專利名稱：具有凹面衍射光柵的光學(xué)分光計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衍射光柵光學(xué)分光計(jì)。在這樣的分光計(jì)中，本發(fā)明更具體而言涉及特別地用于原子發(fā)射光譜(特別地，ICP-感應(yīng)耦合等離子體和⑶-輝光放電)、喇曼(Raman)光譜、橢圓偏光法或LIBS (激光誘導(dǎo)擊穿光譜)的多色儀(polychromator)(或同時(shí)型分光計(jì)(simultaneous spectrometer))。
背景技術(shù)：
根據(jù)本申請(qǐng)，分光計(jì)測(cè)量連續(xù)光譜或某些預(yù)選波長(zhǎng)的光學(xué)強(qiáng)度。已知各種類型的衍射光柵多色儀分光計(jì)。例如，階梯(Echelle)分光計(jì)使用耦合 到聚焦鏡的平面衍射光柵以形成高分辨率圖像譜。本文更特別地涉及凹面衍射光柵分光計(jì)(concave diffraction grating spectrometer),其中凹面光柵可以使光譜衍射功能與衍射束聚焦功能相組合。存在許多這樣的凹面衍射光柵分光計(jì)其中，優(yōu)化入射狹縫和出射狹縫相對(duì)于衍射光柵的相對(duì)位置以在圓(稱為羅蘭(Rowland)圓)上或平面場(chǎng)中的光譜。對(duì)于凹面光柵，在曲率半徑為R的情況下，羅蘭圓被定義為這樣的虛構(gòu)圓其位于與光柵線垂直的面中，與光柵中心相切，其直徑等于R。特別地,在帕邪-龍格(Paschen-Runge)配置中，分光計(jì)的入射狹縫位于羅蘭圓上，出射狹縫也位于羅蘭圓上。相反地，在平面場(chǎng)或沃茲沃斯(Wadsworth)或伊格爾(Eagle)配置中，分光計(jì)的入射狹縫并非位于羅蘭圓上，而是在這樣的位置上，該位置使得由光柵衍射的光束的聚焦位于平面中或與平面可比的表面上。平面場(chǎng)裝置可以容易地耦合到光檢測(cè)器帶而形成光譜圖像(該光譜圖像可沿狹縫的高度進(jìn)一步被分辨)，從而進(jìn)行光譜成像。更詳細(xì)地考慮由圖I中的衍射平面中的截面圖所示意性示出的凹面衍射光柵多色儀的操作。這樣的多色儀通常包括多色光源，其被耦合到高度為h的矩形入射狹縫3 ；凹面衍射光柵I ;以及至少兩個(gè)出射狹縫4&、413、4(3。衍射光柵I具有每毫米η條線的密度。球凹面光柵(spherical concave grating)具有曲率半徑R,并且其幾何中心O位于也包括入射狹縫3的中心的平面中。光柵I與入射狹縫3相距距離La，以及并且光柵線被取向?yàn)槠叫杏谌肷洫M縫的高度(或其較長(zhǎng)的長(zhǎng)度)。通過(guò)入射狹縫3入射到分光計(jì)的光束5以入射角α照射衍射光柵I。該光束被光柵I衍射，構(gòu)成多色入射光束的每個(gè)波長(zhǎng)λ在衍射平面(與光柵線垂直并包括入射光束和光柵法線的平面)中相對(duì)于光柵法線以角β偏斜并被光柵I聚焦在距離Lb處。根據(jù)下式，衍射角β和焦距Lb依賴于所考慮的波長(zhǎng)λ、光柵線密度η、衍射級(jí)k f
a 二 cste^sina+ sin ^ = nkA
cos2 a cos a cos2 β cos β n
---+-—--— = 0
、La R Lb R在帕邢-龍格類型的特定配置(參見(jiàn)圖I)中，入射狹縫3被設(shè)置在羅蘭圓2上，且入射光束5與垂直于光柵I的方向形成角α，其中羅蘭圓2是與其上形成有衍射光柵I的表面相切的直徑為R的圓。在該情況下，衍射光束6被聚焦在與光柵中心相距距離Lb的位于羅蘭圓上的點(diǎn)上。于是，光學(xué)像差項(xiàng)(稱為彗形像差)完全彼此抵消。每個(gè)衍射波長(zhǎng)λ與 蘭圓相切以選擇所選定的波長(zhǎng)。也可將光檢測(cè)器直接設(shè)置在狹縫4a、4b、4c的位置處。