紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置制造方法
【專利摘要】一種紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會(huì)聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個(gè)分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。本發(fā)明僅采用一塊光柵就實(shí)現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個(gè)紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個(gè)波段的雜散光指標(biāo)。
【專利說明】紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明有關(guān)一種紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在從紫外到近紅外較寬的波長范圍分光(如從190nm到3000nm分光)，現(xiàn)有的光柵分光系統(tǒng)技術(shù)是用多種光柵(如三種，紫外光和可見光用一種，可見光和近紅外光用一種，近紅外長波用一種)組合進(jìn)行，不同的波段使用不同的光柵，使每種光柵都工作在衍射效率較高的波段，幾種光柵組合起來覆蓋整個(gè)波段。因光柵衍射效率，尤其是紫外光柵其紫外波段的衍射效率只是在閃耀波長附近小范圍波段較高，因而這種技術(shù)有兩點(diǎn)明顯的不足:
[0003](I)盡管紫外波段專用一種紫外閃耀的光柵，但仍難以保證整個(gè)紫外波段有滿意的衍射效率；
[0004](2)這種技術(shù)因一個(gè)分光單元使用多種(個(gè))光柵，因而光柵機(jī)構(gòu)繁雜，成本高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明提供一種紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中光柵分光系統(tǒng)用多種光柵組合，機(jī)構(gòu)復(fù)雜且紫外波段衍射效率不均勻的技術(shù)問題。
[0006]為此，本發(fā)明發(fā)明一種紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會(huì)聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個(gè)分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。
[0007]所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，所述棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫、第一準(zhǔn)直鏡、棱鏡、第二準(zhǔn)直鏡和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第一準(zhǔn)直鏡用于將進(jìn)入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R的平行光，所述棱鏡利用色散機(jī)理進(jìn)行分光，所述第二準(zhǔn)直鏡用于將經(jīng)棱鏡分光后的平行光變?yōu)闀?huì)聚于棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫的光。
[0008]所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，所述光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫、第三準(zhǔn)直鏡、光柵、第四準(zhǔn)直鏡和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第三準(zhǔn)直鏡用于將進(jìn)入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻诺钠叫泄?，所述光柵利用衍射干涉原理進(jìn)行分光，所述第四準(zhǔn)直鏡將所述光柵分解的平行單色光變?yōu)闀?huì)聚于光柵分光系統(tǒng)出射狹縫的會(huì)聚光。
[0009]所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，所述光柵分光裝置對(duì)紫外可見光波段滿足^ Xp，其中m為所述光柵系統(tǒng)的光譜級(jí)次，只取整數(shù)；X為輸出波長；X p為所述光柵的閃耀波長。X p滿足光柵方程X p=d(sin a p±sin 0 p)，其中d為光柵常數(shù)，即光柵相鄰刻 槽之間的距離，ap為光Xp在光柵上的入射角，Pp為光入5在光柵上的衍射角，正負(fù)號(hào)“ 土 ”與光路結(jié)構(gòu)與光柵旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，確定的系統(tǒng)中取“ + ”或取
只取一種。對(duì)實(shí)際單色器系統(tǒng)，上式中的％和Pp之和為常量，因此實(shí)際只有一個(gè)變量，工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)角，當(dāng)光柵上入射角a =a P時(shí)，光柵分光系統(tǒng)的輸出光定位于入P。
[0010]所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，所述光柵的閃耀波長X 5設(shè)在中長波段。
[0011]所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其中，所述棱鏡分光系統(tǒng)，工作時(shí)其中心波長與光柵分光系統(tǒng)輸出波長\協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值。
[0012]S入〈|入2-入I和S入〈|入「入I
