CN1231423A

CN1231423A - 阶梯分光仪

Info

Publication number: CN1231423A
Application number: CN99100149.4A
Authority: CN
Inventors: 坪井尚弘; 大岸史和
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 1999-10-13
Anticipated expiration: 2019-01-12
Also published as: JPH11230828A; US5973780A; CN1259552C

Abstract

一种阶梯分光仪具有一个或多个阶梯衍射光栅,一个或多个用于根据不同的衍射量级而将分散的光分离成部分的分离装置,以及一个或多个成像装置如成像镜,但仅用一个图像检测器。将整个波长范围分成若干较小范围而从相应于这些已分开的波长范围的光源发出的光谱光部分分别沿不同的光路行进,但所成的各像均落在同一个图像检测器上。用一个快门来选择性地允许相应于不同波长范围中的一个范围内的光谱光部分中的某一部分通过。

Description

阶梯分光仪

本发明涉及一种用于诸如发射或吸收光谱分析中不同类型的光谱分析仪器中使用的分光仪，本发明尤其涉及一种采用阶梯衍射光栅的阶梯分光仪。

阶梯衍射光栅作为阶梯分光仪中的光分散元件通常设计成比普通阶梯衍射光栅具有较大闪耀角θ，其游离光谱范围在短波长侧较窄而在长波长侧较宽，所以可以提供较强的色散和分辨能力。另一方面，已经公知采用一种含CCD(电荷耦合器件)或光二极管矩阵的图像检测器作为光检测元件来检测经衍射光栅分光后的光谱光是较好的，因为每个波长的光谱光是由像素单元检测的，于是如果和常规的采用光电信增管检测的方法相比较就要简单一些。

图6表示了常规的阶梯分光仪的一个实例，它是根据所谓Czerny-Turner型布置而由这种特性的阶梯衍射光栅和图像检测器组合而成的。从光源1发出的光经过一个入口光栏2，再经过准直镜3转成平行光线后再射到阶梯衍射光栅4上，因为从阶梯衍射光栅4射出的已分光的光线中包括了各个不同量级的光谱光的叠加，所以又在垂直于由阶梯衍射光栅4分散方向的方向上进一步被分离装置7分散而成为各个不同量级的光谱光。由此而得到的分离的光谱光部分即被成像镜9反射到图像检测器10上成像。上述的分离装置7可以采用常规的阶梯光栅或棱镜。

但是，如图6所示的使用图像检测器10的这种布局中，由于半导体元件生产方面的技术限制，实际上很难增加图像检测器上的光接收面的长度。所以如果要想在相当宽的波长范围内作测量的话就很难获得高的分辨能力。当然也可以指望生产出具有很长光接收面的元件，但是这种元件就太昂贵了，而且此时的像差相应变大，以致并不会成为一个实际的解决方案。

有鉴于此，人们一直致力于提供一种既有很高分辨能力而又有较宽的波长范围的光谱分析装置，例如，美国专利4,820,048号中即公开了一种多个图像检测器的布局用以扩大波长范围。另一种设想是提供一种机构用以将图像检测器向光谱光的波长方向作几步偏移。但是多种方案均有其固有的问题。例如，采用多个图像检测器则装置总成本就很高。如果将图像检测器从某一位置偏移到另一位置，则实现这种偏移的机构就要求具有很高精度，亦即为了维持光谱图像的位置的再现性，应在水平和垂直两个方向上都具有不大于几个微米的精度。这又增加了装置的整体成本。而且，因为是采用机械方式作位移，所以会出现一个稳定性问题，如果图像检测器在波长的方向前后移动的位置精度不够的话，则其实际测量结果即会如图7A、图7B、图7C所示，例如，由于偏移，只要实际测量的波长稍有不同(对原有波长λi有Δλ和Δλ’的误差)则就会测得不同的强度(对原有测量强度Ii有ΔI和ΔI’的误差)。

因此，本发明的目的是提供一种改进了的阶梯分光仪，其在很宽的波长范围内具有很高的分辨能力，而且又有改进了的测量结果的再现性和稳定性。

根据本发明，如图6所示，在阶梯衍射光栅和用于将已分光的光谱光按波长范围分离成相应于不同衍射量级的各部分的元件(以下简称为“分离装置”)之间提供多条光路，而如阶梯衍射光栅那样的光学元件则设置成使得沿着每条光路行进的光谱光成像在同一个图像检测器上。因为相应于不同波长范围的光谱光部分在整个图像检测器表面上所成的各个图像是互相重叠的，因此就在光路上设置一个快门，使得只有所选定的光路可以根据将被检测的波长范围而被打开，同时其他光路关闭，这样才能仅仅允许处于所选定的波长范围之内的光谱光部分在图像检测器上成像。

