CN202928949U - 提高光谱探测范围的分光装置及光谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种提高光谱探测范围的分光装置，所述分光装置包括：第一分光单元，所述第一分光单元用于测量光的分光，所述测量光的波长大于等于λ1且小于等于λ2；第二分光单元，所述第二分光单元包括用于测量光经过所述第一分光单元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件Mi，i＝1，2，…N，N≥2；所述第一分光单元和第二分光单元的色散方向相互垂直；探测单元，所述探测单元用于将接收到的所述测量光经过所述第一分光单元或所述色散部件Mi后的光信号分别转换为电信号Ii，i＝1，2，…N，N≥2，并传送到处理电路；处理电路，所述处理电路用于组合接收到的所述电信号Ii，i＝1，2，…N，N≥2，从而得出所述测量光在大于等于λ1且小于等于λ2上的光强分布。本实用新型具有稳定性好、装调容易、可维护性好、成本低的等优点。

Description

提高光谱探测范围的分光装置及光谱分析系统

技术领域

本实用新型涉及复色光的分光，特别涉及能明显提高光谱探测范围的分光装置。 

背景技术

光谱仪是一种对采集到的光谱进行连续分布并进行检测的装置。目前，常见的光谱仪结构有Czerny-Turner结构、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。中阶梯光栅二维分光系统具有体积小，分辨率高等优点，因此在需要高分辨的场合得到较多应用。 

图1示意性地给出了常规中阶梯光栅二维分光系统的基本结构图，如图1所示，所述分光系统包括光源1、集光镜2、入缝3、准直镜4、棱镜5、中阶梯光栅6、成像镜7、探测器8。该分光系统工作过程为：从光源1处发出的光信号经过集光镜2后采集到分光装置中，分光装置包括入缝3、准直镜4、棱镜5、中阶梯光栅6、成像镜7；光信号从入缝3处进入分光装置，光信号以一定的角度发散，经过准直镜4后光信号被准直成平行光入射到由棱镜和光栅组成的二维色散结构，棱镜的色散在垂直方向，光栅的色散在水平方向。经过棱镜和光栅二维色散后的光信号根据波长的不同其衍射角不同，经过成像镜之后，不同衍射角的光信号被成像在成像镜像面上的不同位置，从而实现了分光。 

中阶梯光栅具有独特的衍射特性：大闪耀角衍射，高衍射级次，小于100的刻线数，根据光栅衍射方程 

mλ＝d(sinα+sinβ)， 

中阶梯光栅的使用时通常采用Littrow方式入射，即入射角等于光栅的闪耀角，由此计算出所有波长的级次、衍射角，从结果中发现不同波长的衍射角是相同的，如衍射角等于闪耀角的波长，因此中阶梯光栅存在很严重的级次间重叠，需要一个垂直于光栅色散方向的二次色散来解决级次间重叠问题。 

现有的解决方案是采用一个棱镜来消除级次间的重叠，不同波长的光入射到棱镜后其偏折角是不一样的，偏折角的大小与棱镜的折射率、棱镜的夹角等相关，由于棱镜材料折射率从深紫外到可见光到近红外有着逐渐下降的趋势。图2示意性地给出了MgF₂材料折射率和入射光的波长的关系，如图2所示，随着波长的增加，折射率下降逐渐趋缓。由此可见，不同波长经过棱镜后，相同波长差的两束紫外光的偏折角差值大，可见光和近红外光的偏折角差值小。 

图3示意性地给出了结合棱镜分光和中阶梯光栅二维分光得到的谱图，如图3所示，短波区域的不同级次的谱线间隔大，而长波区域的不同级次的谱线间隔小，产生了比较严重的级次间重叠问题。短波区域级次间隔很大，尤其是180nm以下的深紫外区域，造成了谱图的浪费，使得整张谱图拉伸，需要用较大的矩形探测器才能获取整张谱图，从而大大增加了探测器成本。 

该类分析技术主要有以下不足： 

1、棱镜折射率随着波长变化到深紫外(＜180nm)，折射率迅速增大，导致在分光时深紫外130nm～160nm占据大部分谱图，如图3所示；受制于探测器尺寸限制，目前的中阶梯光栅二维分光系统在短波区域只能探测到160nm左右。对于卤族元素C1、Br、I元素，以及部分非金属元素P、S等元素其最佳检测谱线在130～160nm，无法探测。 

2、在像面上光谱在级次方向上呈现出可见光波段特别密集，紫外光谱波段比较稀疏的特点，在可见光波段不同级次之间的谱线容易互相影响，形成级次重叠，尤其500nm以上的长波波段。 

