一種光譜分析儀和光譜分析方法
2023-05-08 20:39:56 2
專利名稱：一種光譜分析儀和光譜分析方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜分析儀和光譜分析方法，尤其涉及一種能夠有效提高窄波段光譜解析度的光譜分析儀和光譜分析方法。
背景技術：
在光譜探測領域中，一般要求光譜採集時間儘可能短，一次採集的光譜範圍要儘可能寬；整個探測系統要堅固緊湊，便於攜帶和戶外使用；這些特性不能犧牲光譜解析度和精度，還要儘可能減少校準和各種漂移補償的工作量。目前，常見的光譜儀的結構有Czerny-Turner結構、Paschen-Runge結構、平場凹面光柵分光系統、中階梯光柵二維分光系統等。中階梯光柵二維分光系統由於其具有體積小、解析度高等優點，在需要高解析度的場合得到較多應用。中階梯光柵二維分光系統，如圖1所示，一般包括光源1、入射狹縫3、準直鏡4、光柵6及稜鏡5、成像鏡7和探測器8。測量光通過一定的聚焦鏡2引入入射狹縫後，經過準直鏡4後獲得的準直光束入射到色散方向互相垂直的光柵6和稜鏡5上，實現入射光的二維色散，經過二維色散後的光入射到成像鏡7上，經過成像鏡7在探測器8的探測面上即像面上獲得一個二維從長波到短波整個寬波段對應的譜圖，即寬譜譜圖。上述中階梯二維分光系統具有下列特點在寬譜譜圖中，譜線在像面上呈現二維分布，即從短波到長波(160 850nm)譜線分布表現出短波譜線分布較疏、長波譜線分布較密的特點。基於上述特點，中階梯光柵二維分光系統具有如下不足1、譜線分布不均勻波長越長，對應的稜鏡折射率越小，則在分光時短波部分的譜線就佔據大部分譜圖，而長波部分的譜線很密集且僅佔據譜圖的少部分，譜線分布不均勻；2、窄波段尤其是長波方向光譜解析度低此類分光系統的光學解析度，受限於中階梯光柵的特性，波長越長，光學解析度越大，分辨效果越差，如長波區域光學解析度會變成短波區域光學解析度的幾倍，如300nm以上波段對應的光學解析度一般會變成短波200nm的2倍以上，嚴重影響了系統的光譜分辨能力；3、測量誤差大稀土元素和副族元素眾多譜線都集中在300 500nm波段，譜線特別密集，在這些場合譜線重疊幹擾比較嚴重，常規的中階梯光柵二維分光系統的光譜解析度不足以分辨出幹擾譜線，使得分光系統無法有效地消除譜線幹擾問題，導致測量誤差，不利於檢測。
發明內容
為了解決現有技術中的上述不足，本發明提供了一種成本較低、可靠性高、能夠改善傳統中階梯光柵二維分光系統窄波段光譜解析度差的問題的光譜分析儀和光譜分析方法。為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發出測量光；光採集單元，所述光採集單元將測量光耦合至分光單元；分光單元，所述分光單元包括第一分光模塊和第二分光模塊，測量光經所述第一分光模塊X方向分光後被所述第二分光模塊進行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經過所述第二分光模塊分光後再被成像單元成像後被探測單元接收；處理單元，所述處理單元處理探測單元接收到的信號，得到窄波段對應的譜圖。進一步，所述第一分光模塊對測量光還進行Y方向的分光，X方向與Y方向不平行。作為優選，所述X方向和Y方向相互垂直。進一步，所述第一分光模塊包括第一稜鏡和第一光柵，所述第一光柵對測量光進行X方向的分光。作為優選，所述第一光柵為中階梯光柵。作為優選，所述第二分光模塊為反射或透射的中階梯光柵或平面光柵或凹面光柵。作為優選，所述成像單元包括第一成像模塊和第二成像模塊，所述探測單元包括第一探測器和第二探測器；測量光經所述第一分光模塊分光後，一部分經第一成像模塊成像後被第一探測器接收，一部分進一步被第二分光模塊分光、再經第二成像模塊成像後被第二探測器接收；所述處理單元處理第一探測器和第二探測器接收到的信號，分別得到寬波段和窄波段對應的譜圖。作為優選，所述第二分光模塊設置在第二成像模塊上。作為優選，所述第一探測器與第二探測器為同一探測器。