常是市售的处理器，诸如可从英特尔公司(Intel Corporation)得到的众所周知的Pentium类处理器。许多其他处理器也是市售的。此类处理器通常执行操作系统，所述操作系统可(例如)为可从微软公司(Microsoft Corporation)得到的Windows 95、Windows 98、Windows NT、Windows 2000(Windows ME)、Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8或Windows 10操作系统、可从苹果公司(Apple)得到的MAC OS X(例如SnowLeopard、Lion、Mountain Lion或其他版本)、可从太阳微系统公司(Sun Microsystems)得到的Solaris操作系统，或可从各种来源得到的UNIX或Linux操作系统。可使用许多其他操作系统，并且在某些实施方案中，简单的一组命令或指令可以充当操作系统。
在某些示例中，处理器和操作系统可一起限定可用高级编程语言编写应用程序的平台。应理解，所述技术不限于特定系统平台、处理器、操作系统或网络。而且，受益于本公开的本领域技术人员应明白，当前技术不限于特定编程语言或计算机系统。此外，应了解，还可使用其他适当的编程语言和其他适当的系统。在某些示例中，硬件或软件可被配置为实现认知架构、神经网络或其他合适的实现方式。在需要时，计算机系统的一个或多个部分可跨耦合到通信网络的一个或多个计算机系统而分布。这些计算机系统还可以是通用计算机系统。例如，各种方面可分布在一个或多个计算机系统之间，所述一个或多个计算机系统被配置为向一个或多个客户端计算机提供服务(例如，服务器)或作为分布式系统的一部分执行全部任务。例如，可在包括分布在执行根据各种实施方案的各种功能的一个或多个服务器系统之间的部件的客户端-服务器或多层系统上执行各种方面。这些部件可以是在通信网络(例如，互联网)上使用通信协议(例如，TCP/IP)进行通信的能够执行的中间(例如，IL)或被解译(例如，Java)的代码。还应了解，所述技术不限于在任何特定系统或系统组上执行。而且，应了解，所述技术不限于任何特定分布式架构、网络或通信协议。
在一些实例中，可使用面向对象的编程语言来编程各种实施方案，所述面向对象的编程语言诸如SQL、SmallTalk、Basic、Java、Javascript、PHP、C++、Ada、Python、iOS/Swift、Ruby on Rails或C#(C-Sharp)。还可使用其他面向对象的编程语言。可选地，可使用功能、脚本和/或逻辑编程语言。各种配置可在非编程的环境中实现(例如，以HTML、XML或其他格式创建的文档，所述文档当在浏览器程序的窗口中观看时再现图形用户界面(GUI)的各方面或执行其他功能)。某些配置可被实现为编程或非编程的元件或它们的任何组合。在一些实例中，所述系统可包括远程界面，所述远程界面诸如在移动装置、平板计算机、膝上型计算机或其他便携式装置上存在的远程界面，所述远程界面可通过有线或无线接口进行通信并且准许在需要时远程地操作所述系统。
在某些示例中，处理器还可包括关于分析物物种等的信息的数据库或者具有对所述数据库的访问权，所述信息可包括光学发射波长和其他常用信息。例如，不同分析物的校准曲线的集合可存储在数据库中并且用于估计样本中的分析物浓度，而不需要用户对所述分析物中的每一者执行校准曲线。此类方法在样本量有限的情况下可为特别合意的。存储在存储器中的指令可执行用于系统的软件模块或控制例程，这实际上可提供所述系统的可控模型。处理器可使用从数据库访问的信息以及在处理器中执行的一个或多个软件模块来确定不同部件的控制参数或值。使用用以接收控制指令的输入接口和链接到光谱仪系统中的不同系统部件的输出接口，处理器可对所述系统执行主动控制。例如，处理器可控制检测器、样本引入装置、电离装置、入口狭缝和出口狭缝宽度、检测器等。
在一些示例中，本文描述的光谱仪可用于检测电离装置中的分析物物种的同时光学发射的方法中。可在需要时执行对引入到电离装置中的样本中的分析物物种中的每一者的定量。在一些实例中，所述方法包括分离同时光学发射中的每种所发射的波长，以准许在约165nm到约900nm的波长范围内检测每种分析物物种并且任选地准许对每种分析物物种的量进行定量。如本文所述，所述方法可使用光学，所述光学包括：准直器；中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；光学色散器，所述光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光；以及反射式三合望远镜，所述反射式三合望远镜光学耦合到所述光学色散器并且被配置为从所述光学色散器接收所述交叉色散的光，其中所述反射式三合望远镜包括多个独立且分开的旋转对称的非球面表面，其中所述反射式三合望远镜被配置为提供来自分析物物种的所提供的光学发射中的一种或多种波长的光，其中由所述反射式三合望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离，以准许检测每种所提供的波长的光。可通过如本文所述的许多不同方式来配置反射望远镜或成像器，例如，所述反射望远镜或成像器可包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。
