放大、消色差和低吸收光收集系統,特別適用於光學的光譜分析的製作方法
2023-05-17 00:03:26 2
專利名稱：放大、消色差和低吸收光收集系統,特別適用於光學的光譜分析的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光收集系統。它特別適用於光學的光譜分析。
更具體地，本發明涉及一種具有不同技術性能的反射鏡在光路區的組合。
這些反射鏡在一個特定的系統中相互關聯，該特定系統形成一光學系統以收集來自光源的光並將其發送至一個光學檢測設備，該光學檢測設備至少在光學的光譜分析領域並且有可能在其它光學應用中被使用。
圖1概括性地顯示了設置在光源4和有一光入射狹縫8通過其的光檢測系統6之間的一光收集系統2。光路用參照數字10標註。
背景技術：
目前使用的光收集系統是基於—入射光的性質，換句話說，組成入射光的光輻射的波長，—光源與檢測設備分開的距離，以及—光源與檢測設備的尺寸和形狀。
有許多光學系統用於多色光源，光源的尺寸從幾毫米變化到幾十毫米並且設置在距離檢測設備幾毫米到幾十釐米處。
例如，對於一種檢測設備，其中，光僅可以穿過一個被稱為「入射狹縫」的幾毫米長和幾微米寬的小狹縫，現有的光傳輸及收集系統或者由具有若干平行面的一板組成，或者由一個平面-凸面或雙凸聚焦透鏡組成，或者由成套的兩個平面-凸面聚焦透鏡組成。
圖2顯示了在由具有若干平行面14的一板組成的光傳輸系統的情況下的光路12。參考數字16、18、20、22和23分別顯示光源、檢測設備、後者的入射狹縫、光路和進入檢測設備的光束。
圖3顯示了在由一個雙凸聚焦透鏡26組成的光收集系統的情況下的光路24。
圖4顯示了由成套的兩個平面-凸面聚焦透鏡30和32組成的光收集系統的情況下的光路28。
圖2的系統傳輸未聚焦的光，換句話說，沒有放大光通量。圖3和4的系統收集聚焦之前來自光源16的最大光量的光，換句話說，通過放大光通量將光集中到檢測設備18的入射狹縫20上。如果光收集系統進一步比光源更遠離檢測設備，使用一套透鏡的系統(圖4)使的可能根據兩個透鏡30和32之間的基本平行光束來傳輸光並因此使在入射狹縫20上差聚焦的風險最小。
儘管圖3和4的光收集系統放大了光通量，這些系統具有以下缺點。
1)它們不能實現光的優化傳輸。這些光學元件(具有平行面的板或透鏡)依據於輻射的波長而在可變程度上吸收光線。
這種吸收有時是可以忽略的，特別是可見光例如通過氟化鎂透鏡的情況。對於遠紫外區的輻射(相應於小於200nm的波長)，這種吸收經常較大。
例如，在120nm波長輻射的情況下，大約80％的入射光通量被厚1.4mm的氟化鎂透鏡吸收。類似地，高於800nm(紅外區)的情況下，吸收會高。
2)由於存在色差尤其是縱向色差，它們不能將組成多色光的具有不同波長的所有輻射聚焦在一點上。上述色差的結果是作為輻射波長的函數，聚焦點沿光軸分散。
這種現象是由於製做光收集系統的材料的折射率作為入射光波長的函數而變化，對於通過由氟化鎂製成的透鏡34的多色光，縱向色差的形成例如顯示在圖5中。
在圖5中，參考數字36代表多色入射光，參考數字38代表具有最短波長的光的焦點，參考數字40代表具有最長波長的光的焦點，參考數字42代表檢測設備，參考數字44代表檢測設備的入射狹縫，參考數字46代表最短波長的像點並且參考數字48代表最長波長的像點。
圖5顯示了作為結果在入射狹縫處出現的局部閉合。
當觀測的波長範圍很寬並致使檢測設備靈敏度作為波長的函數而產生差別時，取決于波長的不同焦點的問題是特別嚴重的。
作為一種實施例，對於兩種具有不同波長的光線，在光軸上一給定位置處的光通量相互不同。如果入射狹縫放置在兩種波長之一的焦點上時它可能最大，但是對於第二種波長必定降低。
總起來說，儘管包括聚焦透鏡的已知光收集系統部分滿足了光通量放大的需求，對於多色光的所有波長，它們不可能同時使這种放大最大化。