本發明還提供了一種光譜分析方法，包括以下步驟A、採用上述任一所述的光譜分析儀；B、光源發出的測量光經所述第一分光模塊分光後，進一步被所述第二分光模塊分光，經成像單元成像後被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到窄波段對應的譜圖。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果1、通過第二分光模塊提供的分光能力，顯著提升了窄波段尤其是長波方向對應的光學解析度。2、可以獲得常規從長波段到短波段對應的寬譜譜圖和高分辨的窄波段如長波段對應的譜圖，具有傳統的中階梯光柵譜圖覆蓋波長範圍廣和窄波段對應光譜解析度高的優
點ο3、測量光經兩次分光後被成像探測，其所採用的光學透鏡和面陣探測器成本較低，能夠在有限的成本範圍內達到更好的效果。
圖1為背景技術的中階梯光柵二維分光系統示意圖；圖2為實施例1中的第二分光單元為反射式光柵時的光譜分析儀的結構示意圖。圖3為實施例1中的第二分光單元為透射式光柵時的光譜分析儀的結構示意圖。圖4為常規的中階梯光柵二維分光光學系統獲得的譜圖。圖5為第二光路獲得的譜圖，顯示了從300到500nm譜線分布。圖6為實施例2中第二分光模塊設置在第一分光模塊和第一成像模塊之間時光譜分析儀的結構示意圖；圖7為實施例2中第二分光模塊設置在第一成像模塊和第一探測器之間時光譜分析儀的結構示意圖；圖8為實施例3中光譜分析儀的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1請參閱圖2、圖3，一種光譜分析儀，包括光源、光採集單元、分光單元、成像單元、 探測單元和處理單元；本發明中，所述光源11為電感耦合等離子體(ICP)、雷射器、元素燈、氙燈、火焰等中的一種，本實施例為ICP光源。電感耦合高頻等離子體光源是最常用的原子發射光譜法光源，通常，它是由高頻發生器、感應線圈、等離子矩管和供氣系統等四部分組成；所述光採集單元包括聚焦鏡12、入縫13和聚焦鏡14，所述光採集單元將光源11 發出的測量光耦合至第一分光模塊。所述光源及光採集單元為本領域的現有技術，在此不再贅述。所述分光單元包括第一分光模塊和第二分光模塊，測量光經所述第一分光模塊X 方向衍射分光後被所述第二分光模塊進行相同方向的衍射分光；所述第一分光模塊和第二分光模塊對測量光的分光可以為衍射分光，也可以為折射分光；在本實施例，第一分光模塊包括第一光柵16和第一稜鏡15，所述第一光柵16對測量光進行X方向的衍射分光，所述第一稜鏡15對測量光進行Y方向的折射分光；所述X方向和Y方向不平行。優選的，所述第一光柵16為中階梯光柵。優選的，X方向和Y方向相互垂直。測量光被第一光柵16衍射分光後，各級之間會產生重疊，再通過色散分光方向與第一光柵16相互垂直的第一稜鏡15，在像面上形成二維光譜圖像，能夠得到整個測量波段即寬波段對應的譜圖；但由於中階梯光柵隨著波長變長，衍射級次會變小，從而導致解析度下降，因此長波段譜圖解析度會比短波段差，在分析長波譜線非常豐富的物質時譜線幹擾就比較嚴重，如分析黑色金屬鐵中的稀土元素。為了提高光譜解析度，設置第二分光模塊172 ；所述第二分光模塊172的分光方向與第一光柵16的色散分光方向相同，即與X方向相同；測量光經第一分光模塊分光後進一步被所述第二分光模塊172分光；所述第二分光模塊172為反射或透射的中階梯光柵、平面光柵或凹面光柵。所述測量光經過所述第二分光模塊172分光後再被成像單元成像後被探測單元接收；所述處理單元處理探測單元接收到的信號，得到窄波段如長波段對應的譜圖。所述成像單元包括第二成像模塊19和第一成像模塊171，所述探測單元包括第一探測器18和第二探測器20 ；所述處理單元(圖中未標出)分別與第一探測器18和第二探測器20相連。測量光經所述第一分光模塊分光後，一部分經第一成像模塊171成像後被第一探測器18接收，一部分進一步被第二分光單元172分光、再經第二成像模塊19成像後被第二探測器20接收；將第二探測器20設置在經第二成像模塊19成像後窄波段如長波段對應光譜所在的位置，即可探測得到窄波段如長波段對應的解析度較高的譜圖。本實施例選定的長波段為 300 500nm。