[0013]其中5 A為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，入2是光柵分光系統(tǒng)中比波長\高一級(jí)次的光譜，A1是光柵分光系統(tǒng)中比波長、低一級(jí)次的光譜，上式中的、\ 、須滿足(m+1) A 2=m A和(m_l)入fm入，m是欲輸出的波長\的級(jí)次。
[0014]本發(fā)明達(dá)到的有益技術(shù)效果在于，僅采用一塊光柵就實(shí)現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個(gè)紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個(gè)波段的雜散光指標(biāo)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的光路示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例的光路示意圖。
[0017]附圖標(biāo)記說明
[0018]光源-1 ;聚光鏡-2 ;棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫-3 ;第一準(zhǔn)直鏡-4 ;棱鏡-5 ;第二準(zhǔn)直鏡-6 ;光柵分光系統(tǒng)入射狹縫-7 ;第三準(zhǔn)直鏡-8 ;光柵-9 ;第四準(zhǔn)直鏡-10 ;光柵分光系統(tǒng)出射狹縫-11 ;棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫-12。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的形狀、構(gòu)造以及特點(diǎn)能夠更好地被理解，以下將列舉較佳實(shí)施例并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]本發(fā)明由棱鏡分光系統(tǒng)和光柵分光系統(tǒng)兩個(gè)分光系統(tǒng)串聯(lián)而成。光柵分光系統(tǒng)分光元件用一塊小階梯光柵，光柵刻槽密度每毫米數(shù)百條，閃耀波長在近紅外，工作波長范圍長波可到三千納米左右。小階梯光柵閃耀波長Xp，對(duì)于短波波長X，使用其高級(jí)次光譜，使得
[0021]m A w X p, (m=±l, ±2, ±3,......，對(duì)于確定的系統(tǒng)，整數(shù)前的符號(hào)是確定的，要
么是正要么是負(fù)，只取一種符號(hào))(I)
[0022]對(duì)于其它較長的波長可取
[0023](m-1) A^Ap, (m_2) A^Ap,......(2)
[0024]其中\(zhòng):欲輸出的波長；
[0025]Ap:光柵閃耀波長,在X p波長附近有較聞的衍射效率；
[0026]m:光柵光譜級(jí)次，只取整數(shù)。
[0027]Ap滿足光柵方程Ap=d(Sinap±Sin0p)，其中d為光柵常數(shù)，即光柵相鄰刻槽之間的距離，ap為光Xp在光柵上的 入射角，Pp為光Ap在光柵上的衍射角，正負(fù)號(hào)“土”與光路結(jié)構(gòu)與光柵旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，確定的系統(tǒng)中取“ + ”或取只取一種。對(duì)實(shí)際單色器系統(tǒng)，上式中的％和Pp之和為常量，因此實(shí)際只有一個(gè)變量。[0028]工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)角，當(dāng)光在光柵上入射角a =Cip時(shí)，光柵分光系統(tǒng)的輸出光定位于入5。
[0029]如果m設(shè)置得當(dāng)，整個(gè)短波波段都能得到高的衍射效率，因其閃耀波長在近紅外區(qū)，所以近紅外的波段也有較高的衍射效率。但是使用高級(jí)次光譜的光柵分光系統(tǒng)會(huì)有不同級(jí)次的光譜重疊，輸出的光不是單一光譜帶寬的光，如分光系統(tǒng)輸出波長為1000nm時(shí)，同時(shí)會(huì)有500nm，250nm (如果光源中有這些光的話)等波長的光輸出，這是分光系統(tǒng)不能允許的，于是本發(fā)明用與之串聯(lián)的棱鏡分光系統(tǒng)將不同級(jí)次的光譜進(jìn)行分離，得到單一光譜帶寬的光(棱鏡分光系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生高級(jí)次光譜)。又因?yàn)橛欣忡R分光系統(tǒng)對(duì)光柵分光系統(tǒng)的光進(jìn)一步的過濾提純，所以這種分光系統(tǒng)的雜散光極低，有很好的雜散光指標(biāo)。
[0030]這樣本發(fā)明中光柵分光系統(tǒng)只用一塊光柵就實(shí)現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個(gè)紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個(gè)波段的雜散光指標(biāo)。
[0031]波段按級(jí)次的劃分。整個(gè)波段按所需最高級(jí)次m劃分為m段。最短波的級(jí)次最高，從短波到長波級(jí)次依次降低到一級(jí)。光柵閃耀波長設(shè)在整個(gè)波段的中長波段某波長Xp，對(duì)于欲輸出的短波波長X，使用其高級(jí)次光譜，使得
[0032]~Ap
[0033]工作時(shí)隨著分光系統(tǒng)波長入的變化(增加)，mA逐漸遠(yuǎn)離Ap，衍射效率下降，這時(shí)就換用低一級(jí)次的(m-1) A，使得
[0034](m-1) A ^ Ap
[0035]依此類推有(m-2) A ^ Ap, (m-3) A ^入p等等，每當(dāng)衍射效率下降到一定程度時(shí)就降一級(jí)次，降一級(jí)次后又達(dá)到 高的衍射效率，這樣使得整個(gè)短波都有較高的衍射效率。
[0036]其中光柵分光系統(tǒng)的狹縫特點(diǎn)。