3、如图3所示，随着波长从短波到长波，光谱谱图在探测器上分布严重不均匀，造成探测器的空间利用率较低。 

4、通常如需采集深紫外波段光谱，需要两次曝光，增加了运动部件，增加了测量时间。 

实用新型内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本实用新型提供一种能够扩展光谱探测范围至深紫外而又不增加探测器尺寸，并且能够改善可见光波段光谱级次重叠问题的分光装置，以及应用该分光装置的光谱分析系统。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种提高光谱探测范围的分光装置，所述分光装置包括： 

第一分光单元，所述第一分光单元用于测量光的分光，所述测量光的波长大于等于λ₁且小于等于λ₂； 

第二分光单元，所述第二分光单元包括用于测量光经过所述第一分光单元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2；所述第一分光单元和第二分光单元的色散方向相互垂直； 

探测单元，所述探测单元用于将接收到的所述测量光经过所述第一分光单元或所述色散部件M_i后的光信号分别转换为电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，并传送到处理电路； 

处理电路，所述处理电路用于组合接收到的所述电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，从而得出所述测量光在大于等于λ₁且小于等于λ₂上的光强分布。 

根据上述的分光装置，所述色散部件M_i同时设置在光路中，i＝1，2，…N，N≥2。 

根据上述的分光装置，所述处理电路用于组合经过强分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的长波长部分和经过弱分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的短波长部分。 

根据上述的分光装置，同方向的测量光中波长λ₁的光经过第一色散部件M₁后的偏折角为θ₁，所述同方向的测量光中波长λ₂的光经过第二色散部件M₂后的偏折角为θ₂，θ₁＝θ₂。 

根据上述的分光装置，所述处理电路用于组合所述探测单元传送来的经过所述第一色散部件M₁后的光信号转换的第一电信号I₁中大于等于λ₁且小于等于λ₃的部分和经过所述第二色散部件M₂后的光信号转换的第二电信号I₂中大于等于λ₃且小于等于λ₂的部分，λ₃大于等于λ₁且小于等于λ₂。 

根据上述的分光装置，所述第二分光单元还包括移动模块，所述移动模块用于使所述色散部件M_i交替地设置在光路中，i＝1，2，…N，N≥2。 

根据上述的分光装置，作为优选，所述色散部件M_i是棱镜，i＝1，2，…N，N≥2。 

根据上述的分光装置，作为优选，所述色散部件M_i采用透射真空紫外波段光的材料。 

本实用新型的目的还通过以下技术方案得以实现： 

一种光谱分析系统，包括光源、采光装置、分光装置及分析单元，所述分光装置采用上述的分光装置。 

根据上述的分析系统，所述光源为电感耦合等离子体、火花直读光源、火焰、辉光放电、微波等离子体、紫外灯。 

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果为： 

1、能够在不增加探测器面积情况下，实现深紫外波段的探测有利于系统的成本控制； 

2、通过棱镜的设计使得130～1050nm之间全波段在探测器采集，并且级次分布比原系统要更均匀，消除了可见光波段的级次间重叠干扰； 

3、一次曝光即可实现全波段覆盖，无需多次曝光，节省测量时间； 

4、130～1050nm全谱数据采集，没有谱线丢失。 

附图说明

参照附图，本实用新型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实用新型的技术方案，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。图中： 

图1是现有技术中阶梯光栅二维分光系统的基本结构图； 

图2是MgF₂材料折射率与波长关系示意图； 

图3是根据图1的分光系统得到的谱图示意图； 

图4是根据实施例1的光谱分析系统的基本结构图； 

图5是根据实施例1的棱镜分光的示意图； 

图6是根据实施例2的光谱分析系统的基本结构图； 

图7是根据本实用新型得到的组合后的光谱示意图。 

具体实施方式

图4-7和以下说明描述了本实用新型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实用新型。为了教导本实用新型技术方案，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实用新型的范围内。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实用新型的多个变型。由此，本实用新型并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。 

实施例1： 

图4示意性地给出了本实施例的光谱分析系统的基本结构图。如图4所示，所述光谱分析系统包括： 

光源11，所述光源为电感耦合等离子体、火花直读光源、火焰、辉光放电、微波等离子体、紫外灯等。 

采光装置，所述采光装置包括集光镜12、入射狭缝13以及准直镜14。 

分光装置，所述分光装置用于所述光源发出的测量光的分光和探测，具体请参见下部分描述。 

分析单元，所述分析单元利用吸收光谱分析技术或发射光谱分析技术分析所述分光装置传送来的信号。分析单元是本领域的现有技术，在此不再赘述。 

所述分光装置包括： 

第一分光单元16，所述第一分光单元用于所述光源发出的测量光的第一次分光，具体采用分光光栅等分光器件，如中阶梯光栅。所述测量光的波长大于等于λ₁且小于等于λ₂。 

可选地，所述波长λ₁＝130nm、所述波长λ₂＝1050nm。 

第二分光单元15，所述第二分光单元包括用于测量光经过所述第一分光单元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2。第二分光单元和第一分光单元的色散方向相互垂直。 