所使用的光檢測(cè)器的設(shè)置和數(shù)目允許沿分光計(jì)的光譜范圍測(cè)量全部光強(qiáng)度，該光譜范圍依賴于衍射光柵的類型和入射狹縫的位置。檢測(cè)器可以為光電倍增管或光檢測(cè)器陣列(下文中簡(jiǎn)稱為“光檢測(cè)器”)。在光檢測(cè)器的帶或陣列的情況下，每個(gè)光檢測(cè)器的窗口或敏感表面用作圍繞特定波長(zhǎng)的基本(eIementary )出射狹縫。出射狹縫由此可以是與檢測(cè)器分離的狹縫或是檢測(cè)器自身的一部分。在輸出光束的焦點(diǎn)處，衍射光束朝向檢測(cè)器的耦合可以以各種方式實(shí)現(xiàn)，可能地在同一配置內(nèi)被組合到一起被光學(xué)耦合到檢測(cè)器(例如，光電倍增管)的出射狹縫；直接設(shè)置在焦點(diǎn)處的光檢測(cè)器或電荷轉(zhuǎn)移器件(CXD)的線帶(linear strip)，或用于將衍射光束傳輸?shù)狡乒鈾z測(cè)器(offset photodetector)上的反射鏡。專利FR2786271描述了使用被設(shè)置為與羅蘭圓相切的柱面鏡，S卩，與衍射平面中的衍射光束形成角(β )并相對(duì)于該衍射平面傾斜45度，以便將衍射光束聚焦在位于衍射平面之上或之下的檢測(cè)平面中的光檢測(cè)器的中心上。該成像裝置可以增加由光檢測(cè)器的敏感部分收集的光量，這是由于在羅蘭圓處形成的入射狹縫的圖像通常比光檢測(cè)器的敏感部分的高度高。如果要分析的光源具有特定的垂直范圍(例如，在ICP中)，這樣的設(shè)置特別受到關(guān)注，這是因?yàn)榕c在鏡(miiTor)的位置處單獨(dú)設(shè)置的光檢測(cè)器將采集(pick up)的光相比，該鏡會(huì)截取更多的光。然而，位于當(dāng)前分光計(jì)的焦點(diǎn)處的柱面鏡的位置因光束路徑的加長(zhǎng)而使光學(xué)分辨率劣化。柱面鏡寬度被選擇為完全覆蓋光檢測(cè)器的寬度，但是，由于并入有光檢測(cè)器的殼的尺寸通常大于或等于光檢測(cè)器的敏感部分的尺寸，因此需要將光檢測(cè)器交替設(shè)置在衍射平面之上和之下，以便連續(xù)分析衍射光柵所允許的整個(gè)光譜范圍而沒(méi)有損耗或幾乎沒(méi)有損耗。該具有鏡的裝置的實(shí)際缺陷在于當(dāng)交替向上和向下對(duì)光束進(jìn)行聚焦時(shí)，特別地，當(dāng)檢測(cè)器的敏感表面向下而使操作者不能觀察到時(shí)，難以設(shè)定鏡/光檢測(cè)器單元的位置。該裝置的另一缺點(diǎn)在于，鏡必須全都被切割為梯形，以便不截取計(jì)劃給鄰近的鏡的光束。切割柱面鏡的附加操作涉及分光計(jì)的附加成本。
通常，希望提高分光計(jì)敏感度，以便其可檢測(cè)盡可能低的光量，同時(shí)保持極好的光譜分辨率。還希望保持盡可能擴(kuò)展的光譜范圍覆蓋。最后，希望簡(jiǎn)化這樣的分光計(jì)的設(shè)定并降低其成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是修補(bǔ)現(xiàn)有裝置的缺點(diǎn)，涉及這樣的分光計(jì)，該分光計(jì)可以增加所收集的光的量并由此改善將使用該分光計(jì)的儀器的靈敏度，同時(shí)保持良好的光學(xué)分辨率。更具體而言，本發(fā)明涉及一種凹面衍射光柵光學(xué)分光計(jì)，包括入射狹縫，其適合于接收并形成包括至少一個(gè)波長(zhǎng)λ的入射光束；凹面衍射光柵，其適合于接收具有入射角α的所述入射光束并衍射所述光束以形成衍射光束，所述衍射光束與所述光柵的法線形成角β O);至少一個(gè)凹面鏡,其由半徑為r。#且截面為圓形的柱面(circular-sectioncylinder)的一部分形成,所述鏡(mirror)適合于接收沿方向β (λ)的所述衍射光束且將所述衍射光束聚焦在至少一個(gè)出射狹縫上；以及至少一個(gè)光檢測(cè)器，其被光學(xué)耦合到所述 出射狹縫以測(cè)量被衍射并由所述柱面鏡聚焦的光束。