在此情况下，使用者只需移动快门和开关光路就能在同一个图像检测器上将不同波长范围的光谱光部分形成不同的图像。于是，只要事先在所选的波长范围和图像检测器的检测输出量之间建立起对应关系之后，则就可以用相对较小的图像检测器来实现很宽的波长范围中的光谱分析。

由于所选的波长范围只和移动快门有关，所以没有必要来调整诸如图像检测器之类的光学元件和阶梯衍射光栅之间的相互位置关系。所以，快门移动对光谱图像的再现性不会产生不利的影响。

于是，具有上述或其他目的的实施本发明的阶梯分光仪的特征在于包括一个或多个阶梯衍射光栅，一个或多个分离装置用于将已分光的光线按照不同衍射量级而分离成各个部分，以及一个或多个诸如成像镜之类的成像装置，但仅仅只有一个图像检测器。这些部件之间的相互关系设计并安置成使得需分析的整个波长范围被分成若干较小的范围，而从光源发出的光谱光的部分则按照这些被分成的各个不同的波长范围分别沿着单独的光路进行，但所成的每个像都落在同一个图像检测器上。用一个快门以便选择性的允许相应于不同的波长范围的各个光谱光中的某一个部分通过。这样就可以用单一的图像检测器来分析整个波长范围内的光谱光而不需要改变其位置。

用来说明本发明的各实施例的附图作为说明书的一部分也可以用来解释本发明的原理。附图如下：

图1是实施本发明的阶梯分光仪的布局情况略图；

图2是表示阶梯分光仪的光谱特性的阶梯图；

图3A、图3B、图3C是用如图1所示的分光仪的实测结果以表示其再现性；

图4是从图1的分光仪中测得的结果而显示出的分光仪的分辨能力图；

图5是本发明的另一实施例的阶梯分光仪的略图；

图6是现有技术的阶梯分光仪的略图；

图7A、图7B、图7C是用如图6所示的现有技术的分光仪的实测结果以表示其再现性的实例。

上述各图中各相同或相似的部件，即使是在不同的装置中，也都采用相同的标号，而不必重复加以描述了。

图1表示了一个实施本发明的阶梯分光仪，其包括一光源1，一入口光栏2，一准直镜3，一单一成像镜9用作其成像装置和一单一图像检测器10，如图6中所示的一样。但这种阶梯分光仪和图6所示的现有技术分光仪的不同之处首先在于其具有相应于需覆盖的波长范围的多个阶梯衍射光栅4a和4b以及同样多的分离装置7a和7b(图1所示实施例中是每种为两个)；而其次在于具有一个快门5，其上开有一个窗口5a用于选择各个波长范围。各个阶梯衍射光栅4a和4b的刻线数N和闪耀角θ则取决于使得特征线性分散度和分辨能力分别在长波一侧落在L_long区域之内而在短波一侧落在L_short区域之内，就如图2中阶梯图所示。

当处在发射光谱分析时，例如，需要在波长小于400微米的紫外短波区域有较高的分辨能力，但在较长的波长区域却并不需要如此高的分辨能力时，则阶梯衍射光栅4a和4b及分离装置7a和7b的规格应取决于使得较短波长一侧的线性分散度和分辨能力都大于和高于较长波长一侧。表1即表示当图像检测器设定其开口为1/2英寸角时的这种规格的一个实例。

表1

	阶梯光栅		分离元件	波长范围	图象检测器
	阶梯光栅		分离元件	波长范围		N(G/mm)	θ(deg)	N(G/mm)	(nm)
	L_short	44	70	300		N(G/mm)	θ(deg)	N(G/mm)	(nm)	170-400	1/2英寸角
L_long	L_short	44	70	300	31	63	50	400-800		170-400

阶梯光栅4a和4b，元件7a和7b以及成像镜9之间互相设置成使得光栅4a发出的短波段的光谱光部分(L_short范围)入射到元件7a上，而光栅4b发出的长波段的光谱光部分(L_long范围)入射到元件7b上，这两路光线都由单一成像镜反射并各自都成像在同一个图像检测器10上。