[0037](I)同一光譜帶寬的狹縫的幾何寬度隨級(jí)次不同而不同。光柵分光系統(tǒng)的狹縫(光輸入輸出口)的幾何寬度根據(jù)所需要的光譜帶寬S A進(jìn)行變換，同一個(gè)光譜帶寬8 X，不同級(jí)次的光其狹縫的幾何寬度S X也不同，高級(jí)次的光其狹縫的寬度寬，低級(jí)次的光其狹縫的幾何寬度小。若一級(jí)光譜的狹縫幾何寬度是S X，則m級(jí)光譜的幾何寬度為m 6 X。
[0038](2)狹縫幾何寬度的數(shù)目較多。設(shè)分光系統(tǒng)系統(tǒng)的光譜帶寬數(shù)是N，光譜最高級(jí)次數(shù)是m，則光柵分光系統(tǒng)需要的可變狹縫數(shù)是Nm，因m級(jí)次的光譜帶寬8 X與m/2(或m/3，m/4等等，整數(shù)存在時(shí)，只取整數(shù))級(jí)次的光譜帶寬2 S A (或3S A，4S入等等)是很接近的可以共用，因此實(shí)際的光柵分光系統(tǒng)的可變狹縫數(shù)可以減少。
[0039]棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬8 X的特點(diǎn)。
[0040]本發(fā)明中棱鏡分光系統(tǒng)的主要作用是濾除光柵分光系統(tǒng)的高級(jí)次光譜，其光譜帶寬大于光柵分光系統(tǒng)的光譜帶寬，但又不能太大讓光柵分光系統(tǒng)除m級(jí)次以外其它級(jí)次的光通過。工作時(shí)，其中心波長與光柵分光系統(tǒng)輸出波長\協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值。
[0041]S入〈|入2-入I和S入〈|入「入I
[0042]其中5 X為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，X 2是光柵分光系統(tǒng)比輸出波長\高一級(jí)級(jí)次光譜，X工是光柵分光系統(tǒng)比輸出波長、低一級(jí)級(jí)次光譜，上式中的\ 2，X1, A須滿足(m+1) A 2=m A和(m_l)入fm X，m是欲輸出波長X的級(jí)次。
[0043]例如，m=5，要求光柵分光系統(tǒng)輸出波長240nm。因m=5,光柵轉(zhuǎn)角定位于240*5=1200nm位置(設(shè)若Ap=1200nm)，對(duì)于高一級(jí)次的6級(jí)光譜，有1200nm/6=200nm，低一級(jí)次的4級(jí)光譜有1200nm/4=300nm，即光柵定位于1200nm處，要求的輸出波長是240nm(因閃耀在1200nm，所以240nm (的5級(jí)譜)有高的衍射效率)，卻有200nm和300nm (當(dāng)然還有400nm，600nm)波長的光也同時(shí)輸出。這就需要用棱鏡分光系統(tǒng)過濾掉這些不需要的光譜。這時(shí)將棱鏡中心波長定位于240nm，其光譜帶寬應(yīng)滿足I 200nm_240nm I和I 300nm-240nm I兩者中的較小的值40nm,當(dāng)其光譜帶寬符合這個(gè)要求時(shí)其它更遠(yuǎn)離5的級(jí)次的光譜就更易被過濾掉了。
[0044]一種滿足上述條件的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，包括依光路順次連接的光源1、聚光鏡2、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)。所述光源I用于發(fā)出所需之光譜。聚光鏡2用于將光源I發(fā)出的光會(huì)聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫(第一分光系統(tǒng)的光輸入口)。
[0045]上述兩個(gè)分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。這兩個(gè)分光系統(tǒng)是串聯(lián)關(guān)系，即從一個(gè)分光系統(tǒng)輸出的光進(jìn)入另一個(gè)分光系統(tǒng)，經(jīng)另一個(gè)分光系統(tǒng)進(jìn)一步分光后輸出所需要的光。光柵分光系統(tǒng)的分光兀件是小階梯光柵，棱鏡分光系統(tǒng)的分光兀件是棱鏡。
[0046]其中棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3、第一準(zhǔn)直鏡
4、棱鏡5、第二準(zhǔn)直鏡6和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12。所述棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3為一定寬度的長條形通光孔，作為分光系統(tǒng)的入射光的通道，入射狹縫的寬度與分光元件及光路結(jié)構(gòu)一起，決定分光系統(tǒng)的光譜帶寬(光譜帶寬，通俗地說就是單色光的純度)。所述第一準(zhǔn)直鏡4用于將進(jìn)入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R的平行光。所述棱鏡5為分光元件，利用其色散機(jī)理進(jìn)行分光。所述第二準(zhǔn)直鏡6將經(jīng)棱鏡5分光后的平行光變?yōu)闀?huì)聚于棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12的光。
[0047]其中光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7、第三準(zhǔn)直鏡
8、光柵9、第四準(zhǔn)直鏡10和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11。所述光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7同樣為一定寬度的長條形通光孔，作為光柵分光系統(tǒng)的入射光的通道。所述第三準(zhǔn)直鏡8用于將進(jìn)入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻?的平行光。光柵9為分光兀件，利用其衍射干涉原理進(jìn)行分光。所述第四準(zhǔn)直鏡10將光柵9分解的平行單色光變?yōu)闀?huì)聚于光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11的會(huì)聚光。
