CN115931129A - 一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，三者位于罗兰圆的周长上，光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；光线在透过所述光学狭缝之后，以42°为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集。该光学系统具有高灵敏度、读取速度快、成像质量高且电路可集成化的光电传感器，能压缩光斑、减小像差并提高分辨率。

Description

一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统。

背景技术

光谱仪又称之为分光仪，在检测运用领域内最常见的就是直读光谱仪，英文名为OES(Optical Emission Spectrometer),即原子发射光谱。原子发射光谱的整个光学系统主要由三部分组成，分别为入射狭缝、色散系统和成像系统。然而对于光源来说，普通的直读光谱仪一般采用电火花、电弧或者辉光放电的方式把样品打成蒸汽进行激发的，由于其样品所含元素原子的电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量变化，所以样品一旦受到能量的激发，其原子的电子在受到激发后就形成状态上的能量跃迁，并以光的形式体现出来；然后所形成的光谱通过光纤导入光谱仪中进行分析。光谱首先进入聚光筒，其中的平凸透镜将光聚焦到狭缝上，各波长的光通过狭缝后紧接着就照射到全息凹面光栅上进行色散，各波长入射到凹面光栅的入射角都是保持一致，但是衍射角会随着波长的增加而增加，这样不同波长的特征波长就会被色散分离开来，并且所用到的光栅是带有曲率半径的球形凹面光栅，不但起到色散作用还可以把色散后的光聚焦到一个点上，这种球形凹面光栅相比于平面光栅相比具有消除球差的作用。根据罗兰圆定理，这些特征波长的光色散后最终被聚焦的像点依次排列在罗兰圆的边长上，然后将探测器依次排列在罗兰圆上便可以采集不同波长像点的相对位置和相应的强度。

常见的光电传感器有光电倍增管和CCD光电传感器，这类传感器往往灵敏度比较低，而且读取速度比较慢，成像质量差并且为其配备的电路难以形成集成化，这便会导致为其配备的电路板将会设计的过大，这样便十分不利于最终设备体型的小型化。

从另一个角度来讲，对于各种传感器的感光面来说其实际上是一个狭长的平面。而理论上各特征波长的光成像点都在罗兰圆的弧长的边长上，若使用不是弧面而是平面的光电传感器进行采集将会导致传感器上的像斑离焦程度过大且像斑的均方根直径会增加，从而将会导致分辨率下降，并且这种情况下，远离中心波长像斑的波长的光所成像的分辨率将会更差，也就是说特征波长衍射光越远离中心波长的光线的分辨率将会更差。所以不管CMOS或CCD光电传感器以何种方式进行摆放都无法避免这种情况

另外对于目前市场上的大部分光电传感器来说，其感光面的长度是固定不变的，若其依次并排排列在罗兰圆面上的聚焦点弧长上，由于尺寸问题无法使得多片光电传感器并列排列，跟何况这些传感器在感光面的外围还含有一系列的封装，这使得采集部分的模块体积更加庞大，因此也导致原本由于数量过多而摆放不下的光电传感器的几何机械矛盾的问题更加严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，该光学系统具有高灵敏度、读取速度快、成像质量高且电路可集成化的光电传感器，能压缩光斑、减小像差并提高分辨率，并解决由于传感器结构尺寸问题而导致在罗兰圆的像面上无法同时摆下多片光电传感器的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，所述系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：

所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；

所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；

光线在透过所述光学狭缝之后，以42°为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；

所述光电传感器采用如下方式进行摆放：

首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；

所述光电传感器的摆放位置设置为感光面垂直各个波段的中心波长，并且感光面的形心位置是每一波段中心波长的成像点，该感光面的形心位置与罗兰圆圆弧相重合；

对于第一段波长所测量范围150nm～200nm的光电传感器来说，采用光电传感器的感光面与罗兰圆相切入射的形式进行采集；而第二段到第七段波长采用与罗兰圆垂直入射的形式进行采集；

最终将各自接收到的光线交错反射到各自对应的光电传感器上，形成交错双排式全谱采集。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述光学系统具有高灵敏度、读取速度快、成像质量高且电路可集成化的光电传感器，能压缩光斑、减小像差并提高分辨率，并解决由于传感器结构尺寸问题而导致在罗兰圆的像面上无法同时摆下多片光电传感器的问题，进而保证设备的高灵敏度、高分辨率和全谱采集性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的高灵敏度高分辨率全谱光学系统的结构示意图；