设置快门5是因为，如果没有快门5，则L_long和L_short波长范围内的两路光谱光部分都将在整个图像检测器10的表面上形成互相叠加的图像。如图1所示的实例，快门5是放在阶梯衍射光栅4a和4b以及分离装置7a和7b之间的一部分光路上，使得将它移动到第一位置时，则只允许从光栅4a分散出来的光谱光部分可被通过而测得较短的波长(在L_short范围内)，而将它移动第二位置时，则只允许从光栅4b分散出来的光谱光部分可被通过而测得较长的波长(在L_long范围内)。在图1中，有一标号为6的驱动机构包括一电机和齿轮用于将快门在上述两个位置之间作移动。

采用这种结构的阶梯衍射光栅，从光源1发出的光通过入口光栏2，而后被准直镜3分成平行光入射到阶梯衍射光栅4a和4b上。由阶梯衍射光栅4a和4b分光的光谱光部分被分别导向分离装置7a和7b。如果要测量短波段L_short的光谱光部分，则启动驱动机构6使快门5移动而使得只有光栅4a发出的光可以通过窗口5a而到达元件7a。同样，如果要测量长波段L_long的光谱光部分则启动驱动机构6使快门5移动而使得只有光栅4b发出的光可以通过窗口5a而到达元件7b。上述两种情况中，通过窗口5a的光谱光被相应的一个元件7a或7b在垂直于被阶梯衍射光栅4a或4b所分散方向的方向上分散开，并按不同量级的光的衍射部分而分离开。于是所选的量级的分散的光谱光被成像镜9反射而成像在图像检测器10上。

总之，根据本发明获得光谱光中的波长L_long和L_short范围是用移动快门5的方法来选择的。这样，虽然图像检测器10不能立刻检测出需分析的整个波长范围，但是只要将快门位置切换到使图像检测器根据短波长L_short范围或长波长L_long范围而获得输出，则这个目标仍能达到。于是，就可以用单一的图像检测器而获得整个波长范围(包括L_long和L_short)的测量结果。

由于图像检测器10是保持在固定位置上而仅移动快门来切换光路，所以分光仪的光学部件之间的位置关系都不改变。从而再现性好，测量结果稳定。虽然快门5是移动的，但因为图像检测器10保持固定位置，所以如图3A，图3B和图3C所示，相应同一波长值λi所得到的强度值Ii是相同的。

阶梯衍射光栅4a和4B及分离装置7a和7b应设计成使得在短波段比在长波段有较大的线性分散度和较高的分辨能力。例如，如图4所示，从而可能测量分离出的Cd和As的波长的峰值P1和P2。

如图5所示，实施本发明的另一阶梯分光仪之不同于图1所述的分光仪之处在于采用了仅仅一个阶梯光栅4和一个分离装置7，但却采用了多个成像镜(如图5所示为两个成像镜)9a和9b，并设置成使该两成像装置的焦距fa和fb相应于不同的波长范围。

再作详细说明，即该两成像镜9a和9b的焦距fa和fb被确定为使得该两成像镜9a和9b的特征线性分散度分别落在短波范围L_short和长波范围L_long之内，如图2的阶梯图所示。本发明的该实施例的带有窗口5a的快门5被设置在单一的分离装置7和成像镜9a和9b之间的光路上，并且当测量短波长光的时候，只允许分离装置7分离出的短波光谱光通过窗口5a，而当测量长波长光的时候，只允许同一个分离装置7分离出的长波光谱光通过窗口5a。

阶梯光栅4，分离装置7和成像镜9a和9b以及其位置关系被确定为由快门5的位置所选出的各个波长段(L_short或L_long)的波长的光谱光部分将经各自的成像镜9a和9b反射而后在同一个图像检测器10上形成图像。

在其他方面，图5所示的分光仪的结构和图1的分光仪的结构完全一样，所以详细描述即予以省略。

如图5所示的阶梯分光仪中，光线也是从光源1发出经过入口光栏2，并经准直镜3而形成平行光之后，入射到阶梯衍射光栅4上。被光栅4分散后的光谱光指向分离装置7，从而被进一步在垂直于由光栅4所分散方向的方向上再次按衍射的不同量级而分散成为分离的光谱光部分。采用快门5的定位而对光谱光部分的波长是否是短波范围L_short或是长波范围L_long而进行选择使光谱光通过窗口5a之后，即被成像镜9a或9b反射，而成像在同一个图像检测器10上，但又与成像镜9a或9b中的哪一个反射无关。