這首先是由於有時由製成透鏡的材料引發的嚴重的光吸收，並且其次是由於縱向色差(光軸上光通量最大值的位置之間的差異)。
也有必要研究一個或多個多色光源，特別是其光譜含有一種或多種紫外線分量的一個或多個光源。接著需要在光線被收集並聚焦到檢測系統之後檢測由上述光源發出的光。
然而，已知的光收集系統在從光源直到檢測設備的路徑上不包含任何使紫外線輻射的吸收最小化，同時在一點上消色差地放大光通量並且防止檢測設備接收來自除所研究光源之外的光源的紫外線的裝作是。
發明內容
本發明的目的在於改正上述的缺點。
它的目的在於一種光學系統，其可以解決光吸收問題和色差問題，同時滿足在一個或多個光源和一個或多個檢測設備之間的(所有特性和波長的)光通量的放大的需求。
具體而言，本發明的目的是一種光收集系統，該系統用於收集由至少一個光源發出的光並將收集的光聚焦到至少一個光檢測設備上，所述系統的特徵在於它包括至少兩個反射鏡，即第一反射鏡和第二反射鏡，第一反射鏡能夠收集由光源發出的光並將收集的光聚焦到第二反射鏡上，所述第二反射鏡能夠將其從第一反射鏡接收的光聚焦到光檢測設備上，所述設備進行放大和消色差並具有低吸收，特別是紫外線，並且所述系統設有一個對所有光線尤其是紫外線輻射不透明的腔體，在其內設有光源、光檢測設備和這些反射鏡，以及在所述腔體內產生真空或者用對紫外線透明的氣體填充其內的裝置。
光檢測設備可以包括或不包括入射狹縫。
根據本發明系統的第一特定實施例，第一和第二反射鏡具有相同的軸，所述軸形成系統的光軸，並且第一和第二反射鏡各自的焦點位於所述光軸上。
所述第一和第二反射鏡各自的焦點可以為重合的，或者它們可以為不同的。
在第一特定實施例的情況下，第一反射鏡可以包括一個中心鑽孔，其能夠允許由第二反射鏡聚焦的光傳向光檢測設備。
根據第二種特定的實施例，第一和第二反射鏡相互偏移，第一和第二反射鏡中至少之一為離軸的。
第一和第二反射鏡均可以選自球面鏡、拋物柱面鏡和橢球面鏡。
第一和第二反射鏡均可以用金屬的或化學的沉積物覆蓋。
光檢測設備可以包括一個入射狹縫並且第二反射鏡被設計成將其從第一反射鏡接收的光聚焦到所述入射狹縫上。
光檢測設備可以為一種包括一個入射狹縫的光學光譜分析設備，並且第二反射鏡被設計成將其從第一反射鏡接收的光聚焦到所述入射狹縫上。
光源可以為一種多色光源。
由所述光源發出的光可以含有一種或多種紫外線分量。
所述光源可以為一個發光放電燈。
參照附圖，通過閱讀對下面實施例的描述將會更好地理解本發明，所給出的實施例僅僅是作為指導並且絕非是限制性的，其中，圖1概括性地顯示了一種已被描述過的、設置於光源和光檢測設備之間的光收集系統；圖2概括性地顯示了已被描述過的、由一個具有平行表面的平板組成的已知光傳輸系統的情況下的光路；圖3概括性地顯示了已被描述過的、由一個雙凸聚焦透鏡組成的已知光傳輸系統的光路；圖4概括性地顯示了已被描述過的、由成套的兩個平面-凸面聚焦透鏡組成的已知光傳輸系統的情況下的光路；圖5顯示了已被描述過的、在圖3和4中對於多色光的情況下，存在於檢測設備的入射狹縫處的局部閉合；圖6顯示了根據本發明第一特定實施例的光學系統簡圖，使用了設置於光軸上的兩個反射鏡，光源比這些反射鏡大。
圖7顯示了根據本發明第二特定實施例的光學系統簡圖，使用了設置於光軸上的兩個反射鏡，光源比這些反射鏡小。
圖8顯示了根據本發明第三特定實施例的光學系統簡圖，使用了兩個反射鏡，至少其中之一為離軸的。
圖9概括性地顯示了光在一種裝置內的傳輸，該裝置包括一個發光放電光源、根據本發明的具有反射鏡的光收集系統以及一個由光學發射分光計組成的光檢測設備，並且圖10顯示了根據本發明另一種系統的簡圖，使用了多於兩個的反射鏡。
具體實施例方式
根據本發明的一種光學系統優選使用兩個分別被稱作「第一反射鏡」和「第二反射鏡」的反射鏡。所述兩個反射鏡的形狀和性能被預先確定並且在所述反射鏡上可以形成或不形成金屬的或化學的沉積物。
在反射鏡上形成的所述金屬的或化學的沉積物的目的是保護反射鏡不受可能的機械的或化學的侵襲並使光線的吸收最小。