图2为本发明所举实例最终成像的点列图；

图3为本发明所举实例CMOS或CCD光电传感器上感光面最终采集到的点列图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供的高灵敏度高分辨率全谱光学系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：

所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；

所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；

光线在透过所述光学狭缝之后，以42°为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；

所述光电传感器采用如下方式进行摆放：

首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；

所述光电传感器的摆放位置设置为感光面垂直各个波段的中心波长，并且感光面的形心位置是每一波段中心波长的成像点，该感光面的形心位置与罗兰圆圆弧相重合；

对于第一段波长所测量范围150nm～200nm的光电传感器来说，采用光电传感器的感光面与罗兰圆相切入射的形式进行采集；而第二段到第七段波长采用与罗兰圆垂直入射的形式进行采集；

最终将各自接收到的光线交错反射到各自对应的光电传感器上，形成交错双排式全谱采集。

具体实现中，还可以在所述光学狭缝之前加入聚光系统，所述聚光系统是一块带有固定弧度的平凸透镜，用来将光线聚焦到光学狭缝上，然后光线再通过光学狭缝发散出去，以保证大部分光线通过狭缝。这样是为了防止大部分从光源发出的光被光学狭缝黑化处理的表面所吸收，只有少部分的光通过光学狭缝穿透过去，从而使得最终检测到的光强度信号减弱，聚光系统的设计可以保证大部分光线通过狭缝。

上述将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，具体过程为：

以整个光矢的可测光谱波长范围150nm到520nm为例，根据实验检测元素的特征波长将需要检测的全谱波长分成7个波段；

若波段范围内的特征波长为奇数个数，则将序列为最中间的波长设置为中心波长，中心波长是该波长穿过所有玻璃元器件以及传感器的形心位置；

若波段范围内的特征波长为偶数个数，则将该波段范围内所有偶数波长的衍射角取加权平均数，所得的取加权平均数衍射角所在的位置定义为虚拟中心波长，而实际元素的特征波长则一次排列在该虚拟中心波长的两侧。

具体实现中，所检测的波长范围从150-520nm可拓展至120-1000nm，也依然属于本申请保护范围之内。举例来说，由于光电传感器的感光面长度有限，因此需要将衍射光线进行分组，具体是根据所有特征波长的光的衍射角来进行分组的，光栅衍射角的计算公式为：

mλ＝k(Sinα+Sinβ)

β＝arcSin(mλ10^-6·2400-Sin42°)

式中，m为光栅级次，本实施例中，对于光栅的级次m采取为1；K为在本实例中所采用光栅的光栅常数1/2400；λ为待测量的对应元素的特征波长；α为光栅的入射角；β为待测量的特征波长λ在光栅上衍射后的衍射角；

利用该公式根据要测量的对应元素的特征波长计算出相对应的衍射角，之后便将所有特征波长的衍射角从小到大进行排列，根据各波长的衍射角和仿真结果最终将所有特征波长分成7组：

第一组所包含的特征波长为P、S、B、Sb、As、Sn和C这7个元素，因为该组中含有奇数个特征波长，所以将其中最中间的Sb元素定制为第一段的中心波长；

接着第二段所包含的元素为Pb和Co元素，由于第二段所包含的特征波长数量为偶数，因此为了保证这两个特征波长的成像质量，不可将其中任意一个特征波长作为中心波长，而是要将这两个特征波长的衍射角取平均数所计算出来的衍射角所代表的虚拟特征波长作为中心波长，因此这样便会使得第二段特征波长最终的成像都比较靠近感光面中心的位置，极大的减小相差从而提高成像质量。

利用上述方法将Si和Cr元素分在第三段波长、将Mo和Mn元素分在第四段波长、将Bi、V和Nb元素分在第五段波长、将Cu、Ti和Ni元素分在第六段波长、将Ca、Al和W元素分在第七段波长。

另外，在所述系统中，在七个波段中心波长的光的衍射角到达罗兰圆弧长之前的10mm处都设立有一个表面镀铝的反射镜，所有的反射镜都在罗兰圆的内侧；

用来反射第一波段的第一波段反射镜依次与第三波段反射镜、第五波段反射镜和第七波段反射镜保持一致，都是反射面并与整个光矢的子午面呈现45°，反射面朝上摆设；

而第二波段反射镜、第四波段反射镜与第六波段反射镜同样也是与整个光矢的子午面呈现45°，但不同的是这三个反射镜的反射面朝下，总体采用交错双排式设计，从而解决由于光电传感器封装体积而无法同时在罗兰圆面上摆下七片光电传感器的问题，完美解决了机械尺寸相矛盾的问题，达到了波长无断层全谱采集。

