專利名稱：一種用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高分辨率、測(cè)試速度快的中階梯光柵光譜儀， 具體的涉及一種用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
中階梯光柵光譜儀屬于光譜分析儀器，與傳統(tǒng)的單道掃描光譜儀相比較，中階梯光柵光譜儀具有檢出限低、波段寬、單色器無(wú)移動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)需多次掃描曝光便可實(shí)現(xiàn)多元素光譜的瞬態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，利于實(shí)現(xiàn)高智能化和自動(dòng)化，代表了光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。前者光學(xué)系統(tǒng)廣泛采用C zerney-Turner (C— Τ)結(jié)構(gòu)形式結(jié)
構(gòu)，色散元件采用普通閃耀光柵，為了避免級(jí)次重疊只能使用低衍射級(jí)次(如一 1級(jí)或一 2 級(jí))。先進(jìn)從光源發(fā)出的光穿過(guò)入射狹縫后，反射到一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的光柵上，該光柵將光色散后，經(jīng)反射使某一條特定波長(zhǎng)的光通過(guò)出射狹縫投射到光電倍增管上進(jìn)行檢測(cè)。光柵轉(zhuǎn)動(dòng)至某一固定角度時(shí)只允許一條特定波長(zhǎng)的光線通過(guò)該出射狹縫，隨光柵角度的變化，譜線從該狹縫中依次通過(guò)并進(jìn)入檢測(cè)器檢測(cè)，完成一次全譜掃描；和多道光譜儀相比，單道掃描光譜儀波長(zhǎng)選擇更為靈活方便，分析樣品的范圍更廣，適用于較寬的波長(zhǎng)范圍。但由于完成一次掃描需要一定時(shí)間，因此分析速度受到一定限制。后者光學(xué)系統(tǒng)采用中階梯光柵和棱鏡交叉色散光學(xué)結(jié)構(gòu)，色散元件采用中階梯光柵和棱鏡。由于采用了高衍射級(jí)次的中階梯光柵，其衍射譜存在嚴(yán)重的級(jí)次重疊，因此需要用一低色散元件(棱鏡或平面光柵)將重疊在一起的各級(jí)次光譜分離開來(lái)，即進(jìn)行交叉色散(相對(duì)于中階梯光柵的色散方向或被稱為橫向色散)，使入射單束光分解為二維光譜，按波長(zhǎng)與級(jí)次的順序由聚焦鏡聚焦在探測(cè)器靶面上，因此，中階梯光柵光譜儀可以在一次曝光中獲得很寬波段的光譜信號(hào)。此光學(xué)結(jié)構(gòu)光譜儀具有小型化、高分辨率、快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，代表了光譜儀的發(fā)展趨勢(shì)。在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中目前主要有軸向、徑向、雙向三種觀測(cè)方式，徑向觀測(cè)即炬管垂直觀測(cè)；軸向觀測(cè)即矩管水平放置，觀測(cè)火焰端部即軸向；雙向觀測(cè)即矩管水平放置，可以觀測(cè)徑向和軸向。在等離子體發(fā)射光譜中，其發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于光源通道的長(zhǎng)度，而徑向觀測(cè)的受狹縫高度的限制，其光源通道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)比軸向觀測(cè)有限， 從而造成其檢出限相對(duì)于軸向觀測(cè)高出數(shù)倍，同時(shí)采用徑向觀測(cè)時(shí)檢測(cè)器不可避免的接受到環(huán)形區(qū)較強(qiáng)的輻射背景，降低了測(cè)定時(shí)的信背比。而水平觀測(cè)可以接受比較強(qiáng)的發(fā)射信號(hào)，保證較低的檢出限和背景強(qiáng)度(即背景等效濃度比較小)，具有較高的信背比及較低檢出限的優(yōu)點(diǎn)，但由于水平觀測(cè)時(shí)光強(qiáng)呈數(shù)量級(jí)增加，測(cè)量高含量元素時(shí)只能選擇次靈敏線， 這樣導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性受到限制。對(duì)比二者的優(yōu)缺點(diǎn)，兩種方法可以相互彌補(bǔ)不足，因此開發(fā)雙向觀測(cè)的技術(shù)，融合軸向、徑向的特點(diǎn)，具有一定的靈活性，增加了測(cè)定復(fù)雜樣品的適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種高分辨率、大視場(chǎng)、寬光譜范圍以及光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊體積小的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)，其包括一雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)和一交叉色散主光路系統(tǒng)，所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)位于水平方向，所述交叉色散主光路系統(tǒng)位于豎直方向，兩系統(tǒng)構(gòu)成一 T形結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)包括一平面鏡、一徑向球面鏡、一轉(zhuǎn)向鏡、 一狹縫和一軸向球面鏡，所述平面鏡與徑向成45°，所述徑向球面鏡和軸向球面鏡有共同的物面和像面，所述狹縫位于所述徑向球面鏡的像面上，所述轉(zhuǎn)向鏡可轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)中目標(biāo)水平放置，從軸向和徑向采光，徑向方向的光照射在所述平面鏡上， 經(jīng)所述平面鏡轉(zhuǎn)為軸向方向照射到所述軸向球面鏡上，經(jīng)所述徑向球面鏡后投射到所述轉(zhuǎn)向鏡，通過(guò)所述轉(zhuǎn)向鏡后成像在所述狹縫上；軸向方向的光照射在所述軸向球面鏡后投射到所述轉(zhuǎn)向鏡，通過(guò)所述轉(zhuǎn)向鏡后成像在所述狹縫上。