根據(jù)本發(fā)明，所述鏡位于這樣的葉形線(folium curve)上,該葉形線是由在所述衍射光束的焦點(diǎn)與所述鏡的中心之間的距離d( λ)針對(duì)方向β (λ)而定義的，其中d ( λ ) =Tcyl/23/2/cos ( β ) ο根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述分光計(jì)的所述入射狹縫位于所述凹面衍射光柵的
羅蘭圓上。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，與所述鏡相切的線在所述衍射平面中與波長(zhǎng)為λ的所述衍射光束形成角β (入)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述衍射光束被聚焦在這樣的像平面中，該像平面平行于所述衍射平面且位于與所述衍射平面相距等于Tjf12的距離處。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例,所述分光計(jì)包括在穿過(guò)(through)所述分光計(jì)的所述入射狹縫的像平面中設(shè)置的光檢測(cè)器的帶(strip)或陣列，所述帶或陣列被設(shè)置為能夠檢測(cè)衍射光束的多個(gè)波長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述分光計(jì)包括至少兩個(gè)柱面鏡。根據(jù)本發(fā)明的又一具體實(shí)施例，所述柱面鏡具有相同的曲率半徑rcyl。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述分光計(jì)包括曲率半徑為^yl1的至少一個(gè)柱面鏡和曲率半徑為r。/的至少一個(gè)柱面鏡。根據(jù)本發(fā)明的又一具體實(shí)施例，半徑為I·。的所述鏡被設(shè)置在第一葉形線上，曲率半徑為reyl2的所述鏡被設(shè)置在第二葉形線上，按(as a function of)增加的衍射角β而交替設(shè)置所述第一葉形線的鏡與所述第二葉形線的鏡。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述鏡被定向?yàn)榘丛黾拥难苌浣铅露鴮⑺鲅苌涔馐劢乖诮惶娴匚挥谒龉鈻诺乃鲅苌淦矫娴膬蓚?cè)的平面中。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述分光計(jì)包括至少一個(gè)適合于接收正級(jí)衍射光束的鏡和至少一個(gè)適合于接收負(fù)級(jí)衍射光束的鏡。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述分光計(jì)包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)適合于接收由所述衍射光柵衍射的零級(jí)光束并將其導(dǎo)引到另一分光計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施例，所述分光計(jì)為這樣的發(fā)射分光計(jì)，在該發(fā)射分光計(jì)中，所述入射狹縫被耦合到ICP源或輝光放電(GD)源。


本發(fā)明還涉及將通過(guò)以下描述而顯現(xiàn)的特征。通過(guò)參考附圖，該僅以非限制性實(shí)例的方式給出的描述將允許更好地理解可以如何實(shí)施本發(fā)明，在附圖中圖I示出了在帕邢-龍格配置中的分光計(jì)的一般視圖；圖2示出了羅蘭圓和根據(jù)本發(fā)明的在其上設(shè)置鏡的葉形線在光柵衍射平面中的示意圖；圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖，其示出了用于安裝柱面鏡的優(yōu)選幾何位置(“葉形線”)以及用于與光柵的法線形成角(β )的衍射光束的這樣的鏡的定位；