所述處理單元處理第一探測器18和第二探測器20接收到的信號，分別得到寬波段對應的譜圖和窄波段如長波段對應的解析度較高的譜圖，請分別參見圖4、圖5 ；其中，圖 5為對圖4長波段進一步分光後得到的譜圖，顯示了從300 500nm的譜線分布。根據需求設置成像單元和探測單元若僅需要得到高解析度的窄波段對應的譜圖，則，成像單元可以僅包括第二成像模塊，探測單元僅包括第二探測器；若需要獲得寬譜段(寬譜段為從長波到短波對應的波段)和窄波段對應的譜圖，則，成像單元包括第一成像模塊和第二成像模塊，探測單元包括第一探測器和第二探測器。本實施例，需要獲得寬波段和窄波段分別對應的譜圖，則成像單元需要包括第一成像模塊和第二成像模塊，探測單元需要包括第一探測器和第二探測器。優選的，在本實施例中，所述第二分光模塊172設置在第一成像模塊上171 ；由於第一成像模塊171的整個像面上均有寬波段包括長波段和短波段的譜線分布，因此用於進一步對窄波段進行分光的第二分光模塊172可以設置在第一成像模塊171上能夠接收到測量光的任一位置。優選的，本實施例中，第一成像模塊171為成像凹面鏡，第二分光模塊172為反射平面光柵；所述第二分光模塊172設置在第一成像模塊171的中心。經過第一分光模塊分光的測量光入射至第一成像模塊171上，一部分經第一成像模塊171成像後被第一探測器18接收；一部分被第二分光模塊172反射或透射後衍射，測量光的方向發生改變，經第二成像模塊19成像後被第二探測器20接收；第二分光模塊172 的引入，增加了系統對窄波段的色散能力，提高了光譜分辨力。所述第二成像模塊19為普通玻璃聚焦鏡，所述第二探測器20為普通面陣探測器。 所述第一成像模塊171與第一探測器18為本領域的現有技術，在此不再贅述。本實施例還提供了一種光譜分析方法，包括以下步驟A、採用本實施例所述的提高光譜解析度的光譜分析儀；B、測量光經所述第一分光模塊分光後，進一步被所述第二分光單元172分光，經成像單元成像後被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到長波段對應的譜圖。
通過第二分光模塊提供的分光能力，顯著提升了窄波段尤其是長波段對應的光學解析度。在獲得常規寬波段譜圖的同時獲得了高分辨的窄波段如長波段譜圖，具有傳統的中階梯光柵譜圖覆蓋波長範圍廣和窄波段光譜解析度高的優點。進行二次分光所採用的光學透鏡和面陣探測器成本較低，能夠在有限的成本範圍內達到更好的效果。實施例2—種光譜分析儀，與實施例1中所述的光譜分析儀不同的是第一成像模塊27與第二分光模塊272為相互獨立的器件，所述第二分光模塊272 設置在第一分光模塊與第一成像模塊27之間，如圖6所示，或設置在第一成像模塊27與第一探測器18之間，如圖7所示。第二分光模塊為反射或透射的凹面光柵，本實施例，所述第二分光模塊272為透射凹面光柵。測量光通過第一分光模塊分光後經過第二分光模塊272分光，第二分光模塊將1 級光從0級光分出，0級光不引入額外的分光能力，因此在第一探測器18上獲得的譜圖維持寬波段譜圖不變，尤其是短波段對應的譜圖，1級光會引入第二分光模塊引入的二次色散， 因此在第二探測器20上就可以獲得具有更高分辨能力的窄波段對應的譜圖。本實施例，窄波段為短波段200 300nm。本實施例還提供了一種光譜分析方法，與實施例1中的光譜分析方法不同的是1、在步驟A中，採用本實施例的光譜分析儀；2、測量光通過第一分光模塊分光後經過第二分光模塊272分光後，第二分光模塊 272將1級光從0級光分出，0級光不引入額外的分光能力，因此在第一探測器18上獲得的譜圖維持寬波段譜圖不變，1級光方向會有第二分光模塊引入的二次色散，因此在第二探測器20上就可以獲得具有更高分辨能力的窄波段如短波段對應的譜圖。實施例3請參閱圖8，一種光譜分析儀，與實施例2中所述的光譜分析儀不同的是成像單元僅包括第二成像模塊19，探測單元僅包括第二探測器20 ；本實施例，窄波段為長波段500nm 650nm。