在一些实例中，所述方法包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者或多者或每一者配置为包括旋转对称的非球面表面。在其他示例中，所述方法包括将主反射镜配置为包括凹形非球面双曲面表面；将次反射镜配置为包括凸形非球面椭球面表面；以及将三级反射镜配置为包括凹形非球面双曲面表面。在一些示例中，光谱仪的光谱分辨率可为至少0.01nm，例如在220nm处可为约0.006nm。在某些实例中，所述方法包括将旋转对称的非球面表面中的一者或多者配置为6阶、8阶、10阶或更高阶的旋转对称的非球面表面，例如，各自为12阶旋转对称的非球面表面。在某些实例中，所述方法包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者配置为包括自由形态的旋转非对称的表面形状。在其他实例中，所述方法包括包括将主反射镜、次反射镜和三级反射镜中的一者配置为包括非球面表面形状。在一些示例中，所述方法包括将三级反射镜配置为包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
描述了某些特定示例以进一步说明本文描述的技术的一些方面和特征。
示例1
可使用铝生产反射式三合望远镜的第一光学元件。所述第一光学元件可与在图3A和图3B中示出的光学元件类似地构造。使用等式(1)，可获得第一光学元件的值。所得的表面可以是凹形非球面双曲面表面。
示例2
可使用铝生产反射式三合望远镜的第二光学元件。所述第二光学元件可与在图3C和图3D中示出的光学元件类似地构造。使用等式(1)，可获得第二光学元件的值。所得的表面可以是凹形非球面椭球面表面。
示例3
可使用铝生产反射式三合望远镜的第三光学元件。所述第三光学元件可与在图3E和图3F中示出的光学元件类似地构造。使用等式(1)，可获得第三光学元件的值。所得的表面可以是凹形非球面椭球面表面。
示例4
可基于入射光的期望的空间分离来选择中阶梯光栅。可用于设计中阶梯光栅的各种参数包括最小波长(例如，167nm)、最大波长(例如，＞750nm)、带宽、光谱分辨率和以波数为单位的带宽。这些参数仅出于说明的目的。其他设计参数是可能的并且不限于以上设计参数。
可用于确定中阶梯光栅的信息可包括图像平面信息、最大波长下的Echellogram高度和宽度、谱级分离(order separation)、像素大小和狭缝宽度。
基于这些和其他设计参数，可估计光谱分辨率。
然后可选择中阶梯光栅和其他部件的几何形状。
然后可使用选定的几何参数来断定光谱仪的光谱分辨率。
例如，可通过使波长除以闪耀角的正切的两倍乘以狭缝宽度除以准直器焦距来计算光谱狭缝宽度。而且，可通过使波长除以闪耀角的正切的两倍乘以像素大小除以望远镜的焦距来获得光谱像素宽度。
示例5
可执行各种仿真来估计光谱仪的性能特性，所述光谱仪类似于在图9中示出的具有示例1至示例3的光学元件的光谱仪。可在具有拥有抛物面表面、非球面表面和球面表面的光学元件的光谱仪之间进行比较。可在“高分辨率”配置和“低分辨率”配置中估计或获得各种光学值。棱栅或棱镜可存在于光谱仪中介于中阶梯光栅与反射望远镜的第一光学元件之间并且用作交叉色散元件。
据估计，可获得相对于常规设计的增加的吞吐量。具体地，与具有好6倍的检测限的一种设计相比，估计将获得吞吐量的40倍的增加。与具有好3倍到4倍的检测限的另一设计相比，估计将获得吞吐量的12.5倍的增加。
在介绍本文公开的示例的元件时，冠词“一个/种”、“该”和“所述”意图是指存在所述要素中的一者或多者。术语“包括”和“具有”意图是开放式的，并且是指可能存在除了所列出的要素之外的额外要素。受益于本公开的本领域技术人员将认识到，示例的各种部件可与其他示例中的各种部件互换或替换。
虽然已经在上文描述了某些方面、配置、示例和实施方案，但受益于本公开的本领域技术人员将认识到，对所公开的说明性方面、配置、示例和实施方案的添加、替代、修改和更改是可能的。

Claims (20)

1.一种光谱仪，所述光谱仪包括：
入口狭缝，所述入口狭缝被配置为接收光；
准直器，所述准直器光学耦合到所述入口狭缝；
中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；
双通光学色散器，所述双通光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为从所述中阶梯光栅接收色散的光并且提供交叉色散的光；
反射望远镜，所述反射望远镜光学耦合到所述双通光学色散器并且被配置为从所述双通光学色散器接收所述交叉色散的光；以及
检测器，所述检测器定位成从所述反射望远镜接收所述交叉色散的光，
其中所述反射望远镜被配置为提供所述所接收的光中的一种或多种波长的光，
其中由所述反射望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述检测器被配置为接收在约165nm到约900nm的波长范围内的光。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述准直器包括具有离轴角的离轴抛物面表面。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，