可选地，所述色散部件M_i同时处于光路上，i＝1，2，…N，N≥2，具体采用楔角不同的两棱镜(可以是两个楔角不同的棱镜或一个棱镜的两个楔角不同的部分)，使得同方向的测量光中波长λ₁＝130nm的光经过楔角小的棱镜M₁后的偏折角为θ₁，所述同方向的测量光中波长λ₂＝1050nm的光经过楔角大的棱镜M₂后的偏折角为θ_2，θ₁＝λ₂。 

可选地，所述色散部件M_i处于所述第一分光单元分光前的光路上，或分光后的光路上，或分光前和分光后的光路上。 

可选地，所述棱镜采用透射真空紫外波段光的材料，如氟化镁、氟化钙或氟化锂。 

成像镜17，测量光经过第一、第二分光单元分光后的光经过所述成像镜7后成像在探测单元上。 

探测单元18，所述探测单元用于将接收到的所述测量光经过所述色散部件M_i后的光信号分别转换为电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，并传送到处理电路； 

处理电路，所述处理电路用于组合接收到的所述电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，从而得出所述测量光在大于等于λ₁且小于等于λ₂上的光强分布，并送所述分析单元。 

可选地，所述处理电路用于组合经过强分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的长波长部分和经过弱分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的短波长部分。对于上述两棱镜作为色散部件而言，所述处理电路用于组合所述探测单元传送来的经过所述楔角小的棱镜M₁后的光信号转换的第一电信号I₁中大于等于λ₁且小于等于λ₃的部分和经过所述楔角大的棱镜M₂后的光信号转换的第二电信号I₂中大于等于λ₃且小于等于λ₂的部分，λ₃大于等于λ₁且小于等于λ₂。 

图5示意性地给出了棱镜的分光图，如图5所示，通过上述楔角的设计，保证了棱镜上下两部分出射光谱不重叠，在一个方形的常规探测器18上获得从130nm到1050nm的完整的谱图。另外棱镜的上部夹角小，棱镜产生的色散较小，获得谱图级次间间隔较密；棱镜的下部夹角大，棱镜产生的色散较大，获得谱 图级次间的间隔较疏，组合棱镜上下部分组成的谱图，就可以获得一个完整的全谱谱图，并且使得长波部分的谱图级次间隔较原先的疏，短波部分的谱图级次间隔较原先的密，从而使得整张谱图级次间隔较原先设计均匀，130nm到1050nm之间的谱线可以在一张谱图上排布下来，如图7所示，有效地提高了光谱探测范围。 

一种光谱分析方法，所述光谱分析方法包括以下步骤： 

出光步骤，利用电感耦合等离子体、火花直读光源、火焰、辉光放电、微波等离子体、紫外灯等光源发出测量光。 

采光步骤，利用集光镜、入射狭缝等部件实现测量光的收集； 

分光步骤，用于测量光的分光、探测，具体包括以下步骤： 

(A1)测量光经过第一分光单元(如中阶梯光栅)的分光，所述测量光的波长大于等于λ₁且小于等于λ₂； 

可选地，所述波长λ₁＝130nm、所述波长λ₂＝1050nm。 

(A2)经过所述第一分光单元分光后的光同时经过第二分光单元再次分光，第二分光单元包括分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2；第二分光单元和第一分光单元的色散方向相互垂直。 

可选地，所述色散部件M_i同时处于光路上，i＝1，2，…N，N≥2，具体采用楔角不同的两棱镜，使得同方向的测量光中波长λ₁＝130nm的光经过楔角小的棱镜M₁后的偏折角为θ₁，所述同方向的测量光中波长λ₂＝1050nm的光经过楔角大的棱镜M₂后的偏折角为θ₂，θ₁＝θ₂。 

可选地，所述棱镜采用透射真空紫外波段光的材料，如氟化镁、氟化钙或氟化锂。 

(A3)探测单元将接收到的所述测量光经过所述色散部件M_i后的光信号分别转换为电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，并传送到处理电路； 

(A4)处理电路组合接收到的所述电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，从而得出所述测量光在大于等于λ₁且小于等于λ₂上的光强分布。 

可选地，所述处理电路用于组合经过强分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的长波长部分和经过弱分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的短波长部分。对于上述两棱镜作为色散部件而言，所述处理电路用于组合所述探测单元传送来的经过所述楔角小的棱镜M₁后的光信号转换的第一电信号I₁中大于等于λ₁且小于等于λ₃的部分和经过所述楔角大的棱镜M₂后的光信号转换的第二电信号I₂中大于等于λ₃且小于等于λ₂的部分，λ₃大于等于λ₁且小于等于λ₂，如图7所示。 