第一反射鏡被設計成收集來自光源的最大光量，光源後面設有光學系統，並將這樣收集的光聚焦到第二反射鏡上。所述第二反射鏡隨後將其接收的光聚焦到光學系統後面的光檢測設備上。
所述設備通常包括一個入射狹縫並且第二反射鏡隨後將其接收的光聚焦到所述狹縫。在本發明的一種優選應用中，所述設備為一個實際上包括這種狹縫的光學發射分光計。
反射鏡的尺寸取決於光源的能量和尺寸、光源和反射鏡之間的距離以及反射鏡和檢測設備或者更確切地是所述設備中的狹縫之間的距離。
第一和第二反射鏡為聚焦的，其使放大光通量成為可能。
而且，使用第一和第二反射鏡代替透鏡解決了以上提到的光吸收問題。
色差問題通過使用本身無色效應的反射鏡得以解決。
使用的第一反射鏡最好是球面的、拋物柱面的或橢球面的反射鏡。對於第二反射鏡也是如此。
當兩個反射鏡具有相同的軸並且它們各自的焦點或者聚焦點設置在形成系統的光軸的該相同軸上時，在第一反射鏡中有一個孔以允許來自第二反射鏡的光線傳輸至光檢測設備(圖6、7和10中實施例的情況)。
在兩個反射鏡相互偏移以形成一個離軸裝置的情況下，無需在第一反射鏡中鑽孔(圖8中實施例的情況)。
現在，我們將再考慮圖6-8中的實施例。
圖6概括性地顯示出的根據本發明的光學系統50設置在光源52和光檢測設備54之間，用參考數字56標註入射狹縫。
系統50的第一反射鏡58為凹面的，同時該系統的第二反射鏡60為凸面的。由光源52發出的光62被反射鏡58拾取並被後者聚焦到反射鏡60上，反射鏡60依次將光聚焦到狹縫56上。
在圖6所示的實施例中，光源52的尺寸比得上反射鏡58和60的尺寸。然而，它可以更大。
系統50的光軸用參考數字X1標註。可以看出反射鏡58比反射鏡60大得多並位於該反射鏡和設備54之間，並且包括一個鑽孔64，通過該鑽孔傳輸由反射鏡60聚焦到狹縫56上的光。
而且，反射鏡58和60例如可以為球形的，並具有與軸X1重合的相同軸並且它們各自的焦點F1和F2在該軸X1上。反射鏡58和60的焦距分別用d1和d2表示，其中，d1大於d2。在圖6所示的實施例中，焦點F1和F2為不同的，但在其它實施例中它們可以為重合的。
光學系統66與圖7概括性地顯示出的本發明一致，設置在光源68和光檢測設備70之間，入射狹縫用參考數字72標註。
系統66的第一反射鏡74為凹面的，同時系統66的第二反射鏡76為凸面的。從光源68發出的光78由反射鏡74拾取並被後者向反射鏡76聚焦，反射鏡76依次將光聚焦到狹縫72上。
在圖7所示的實施例中，與反射鏡74和76的尺寸相比，光源68的尺寸小。例如，它可以小16倍。
系統66的光軸用參考數字X2標註。可以看出反射鏡74比反射鏡76大得多，位於後者和設備70之間並且它包括一個鑽孔80，由反射鏡76聚焦的光通過該鑽孔傳輸到狹縫72上。
而且，反射鏡74和76例如可以為球形，並具有與軸X2重合的相同軸並且它們各自的焦點F3和F4在相同的軸X2上。反射鏡74和76的焦距分別用d3和d4表示，其中，d3大於d4。在圖7所示的實施例中，焦點F3和F4為不同的，但在其它實施例中它們可以為重合的。
圖8概括性地顯示出的根據本發明的光學系統80設置在光源82和光檢測設備84之間，對此，入射狹縫用參考數字86標註。
系統80的第一反射鏡88為凹面的，同時該系統的第二反射鏡90為凸面的。從光源82發出的光92由反射鏡88拾取並被後者向反射鏡90聚焦，反射鏡90依次將光聚焦到狹縫86上。
可以看出反射鏡88比反射鏡90大得多。兩個反射鏡88和90相互偏移並相對於光軸為離軸的。而且，反射鏡74和76例如為球形的並且它們各自的焦點重合在相同的點F上。反射鏡74和76的焦距分別用d5和d6表示，其中，d5大於d6。
因此，由任何光源52、68和82發出的任何多色光聚焦在相應的光檢測設備的入射狹縫上。