其中所述准直器的f#是3并且所述准直器的所述离轴角为14度。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述双通光学色散器包括棱栅、双通反射棱栅、双通反射棱镜或折射棱镜中的一者。
6.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述双通光学色散器包括反射光栅或折射光栅中的一者。
7.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述准直器的焦距为约255mm。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述中阶梯光栅包括62度的闪耀角和每毫米79排的凹槽密度。
9.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述光谱仪的光谱分辨率在220nm处为约0.006nm。
10.根据权利要求1所述的光谱仪，
其中所述反射望远镜包括：主反射镜，所述主反射镜光学耦合到所述双通光学色散器；次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。
11.根据权利要求10所述的光谱仪，
其中所述主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，
其中所述次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且
其中所述三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。
12.根据权利要求10所述的光谱仪，
其中所述主反射镜、所述次反射镜和所述三级反射镜中的每一者包括旋转对称的非球面表面，并且
其中所述旋转对称的非球面表面是12阶旋转对称的非球面表面。
13.根据权利要求10所述的光谱仪，
其中所述主反射镜、所述次反射镜或所述三级反射镜中的一者包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
14.一种电感耦合等离子体光学发射仪器，所述电感耦合等离子体光学发射仪器包括：
样本引入装置；
焊枪，所述焊枪流控地耦合到所述样本引入装置；
感应装置，所述感应装置被配置为将射频能量提供到所述焊枪中以维持所述焊枪中的电感耦合等离子体；
光谱仪，所述光谱仪包括：
入口狭缝，所述入口狭缝被配置为从经受所述电感耦合等离子体的样本接收光；
准直器，所述准直器光学耦合到所述入口狭缝；
中阶梯光栅，所述中阶梯光栅光学耦合到所述准直器并且被配置为从所述准直器接收经准直光并且使所接收的经准直光色散；
双通光学色散器，所述双通光学色散器光学耦合到所述中阶梯光栅并且被配置为
从所述中阶梯光栅接收色散的光，以及
提供交叉色散的光；
反射望远镜，所述反射望远镜光学耦合到所述双通光学色散器并且被配置为从所述双通光学色散器接收所述交叉色散的光；以及
检测器，所述检测器定位成从所述反射望远镜接收所述交叉色散的光，
其中所述反射望远镜被配置为提供所述所接收的光中的一种或多种波长的光，
其中由所述反射望远镜提供的每种波长的光在空间上与其他所提供的波长的光分离以准许检测每种所提供的波长的光。
15.根据权利要求14所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，其中所述反射望远镜还包括：
主反射镜，所述主反射镜光学耦合到所述双通光学色散器；
次反射镜，所述次反射镜光学耦合到所述主反射镜；以及
三级反射镜，所述三级反射镜光学耦合到所述次反射镜。
16.根据权利要求15所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，
其中所述主反射镜、所述次反射镜或所述三级反射镜中的一者包括自由形态的旋转非对称的表面形状。
17.根据权利要求15所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，
其中所述主反射镜包括凹形非球面双曲面表面，
其中所述次反射镜包括凸形非球面椭球面表面，并且
其中所述三级反射镜包括凹形非球面双曲面表面。
18.根据权利要求14所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，
其中所述准直器包括离轴抛物面表面。
19.根据权利要求14所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，
其中所述双通光学色散器包括棱栅、双通反射棱栅、双通反射棱镜或折射棱镜中的一者。
20.根据权利要求14所述的电感耦合等离子体光学发射仪器，
其中所述双通光学色散器包括反射光栅或折射光栅中的一者。
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