另外，具体实现中，在每一波段的反射镜前还设置有一个柱面镜，利用所述柱面镜使像斑在弧矢面方向上进行压缩，从而提高采集到相同面积区域的亮度。在本实施例中，由于有7个波段的反射镜，故共包含7个曲率半径不同的柱面镜，每个柱面镜的弧面的曲率半径都是根据该柱面镜所在波段的特征波长的波长范围所得到的最佳结果。

上述凹面光栅可以采用全息凹面光栅，所述全息凹面光栅具有高刻线数，具有较高的角色散和线色散能力，适用于较高的分辨率的情况，与此同时全息凹面光栅不存在鬼线，并且杂散光也没有其他类型光栅那么高。

另外，所述系统的七个光电传感器可以选择基于CMOS或CCD的光电传感器进行光学采集，从而提高最终的成像质量并且提升总体的灵敏度。

具体实现中，对于用于采集第四、五和六波段的传感器的位置将不再是其形心对准每一段的中心波长，而是向着两端挪动，最终找到一个合适的位置，从而防止光电传感器外部封装与相邻传感器器件的外部封装所产生的机械物理矛盾。

举例来说，如图1所示为本发明实施例提供的高灵敏度高分辨率全谱光学系统的结构示意图，图中包括平凸透镜1；入射狭缝2；罗兰圆3；全息凹面光栅4；第一波段反射镜5；第一段光电传感器6；第二波段反射镜7；第二段光电传感器8；第三波段反射镜9；第三段光电传感器10；第四波段反射镜11；第四段光电传感器12；第五波段反射镜13；第五段光电传感器14；第六波段反射镜15；第六段光电传感器16；第七波段反射镜17；第七段光电传感器18，其中：

入射狭缝2、全息凹面光栅4和所有特征波长光线的虚拟像面都在罗兰圆3的圆周之上；

在入射狭缝2之前并设立平凸透镜1，用于将光源的光大部分都聚焦在入射狭缝2之上。光线透过入射狭缝2之后，便以42°为入射角射入全息凹面光栅4上；在本实施例中，入射角选择42°主要是根据两个方面：在光学仿真中的结构和对于全息凹面光栅4的一个最佳入射角，至于光学仿真结果主要是考虑入射角过大将会导致整个光矢的体积将会过大，最终不利于设备的小型化。若将入射角设计的过小，这便会导致长波段的光线的衍射光会与入射光线发生重叠；至于考虑的第二个方面全息凹面光栅4的一个最佳入射角，其主要是为了使得全息凹面光栅4的色散效果可以达到比较好的程度。最终在这两个方面的考虑下，把入射角定为42°；

如图1所示，各元素的特征波长在各自的波段组之中进行衍射，最终分别衍射到各自的CMOS或CCD光电传感器上，紧接着从全息凹面光栅4上衍射出来的衍射光到达位于距离罗兰圆10mm处的反射镜上，此处要注意的是反射镜位于罗兰圆的内侧，由于反射镜是与子午面呈现夹角45°的结构进行设计，并且属于第一波段的第一波段反射镜5是反射面朝上45°进行摆放、属于第二波段的第二波段反射镜7是反射面朝下45°进行摆放、属于第三段波的第三波段反射镜9是反射面朝上45°进行摆放、属于第四波段的第四波段反射镜11是反射面朝下45°进行摆放、属于第五波段的第五波段反射镜13是反射面朝上45°进行摆放、属于第六波段的第六波段反射镜15是反射面朝下45°进行摆放、属于第七波段的第七波段反射镜17是反射面朝上45°进行摆放。根据以上反射镜的摆放方式，最终属于各波段的CMOS或CCD光电传感器的感光面分别面朝各自波段的反射镜的反射面，且距离10mm处进行设计。

由于第2、3、4、5、6、7波段所包含的特征波长的数量少并且它们的成像位置都位于靠近该段波长中心波长成像点的位置，因此后六段中的特征波长最终的成像质量都是比较良好的，所以后六段的感光面的摆放方式都是垂直各波段的中心波长且距离中心波长在各自反射镜的反射点10mm处进行设计，这样可以保证最终采集到的各波长的亮度达到最大；但是对于第一波段所包含的特征波长数量较多，并且其中的P元素距离中心波长位置较远，这会导致P元素的实际成像点偏离理论成像点较大的位置，这样会增加该元素的相差，最终减小该元素的最终分辨率，故为了优化第一波段中各个波段的成像质量，本发明实施例将第一段光电传感器6的感光面设计为与罗兰圆相切的形式进行设计，这种设计方法可以使得远离第一波段的中心波长的几个元素的离焦程度大大减小，从而减小该波段中特征波长的相差，从而提升分辨率。