[0048]在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，以棱鏡分光系統(tǒng)為第一分光系統(tǒng)，光柵分光系統(tǒng)為第二分光系統(tǒng)，為簡便起見，將棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12和光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7重合。其工作過程為:
[0049]光源I發(fā)出所需的光譜。聚光鏡2將光源I發(fā)出的光會(huì)聚于棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3上，經(jīng)棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3后的光是發(fā)散的，再經(jīng)第一準(zhǔn)直鏡4變?yōu)槠叫泄庹丈湓诶忡R5上，棱鏡5將不同波長的光色散為不同角度的平行光，轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡5可使所需的光照在第二準(zhǔn)直鏡6上，經(jīng)第二準(zhǔn)直鏡6將所需的單色光會(huì)聚于光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7 (同時(shí)也是棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12)上，進(jìn)入光柵分光系統(tǒng)。
[0050]進(jìn)入光柵分光系統(tǒng)的光為發(fā)散光束，經(jīng)第三準(zhǔn)直鏡8變換為平行光,照射于光柵9上，光柵9將經(jīng)棱鏡分光系統(tǒng)來的有一定光譜帶寬的單色光，進(jìn)一步分解為不同角度的平行光。轉(zhuǎn)動(dòng)光柵9，使所需的單色光照射在第四準(zhǔn)直鏡10上，經(jīng)第四準(zhǔn)直鏡10會(huì)聚于光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11，從光柵分光系統(tǒng)輸出的光就是所需的單色光。
[0051]在本發(fā)明的第二施例中，第一分光系統(tǒng)為光柵分光系統(tǒng)，第二分光系統(tǒng)為棱鏡分光系統(tǒng)。將棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11重合。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例中這兩種光路形式是等效的，故在此不再贅述。
[0052]以上對(duì)本發(fā)明的描述是說明性的，而非限制性的，本專業(yè)技術(shù)人員理解，在權(quán)利要求限定的精神與范圍之內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會(huì)聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個(gè)分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫、第一準(zhǔn)直鏡、棱鏡、第二準(zhǔn)直鏡和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第一準(zhǔn)直鏡用于將進(jìn)入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R平行光，所述棱鏡利用色散機(jī)理進(jìn)行分光，所述第二準(zhǔn)直鏡用于將經(jīng)棱鏡分光后的平行光變?yōu)闀?huì)聚于棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫的光。
3.如權(quán)利要求2所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫、第三準(zhǔn)直鏡、光柵、第四準(zhǔn)直鏡和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第三準(zhǔn)直鏡用于將進(jìn)入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻诺钠叫泄?，所述光柵利用衍射干涉原理進(jìn)行分光，所述第四準(zhǔn)直鏡將所述光柵分解的平行 單色光變?yōu)闀?huì)聚于光柵分光系統(tǒng)出射狹縫的會(huì)聚光。
4.如權(quán)利要求3所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述分光裝置紫外可見波段滿足^ Xp，其中m為所述光柵系統(tǒng)的光譜級(jí)次，只取整數(shù)彳為輸出波長彳p為所述光柵的閃耀波長。
5.如權(quán)利要求4所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述光柵的閃耀波長XpS在中長波段。
6.如權(quán)利要求4所述的紫外可見近紅外分光光度計(jì)小階梯光柵分光裝置，其特征在于，工作時(shí)所述棱鏡分光系統(tǒng)的中心波長與光柵分光系統(tǒng)的輸出波長\協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值。 S入〈|入2-入I和S入〈|入「入I 其中5 X為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，X 2是光柵分光系統(tǒng)比波長\高一級(jí)級(jí)次光譜的波長，^是光柵分光系統(tǒng) 比波長\低一級(jí)級(jí)次光譜的波長，上式中的K，X1, A須滿足(m+1) A 2=m A和(m_l)入pm X，m是欲輸出的波長\的級(jí)次。
【文檔編號(hào)】G01J3/42GK103575398SQ201310611624
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】武進(jìn)田 申請(qǐng)人:武進(jìn)田