進(jìn)一步的，所述交叉色散主光路系統(tǒng)包括一球面準(zhǔn)直鏡、一折射棱鏡、一中階梯光柵、一球面聚焦鏡和一面陣探測(cè)器，所述探測(cè)器位于所述球面聚焦鏡的焦面上；所述狹縫還位于所述球面準(zhǔn)直鏡的焦面上，從所述狹縫中出射的光線經(jīng)所述球面準(zhǔn)直鏡后通過(guò)所述折射棱鏡折射后到達(dá)所述中階梯光柵，經(jīng)所述中階光柵衍射后的光線再次通過(guò)所述折射棱鏡色散后到達(dá)所述球面聚焦鏡，經(jīng)所述球面聚焦鏡匯聚后，由所述面陣探測(cè)器接收。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1、本發(fā)明的雙向觀測(cè)前置照明光路系統(tǒng)中，通過(guò)轉(zhuǎn)向鏡的轉(zhuǎn)分別將兩個(gè)方向上的光成像在狹縫上來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向和徑向觀測(cè)方式切換的目的。2、本發(fā)明的交叉色散主光路系統(tǒng)，通過(guò)棱鏡，實(shí)現(xiàn)增大色散率、提高分辨率的目的；棱鏡與光柵色散方向垂直，結(jié)合級(jí)次與波段選擇能夠?qū)崿F(xiàn)二維全譜圖，實(shí)現(xiàn)連續(xù)寬光譜范圍的目的；光路系統(tǒng)為豎直光路，所有元件不在同一平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)矯正彗差和象散，改善像質(zhì)，提高分辨率的目的；且光路中無(wú)任何移動(dòng)部件和特殊光學(xué)元件，降低元件損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的。3、本發(fā)明的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)具有分辨率高、視場(chǎng)大、光譜范圍寬以及光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊體積小等特點(diǎn)，特別適合光譜分析儀器系統(tǒng)。上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。


此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)
4明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中 圖1為本發(fā)明的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明1、平面鏡，2、徑向球面鏡，3、轉(zhuǎn)向鏡、4、狹縫，5、軸向球面鏡，6、球面準(zhǔn)直鏡，7、折射棱鏡，8、中階梯光柵，9、球面聚焦鏡，10、焦面探測(cè)器，11、目標(biāo)。
具體實(shí)施例方式下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)由平面鏡1、徑向球面鏡2、轉(zhuǎn)向鏡3、狹縫4和軸向球面鏡5、球面準(zhǔn)直鏡6、折射棱鏡7、中階梯光柵8、球面聚焦鏡9和面陣探測(cè)器10組成。目標(biāo)11水平放置，從軸向和徑向采光，軸向方向的光照射在與徑向成45°的平面鏡1上，經(jīng)平面鏡1轉(zhuǎn)為軸向方向照射到軸向球面鏡2上，經(jīng)徑向球面鏡2后投射到轉(zhuǎn)向鏡 3，軸向方向的光照射在軸向球面鏡4后投射到轉(zhuǎn)向鏡3，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向鏡3分別將軸向和徑向上的光成像在狹縫4上，從狹縫4出射的光線經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡6后通過(guò)折射棱鏡7折射后到達(dá)中階梯光柵8，經(jīng)光柵衍射后的光線再次通過(guò)折射棱鏡7色散后到達(dá)球面聚焦鏡9，經(jīng)球面聚焦鏡9匯聚后，由面陣探測(cè)器10接收。實(shí)施例1
水平雙向觀測(cè)光路系統(tǒng)把目標(biāo)11成像在狹縫4上，通過(guò)平面鏡1的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)軸向和徑向觀測(cè)的切換，狹縫4位于球面準(zhǔn)直鏡6的焦面上，通過(guò)狹縫4的光線經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡6變成平行光照在折射棱鏡7在水平方向發(fā)生色散后，再經(jīng)中階梯光柵8在豎直方向色散，經(jīng)階梯光柵8色散后的光線再次經(jīng)過(guò)棱鏡7沿水平方向色散后照在球面聚焦鏡9上，焦面探測(cè)器 10位于聚焦鏡9的焦面上，經(jīng)聚焦鏡的光線在焦面探測(cè)器10的靶面上形成二維全譜圖。圖像采集控制及信號(hào)處理采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)施例2