現在，我們將描述本發明的示例應用，僅僅是為了告知目的並且絕非是限制性的；我們將考慮光學發射分光計的情況，其將發光放電用於發射譜線的光譜分析，例如，位於120nm和160nm之間的碳、氫、氧和氮的發射譜線。
以上給出的實施例(圖6-8)可應用於使用光學系統來優化從發光放電電池(cell)或燈(形成光源)輸出向光學波長色散分光計(組成檢測系統)的光的收集的情況。
這種類型的光源發出多色光，對此，射線在穿透檢測系統後，作為其波長的函數被色散。
參見圖9，其顯示了一個光放電燈94、一個光學波長色散發射分光計96和一個根據本發明的具有反射鏡的光收集系統98。圖9的裝置94-96-98中的光所跟隨的路徑用參考數字100標註。
使用反射鏡使放大光通量並且特別是解決上面提到的吸收和色差問題成為可能。在發光放電電池內的輻射去激期間，對於分別由氫、氧、氮和碳元素髮射的波長為121.567nm、130.217nm、149.262nm和156.44nm的光，可以使用圖9中的組件94-96-98。
圖9概括性地闡明了根據本發明的系統的變形實施例除了由光源94輸出的光之外，光學系統98可以處理由另一個光源102輸出的光並且由於對所考慮的光使用一個半透明反射鏡104，該光被迫沿相同的路徑100而行。
除分光計96之外，由光學系統98輸出的光也可以通過分光計106進行處理。
隨後設置一種適當的半透明反射鏡108以將來自系統98的光轉移到分光計106的狹縫110上。
根據本發明的光收集系統的使用實現了—通過該光收集系統使從光源到檢測系統的光通量最大(放大)，—通過光學元件使光線的吸收最小，並且—將具有不同波長的所有光線聚焦到相同點上(消色差)。
根據本發明的系統可以在傳輸的和收集的光通量以及可同時觀測的光譜範圍方面提供相當多的益處。
它可以和任何已知的光檢測設備一起使用。
它不局限於在光線的紫外區使用。
而且，它不局限於和發光放電燈一起使用，而是可以和任何光源一起使用。
該系統不局限於兩個反射鏡(參見圖10的說明)。
而且，它不局限於使用具有球面、拋物柱面和橢球面形狀的反射鏡。
它也不局限於C、H、O和N元素的光譜分析；它也應用於任何化學元素的光譜分析。
圖10顯示了圖6的一種變形實施例，其中，除反射鏡58和60之外使用了另一個反射鏡112，以便將系統50輸出的光向設備54中的狹縫56反射。
例如，當該設備不能與光源52放在一條直線上時可以使用上述配置。
現在，我們來考慮圖6-10中的實施例。
使用檢測設備54、70和84，我們可以打算研究多色光，特別是多色光源，對此，光譜含有一種或幾種紫外線分量。上面已經考慮到這種可能性，特別是光源為發光放電燈或電池的情況。
根據本發明，設置一個對所有光線特別是紫外線不透明的腔體，並且在其內設有光源、檢測設備和反射鏡，從而使測量不受幹擾。也設置了在腔體內產生真空，或者用對紫外線透明的氣體填充腔體的裝置。
這一點在圖6中概括性地進行了解釋說明，其顯示了一個被封閉並對所有光線不透明的腔體114，並且在腔內設有光源52、反射鏡58和60以及設備54。該腔體例如可以由金屬如不鏽鋼製成。
設置抽運裝置116以在腔體內產生真空，從而清除可吸收紫外線的所有氣體如水蒸氣或二氧分子氧。
腔體114和泵裝置116也概括性地顯示在圖9和10中。
在圖7的實施例中，這些泵裝置可以由用對紫外線透明並且例如不含有水或二氧分子氧的氣體填充腔體114的裝置代替。例如，可以使用純淨的分子氮或稀有氣體如氬氣。
用氣體填充腔體114的裝置包括將氣體注入腔體的裝置118。孔119與腔體內的氣體入口位置相隔一定距離，設置在腔體的壁上以允許氣體逸出(之後，可以通過未示出的裝置抽運該氣體)。結果是氣體隨後在腔體內循環。
在圖6所示的實施例中，腔體為剛性的。然而，也可以使用「彈性」腔體。
這一點概括性地顯示在圖8中，其中，腔體由幾個部分製成；使用了含有反射鏡的主腔體120以及含有光源82的輔助腔體122，所述輔助腔體122通過金屬波紋管124以密閉方式連接到腔體120上。此外，檢測設備84位於密閉腔體126中並且該腔體通過另一個金屬波紋管128以密閉方式連接到腔體120上。