虽然本发明仅仅采用了上述两个实施例加以描述。但该两实施例并不限制了本发明的范畴，在本发明的范畴内还会有很多变化或变型，虽然并未作独立的叙述。比如在上述本发明参照图1的第一实施例中，快门5可以安置在准直镜3和阶梯衍射光栅4a和4b之间。同样，各个分离装置7a和7b可以被单一元件所替代，而各个阶梯光栅4a和4b的取向也作改变使得它们的光学关系能保证短波长和长波长范围L_short和L_long的光谱光部分所成的像都落在同一图像检测器10上。本发明第一实施例中阶梯光栅4a和4b以及第二实施例9a和9b的数量不一定必须为2，也可以进一步增加，以便提高分辨率，总之，对于本领域的技术人员来说显而见的各种变化和变型都包含在本发明的范畴之内。

本发明有很多优点，首先是可以用相对较小的图像检测器来分析很宽的波长范围的光谱光，因为任何所选的不同波长范围内的各个光谱光部分都成像在同一个图像检测器上。其结果就使波长的分辨能力提高了，使分析的精度有可能提高到很高水平。其次，因为图像检测器不再需要象现有技术的分光仪那样作步进进给移动，光学系统就很稳定而测量结果的再现性就改进了。第三，图为只需要相对较小的图象检测器，就避免了整台分光仪成本的提升。

Claims

1、一种阶梯分光仪，其特征在于，它包括：

多个阶梯衍射光栅；

一个单一的图像检测器；

分离装置用于将被所述阶梯衍射光栅所分散的光谱光相应于不同的衍射量级分离成光谱光部分；

成像装置用于将所述光谱光部分成像在所述的单一图像检测器上；以及

一个可移动的快门用于在多个波长范围中选取其中任何一个范围并仅仅允许选中的所述范围内的波长的光谱光通过该快门；

所述阶梯衍射光栅，所述分离装置和所述成像装置之间设置成使得任何所述范围内的光谱光都成像在同一个单一的图像检测器上。

2、如权利要求1所述的阶梯分光仪，其特征在于所述分离装置包括多个元件，每个元件都和所述阶梯衍射光栅中的某一个相关联，从每一个所述阶梯衍射光栅中分散出来的光射到一个与之相关联的所述元件上并被其分离。

3、如权利要求2所述的阶梯分光仪，其特征在于每一束被其中一个所述元件所分散并又射向所述成像镜的光谱光在图像检测器上成像。

4、如权利要求1所述的阶梯分光仪，其特征在于所述快门设置在所述阶梯衍射光栅和所述分离装置之间。

5、如权利要求2所述的阶梯分光仪，其特征在于所述快门设置在所述阶梯衍射光栅和所述分离装置之间。

6、如权利要求3所述的阶梯分光仪，其特征在于所述快门设置在所述阶梯衍射光栅和所述分离装置之间。

7、如权利要求1所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所选择的某一个所述范围而移动所述快门。

8、如权利要求4所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所选择的某一个所述范围而移动所述快门。

9、如权利要求5所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所选择的某一个所述范围而移动所述快门。

10、如权利要求6所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所选择的某一个所述范围而移动所述快门。

11、一种阶梯分光仪，其特征在于，它包括：

一个单一的阶梯衍射光栅；

一个单一的图像检测器；

每一个具有不同焦距的多个成像装置用于将各相应于某一个所述不同衍射量级的所述光谱光部分的每一个像成像在所述的单一图像检测器上；

所述阶梯衍射光栅，所述分离装置和所述成像装置之间设置成使得任何所述范围内的各波长的任何所述光谱光部分都成像在所述的单一的图像检测器上。

12、如权利要求11所述的阶梯分光仪，其特征在于所述快门设置在所述分离装置和所述多个成像装置之间。

13、如权利要求11所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所述范围中已选择的某一范围而移动所述快门。

14、如权利要求12所述的阶梯分光仪，其特征在于还包括一驱动机构用于根据所述范围中已选择的某一范围而移动所述快门。