將雙向觀測(cè)全譜直讀的光路結(jié)構(gòu)搭建在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中，對(duì)試樣進(jìn)行采樣，試樣為含有Na元素的混合溶液。點(diǎn)火進(jìn)樣后，等離子體火焰水平放置，本例從徑向采光，徑向方向的光照射在平面鏡1上，經(jīng)平面鏡1轉(zhuǎn)為軸向方向照射到軸向球面鏡2上，經(jīng)徑向球面鏡2后投射到轉(zhuǎn)向鏡 3，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向鏡3分別將徑向上的光成像在狹縫4上，從狹縫4出射的光線經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡6后通過(guò)折射棱鏡7折射后到達(dá)中階梯光柵8，經(jīng)階梯光柵8衍射后的光線再次通過(guò)折射棱鏡7色散后到達(dá)球面聚焦鏡9，經(jīng)球面聚焦鏡9匯聚后，由面陣探測(cè)器10接收。焦平面采用高靈敏度高動(dòng)態(tài)范圍的大面陣CID，圖像采集及信號(hào)處理采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，顯示出全譜圖，顯示出所測(cè)元素的特征波長(zhǎng)、對(duì)應(yīng)級(jí)次和特征波長(zhǎng)，分析出元素含量。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施案例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)，其特征在于包括一雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)和一交叉色散主光路系統(tǒng)，所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)位于水平方向，所述交叉色散主光路系統(tǒng)位于豎直方向，兩系統(tǒng)構(gòu)成一 T形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)，其特征在于所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)包括一平面鏡(1)、一徑向球面鏡(2)、一轉(zhuǎn)向鏡(3)、一狹縫(4) 和一軸向球面鏡(5 )，所述平面鏡(1)與徑向成45 °，所述徑向球面鏡(2 )和軸向球面鏡(5 ) 有共同的物面和像面，所述狹縫(4)位于所述徑向球面鏡(2)的像面上，所述轉(zhuǎn)向鏡(3)可轉(zhuǎn)動(dòng)；在所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)中目標(biāo)(11)水平放置，從軸向和徑向采光，徑向方向的光照射在所述平面鏡(1)上，經(jīng)所述平面鏡(1)轉(zhuǎn)為軸向方向照射到所述軸向球面鏡(2) 上，經(jīng)所述徑向球面鏡(2)后投射到所述轉(zhuǎn)向鏡(3)，通過(guò)所述轉(zhuǎn)向鏡(3)后成像在所述狹縫(4)上；軸向方向的光照射在所述軸向球面鏡(5)后投射到所述轉(zhuǎn)向鏡(3)，通過(guò)所述轉(zhuǎn)向鏡(3 )后成像在所述狹縫(4 )上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)，其特征在于所述交叉色散主光路系統(tǒng)包括一球面準(zhǔn)直鏡(6)、一折射棱鏡(7)、一中階梯光柵(8)、一球面聚焦鏡(9)和一面陣探測(cè)器(10)，所述探測(cè)器(10)位于所述球面聚焦鏡(9)的焦面上；所述狹縫(4)還位于所述球面準(zhǔn)直鏡(6)的焦面上，從所述狹縫(4)中出射的光線經(jīng)所述球面準(zhǔn)直鏡(6)后通過(guò)所述折射棱鏡(7)折射后到達(dá)所述中階梯光柵(8)，經(jīng)所述中階光柵(8) 衍射后的光線再次通過(guò)所述折射棱鏡(7)色散后到達(dá)所述球面聚焦鏡(9)，經(jīng)所述球面聚焦鏡(9)匯聚后，由所述面陣探測(cè)器(10)接收。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光譜儀的雙向觀測(cè)全譜直讀光路系統(tǒng)，其包括一雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)和一交叉色散主光路系統(tǒng)，所述雙向觀測(cè)前置照明系統(tǒng)位于水平方向，所述交叉色散主光路系統(tǒng)位于豎直方向，兩系統(tǒng)構(gòu)成一T形結(jié)構(gòu)，所述前置照明光路系統(tǒng)將目標(biāo)成像在狹縫上，通過(guò)狹縫進(jìn)入交叉色散主光路系統(tǒng)，得到的二維光譜圖由面陣探測(cè)器接收，實(shí)現(xiàn)全譜直讀。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)前置照明光路系統(tǒng)和豎直色散主光路系統(tǒng)構(gòu)成T型，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間；色散主光路系統(tǒng)采用豎直光路，能很好的改善彗差和象散，提高成像質(zhì)量，改善分辨率，無(wú)任何移動(dòng)部件，降低元件損耗；光學(xué)元件少且簡(jiǎn)單，無(wú)特殊非球面鏡，加工容易，成本經(jīng)濟(jì)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102419206SQ20111026190
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者劉召貴, 朱小琴, 毛秦軍, 陳祖新, 黃沖 申請(qǐng)人:江蘇天瑞儀器股份有限公司