設備、反射鏡和光源由于波紋管而位於一個「彈性」腔體內。特別是，這使移動反射鏡以改進聚焦設定成為可能。
有利地是，所述「彈性」腔體也可以用在圖6、7、9和10的實施例中。
在本發明未示出的一種實施例中，例如以含有光源和反射鏡的管道形式使用一剛性腔體，並且該腔體通過一個剛性或彈性導管(波紋管)以密閉方式連接到另一個含有檢測設備的密閉腔體。
腔體間進行的所有連接是顯然的以不防礙光從光源到檢測設備的傳播。
權利要求
1.光學的光收集系統，所述系統(50、66、80)用於收集由至少一個光源(52、68、82、94、102)發出的光並將收集的光聚焦到至少一個光檢測設備(54、70、84、96、106)上，所述系統的特徵在於它包括至少兩個反射鏡，即第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡(58、74、88)能夠收集由光源發出的光並將收集的光聚焦到第二反射鏡，所述第二反射鏡(60、76、90)能夠將其從第一反射鏡接收的光聚焦到光檢測設備上，所述系統進行放大和消色差，並具有低吸收，特別是在紫外區，並且所述系統設有一個對所有光線特別是紫外線輻射不透明的腔體，並且在其內設置有光源、光檢測設備和反射鏡，以及在所述腔體內產生真空或用對紫外線輻射是透明的氣體填充腔體的裝置。
2.根據權利要求1的系統，其中，第一和第二反射鏡(58、60；74、76)具有相同的軸(X1，X2)，所述相同的軸形成了系統的光軸，並且第一和第二反射鏡各自的焦點(F1，F2；F3，F4)位於所述光軸上。
3.根據權利要求2的系統，其中，第一和第二反射鏡各自的焦點(F1，F2；F3，F4)為重合的。
4.根據權利要求2的系統，其中，第一和第二反射鏡各自的焦點(F1，F2；F3，F4)為不同的。
5.根據權利要求2-4中任何一項的系統，其中，第一反射鏡包括一個中心鑽孔(64、80)，其能夠允許由第二反射鏡聚焦的光傳向光檢測設備。
6.根據權利要求1的系統，其中，第一和第二反射鏡(88、90)為相互偏移的，第一和第二反射鏡中至少一個為離軸的。
7.根據權利要求1-6中任何一項的系統，其中，第一和第二反射鏡(58、74、88；60、76、90)均選自球面鏡、拋物柱面鏡和橢球面鏡。
8.根據權利要求1-7中任何一項的系統，其中，第一和第二反射鏡(58、74、88；60、76、90)均由金屬的或化學的沉積物覆蓋。
9.根據權利要求1-8中任何一項的系統，其中，光檢測設備包括一個入射狹縫(56、72、86、110)並且第二反射鏡被設計成將其從第一反射鏡接收的光聚焦到所述入射狹縫。
10.根據權利要求1-8中任何一項的系統，其中，光檢測設備為一個包括入射狹縫的光學光譜分析設備(96)，並且第二反射鏡被設計成將其從第一反射鏡接收的光聚焦到所述入射狹縫。
11.根據權利要求1-10中任何一項的系統，其中，由光源發出的光含有一種或多種紫外線分量。
12.根據權利要求1-11中任何一項的系統，其中，光源為發光放電燈。
全文摘要
該系統收集由至少一個光源(52)發出的光並將其聚焦到至少一個光檢測設備(54)上。優選地，它包括一個第一反射鏡(58)，其收集由光源發出的光並將其聚焦到第二反射鏡(60)上，第二反射鏡(60)依次將光聚焦到設備上。該系統設有一個對所有光線線特別是紫外線不透明的腔體，並且在其內設有光源、光檢測設備和反射鏡，以及在該腔體內產生真空並用對紫外線透明的氣體填充腔體的裝置。
文檔編號G01J3/28GK1703644SQ200380101112
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月7日 優先權日2002年10月8日
發明者讓－查理·胡比諾伊斯, 樊尚·拉瓦納, 埃爾韋·肖萊 申請人:原子能委員會