分析步骤，分析单元处理传送来的测量光在大于等于λ₁且小于等于λ₂上的光强分布，从而获得待测物的含量或浓度。 

实施例2： 

图6示意性地给出了实施例1的光谱分析系统的基本结构图。如图6所示，与实施例1不同的是： 

1、楔角不同的棱镜是分时间地处于光路中，具体由移动模块去驱动所述楔角不同的棱镜。 

2、处理电路处理探测单元接收到的当楔角不同的棱镜处于光路中时的谱图，如利用软件将前后两次获得的谱图组合成一个完整的谱图。 

一种光谱分析方法，与实施例1不同的是： 

1、楔角不同的棱镜是分时间地处于光路中，具体由移动模块去驱动所述楔角不同的棱镜25、29。探测单元需要两次采集谱图。 

2、处理电路处理探测单元接收到的当楔角不同的棱镜处于光路中时的谱图，如利用软件将前后两次获得的谱图组合成一个完整的谱图。 

实施例3： 

根据实施例1的光谱分析系统和方法在冶金工业中的应用例，根据国家标准(GB/T20125-2006)规定，需要使用电感耦合等离子体-原子发射光谱仪器鉴定低合金钢，被测元素为硅、锰、磷、镍、铬、钼等。在该应用例中，磷等元素的适于检测的谱线处于深紫外波段，如，P：153.592nm。因此，所述分析系 统中分光装置的探测范围要扩展到深紫外波段，探测范围大于等于130nm且小于等于1050nm。 

在该应用例中，光源采用电感耦合等离子体，从而激发待测的不同牌号的钢样品。第二分光单元中小楔角棱镜的楔角为20度，大楔角棱镜的楔角为32度，从而使得波长为130nm的光通过小楔角棱镜M₁后的偏折角等于波长为1050nm的光通过大楔角棱镜M₂后的偏折角，从而使得一次曝光再经组合后即可获得测量光在大于等于130nm且小于等于1050nm上的光强分布，如图7所示。 

实施例4： 

根据实施例1的光谱分析系统和方法在污染源监测中的应用例，根据国家规定，需要监测烟气排放中二氧化硫、一氧化氮、硫化氢等有害气体的浓度。在该应用例中，二氧化硫等气体适于检测的谱线处于紫外波段。光源采用紫外氙灯，光源发出的测量光穿过被测气体，被被测气体吸收后的测量光通过采光装置后送分光装置，分光后被探测器如CCD接收。 

Claims (10)

1.一种提高光谱探测范围的分光装置，所述分光装置包括：

第一分光单元，所述第一分光单元用于测量光的分光，所述测量光的波长大于等于λ₁且小于等于λ₂；

第二分光单元，所述第二分光单元包括用于测量光经过所述第一分光单元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2；所述第一分光单元和第二分光单元的色散方向相互垂直；

探测单元，所述探测单元用于将接收到的所述测量光经过所述第一分光单元或所述色散部件M_i后的光信号分别转换为电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，并传送到处理电路；

处理电路，所述处理电路用于组合接收到的所述电信号I_i，i＝1，2，…N，N≥2，从而得出所述测量光在大于等于λ₁且小于等于λ₂上的光强分布。

2.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：所述色散部件M_i同时设置在光路中，i＝1，2，…N，N≥2。

3.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：所述处理电路用于组合经过强分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的长波长部分和经过弱分光能力的色散部件后的光信号转换的电信号中的短波长部分。

4.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：同方向的测量光中波长λ₁的光经过第一色散部件M₁后的偏折角为θ₁，所述同方向的测量光中波长λ₂的光经过第二色散部件M₂后的偏折角为θ₂，θ₁＝θ₂。

5.根据权利要求4所述的分光装置，其特征在于：所述处理电路用于组合所述探测单元传送来的经过所述第一色散部件M₁后的光信号转换的第一电信号I₁中大于等于λ₁且小于等于λ₃的部分和经过所述第二色散部件M₂后的光信号转换的第二电信号I₂中大于等于λ₃且小于等于λ₂的部分，λ₃大于等于λ₁且小于等于λ₂。

6.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：所述第二分光单元还包 括移动模块，所述移动模块用于使所述色散部件M_i交替地设置在光路中，i＝1，2，…N，N≥2。

7.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：所述色散部件M_i是棱镜，i＝1，2，…N，N≥2。

8.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于：所述色散部件M_i采用透射真空紫外波段光的材料。

9.一种光谱分析系统，包括光源、采光装置、分光装置及分析单元，其特征在于：所述分光装置采用权利要求1-8中任一所述的分光装置。

10.根据权利要求9所述的分析系统，其特征在于：所述光源为电感耦合等离子体、火花直读光源、火焰、辉光放电、微波等离子体、紫外灯。 

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