本實施例還提供了一種光譜分析方法，與實施例2中的光譜分析方法不同的是1、在步驟A中，採用本實施例的光譜分析儀；2、測量光通過第一分光模塊分光後經過第二分光模塊272分光，第二分光模塊 272將1級光分出，處理第二探測器20接收到的1級光，可以獲得具有更高分辨能力的窄波段如長波段對應的譜圖。上述實施方式不應理解為對本發明保護範圍的限制。本發明的關鍵是測量光經所述第一分光模塊X方向分光後被所述第二分光模塊進行相同方向的分光，提高了窄波段對應的光譜解析度。在不脫離本發明精神的情況下，對本發明做出的任何形式的改變均應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發出測量光；光採集單元，所述光採集單元將測量光耦合至分光單元；分光單元，所述分光單元包括第一分光模塊和第二分光模塊，測量光經所述第一分光模塊X方向分光後被所述第二分光模塊進行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經過所述第二分光模塊分光後再被成像單元成像後被探測單元接收；處理單元，所述處理單元處理探測單元接收到的信號，得到窄波段對應的譜圖。
2.根據權利要求1所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第一分光模塊對測量光還進行Y方向的分光，X方向與Y方向不平行。
3.根據權利要求2所述的光譜分析儀，其特徵在於所述X方向和Y方向相互垂直。
4.根據權利要求2所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第一分光模塊包括第一稜鏡和第一光柵，所述第一光柵對測量光進行X方向的分光。
5.根據權利要求4所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第一光柵為中階梯光柵。
6.根據權利要求1所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第二分光模塊為反射或透射的中階梯光柵或平面光柵或凹面光柵。
7.根據權利要求1所述的光譜分析儀，其特徵在於所述成像單元包括第一成像模塊和第二成像模塊，所述探測單元包括第一探測器和第二探測器；測量光經所述第一分光模塊分光後，一部分經第一成像模塊成像後被第一探測器接收，一部分進一步被第二分光模塊分光、再經第二成像模塊成像後被第二探測器接收；所述處理單元處理第一探測器和第二探測器接收到的信號，分別得到寬波段和窄波段對應的譜圖。
8.根據權利要求7所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第二分光模塊設置在第二成像模塊上。
9.根據權利要求7所述的光譜分析儀，其特徵在於所述第一探測器與第二探測器為同一探測器。
10.一種光譜分析方法，包括以下步驟A、提供了權利要求1 9任一所述的光譜分析儀；B、光源發出的測量光經所述第一分光模塊分光後，進一步被所述第二分光模塊分光， 經成像單元成像後被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到窄波段對應的譜圖。
全文摘要
本發明涉及一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發出測量光；光採集單元，所述光採集單元將測量光耦合至分光單元；分光單元，所述分光單元包括第一分光模塊和第二分光模塊，測量光經所述第一分光模塊X方向分光後被所述第二分光模塊進行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經過所述第二分光模塊分光後再被成像單元成像後被探測單元接收；處理單元，所述處理單元處理探測單元接收到的信號，得到窄波段對應的譜圖。本發明還提供了一種光譜分析方法。本發明具有窄波段光譜解析度高的優點。
文檔編號G01J3/28GK102564591SQ201110461548
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者俞大海, 俞曉峰, 呂全超, 李萍, 王健, 顧海濤 申請人:聚光科技(杭州)股份有限公司