如图2所示为本发明所举实例最终成像的点列图，其是第一波段波长内所有特征波长最终的成像的像斑，这一系类的像斑为一系类的长条，并且相互平行，很明显在所有的元素中最难分辨的As和Sn元素的特征波长的像斑有很好的分辨能力，并且每个像斑的宽度大约有78um，这基本处于可接受的范围之内，并且点列图中的几何半径8636.28um实际就是上下两端P元素和C元素特征波长的像斑之间的距离，而且此范围远远小于CMOS或CCD光电传感器的长度，所以符合本发明所用的传感器的要求。

另外，由于采用的线阵CMOS或CCD的光电传感器的宽度比较窄，而像斑的大部分区域都在传感器感光面的外围，这会导致所采集到的亮度大大降低，为了解决该问题就必须将光斑进行压缩，如图1所示，本实施例在每个反射镜前面设计一个柱面镜19，使其将最终的光斑进行压缩，从而提升最终采集到的光斑亮度。

如图3所示为本发明所举实例CMOS或CCD光电传感器上感光面最终采集到的点列图，由于每个特征波长的像斑是远远大于CMOS或CCD光电传感器感光面的宽度，因此只能用其采集整个像斑最中心的部分，由于这样会大量损失采集到的像斑的亮度，所以每个波段都采用了合适该波段的柱面镜，用于压缩这个光斑的长度，从而提高采集到相同面积区域的亮度，每个柱面镜基本可以将光斑压缩到原来的五分之一，因此相比于没有采用柱面镜，在柱面镜压缩光斑后所采集到的效果的亮度提升了五倍。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，所述系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：

所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；

所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；

光线在透过所述光学狭缝之后，以42°为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；

所述光电传感器采用如下方式进行摆放：

首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；

所述光电传感器的摆放位置设置为感光面垂直各个波段的中心波长，并且感光面的形心位置是每一波段中心波长的成像点，该感光面的形心位置与罗兰圆圆弧相重合；

对于第一段波长所测量范围150nm～200nm的光电传感器来说，采用光电传感器的感光面与罗兰圆相切入射的形式进行采集；而第二段到第七段波长采用与罗兰圆垂直入射的形式进行采集；

最终将各自接收到的光线交错反射到各自对应的光电传感器上，形成交错双排式全谱采集。

2.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，

在所述光学狭缝之前加入了聚光系统，所述聚光系统是一块带有固定弧度的平凸透镜，用来将光线聚焦到光学狭缝上，然后光线再通过光学狭缝发散出去，以保证大部分光线通过狭缝。

3.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，所述将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，具体过程为：

以整个光矢的可测光谱波长范围150nm到520nm为例，根据实验检测元素的特征波长将需要检测的全谱波长分成7个波段；

若波段范围内的特征波长为奇数个数，则将序列为最中间的波长设置为中心波长，中心波长是该波长穿过所有玻璃元器件以及传感器的形心位置；

若波段范围内的特征波长为偶数个数，则将该波段范围内所有偶数波长的衍射角取加权平均数，所得的取加权平均数衍射角所在的位置定义为虚拟中心波长，而实际元素的特征波长则一次排列在该虚拟中心波长的两侧。

4.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，在所述系统中，在七个波段中心波长的光的衍射角到达罗兰圆弧长之前的10mm处都设立有一个表面镀铝的反射镜，所有的反射镜都在罗兰圆的内侧；

用来反射第一波段的第一波段反射镜依次与第三波段反射镜、第五波段反射镜和第七波段反射镜保持一致，都是反射面并与整个光矢的子午面呈现45°，反射面朝上摆设；

而第二波段反射镜、第四波段反射镜与第六波段反射镜同样也是与整个光矢的子午面呈现45°，但不同的是这三个反射镜的反射面朝下，总体采用交错双排式设计。

5.根据权利要求4所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，

在每一波段的反射镜前还设置有一个柱面镜，利用所述柱面镜使像斑在弧矢面方向上进行压缩，从而提高采集到相同面积区域的亮度。

6.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，

所述凹面光栅采用全息凹面光栅，所述全息凹面光栅具有高刻线数，从而具有较高的角色散和线色散能力，适用于较高分辨率的情况。

7.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，

所述系统的七个光电传感器选择基于CMOS或CCD的光电传感器进行光学采集。

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