圖4示出了柱面鏡的截面圖，該柱面鏡收集衍射光束并將其聚焦在這樣的光檢測(cè)器上，該光檢測(cè)器被設(shè)置在與衍射平面平行的平面中；圖5示出了由柱面鏡收集并被聚焦在光檢測(cè)器帶上的各種波長(zhǎng)的光束的透射投影;圖6示出了具有用于采集不同光譜區(qū)域的不同半徑的柱面鏡的交替設(shè)置以及與每個(gè)鏡關(guān)聯(lián)的光檢測(cè)器的透視圖；以及圖7示出了這樣的具體實(shí)施例的圖，在該具體實(shí)施例中，入射光束垂直于光柵進(jìn)入，且在光柵法線的兩側(cè)交替設(shè)置鏡以采集(pick up)正級(jí)和負(fù)級(jí)。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)帕邢-龍格配置的分光計(jì)的圖，其中入射狹縫3位于羅蘭圓2上并被設(shè)置為與衍射光柵I的中心相距距離La?，F(xiàn)有技術(shù)的分光計(jì)包括安裝在支撐物上的入射狹縫3 ;凹面衍射光柵1，其被安裝在允許對(duì)蝕刻有光柵的表面進(jìn)行精確定位(包括光柵線的定向)的支撐物上。輸入光束5與光柵I的法線形成角α。出射狹縫4a、4b和4c以使得被光柵I衍射的光束按衍射光束6的波長(zhǎng)分別聚焦在出射狹縫4a、4b和4c上的方式沿羅蘭圓2分布，每個(gè)出射狹縫被設(shè)置為與光柵中心相距距離U。圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的分光計(jì)的操作原理。該分光計(jì)包括除了狹縫4a、4b和4c之外的參考圖I描述的所有部件，并處于以下具體情況入射狹縫3位于中心為X的羅蘭圓2上，輸入光束5與光柵I的法線形成角α，并且柱面鏡將衍射光束傾斜地聚焦在光檢測(cè)器上。更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明涉及在包括入射狹縫和凹面光柵的同時(shí)型分光計(jì)中的用于定位這樣的柱面鏡的幾何位置的優(yōu)化，其中每個(gè)所述柱面鏡將光聚焦在光檢測(cè)器上。為了保持最佳地聚焦在光檢測(cè)器上，重要的是將距離Lb保持在其理論值且不加長(zhǎng)光束路徑。當(dāng)具有曲率半徑!■…且被設(shè)置在距離A=reyl/23/2處的柱面鏡將角β的入射光束聚焦在距離d( λ ) =rcyl/23/2/cos ( β )處時(shí)，則用于設(shè)置該柱面鏡的最佳距離為L(zhǎng)=Lb-d( λ )(其中L為光柵中心與鏡中心之間的距離)。對(duì)于結(jié)構(gòu)要求，可關(guān)注于使用相同的柱面鏡(具有相同的曲率半徑Gyl)以及這些鏡與光檢測(cè)器之間的其值為Tjf12的相同的距離。在帕邪-龍格配置的特定情況下,距離Lb等于Lb=R cos(arcsin(nkX-sin(a ))。如果使用被定向?yàn)榕c衍射光束形成角β并具有值為I^ylAv2的鏡與光檢測(cè)器之間的相同距離的相同的柱面鏡，則得出柱面鏡的理想位置所在的幾何位置是被稱為“葉形線”的曲線，該曲線在笛卡爾坐標(biāo)中由下式定義(參照系統(tǒng)中心=光柵中心，其中xy系統(tǒng)位于光柵I的衍射平面中，X沿光柵的法線取向，y沿光柵中心的切線取向)x=2R cos2 ( β ) - d cos ( β )y=x tan ( β )。圖2示出了用于具有等于500mm的曲率半徑R的球凹面光柵和用于具有等于
27.5mm的曲率半徑I^yl的柱面鏡的葉形線7。相似地，圖3示出了用于具有等于500mm的曲率半徑R的球凹面光柵和用于具有等于75_的曲率半徑rc;yl的柱面鏡的葉形線7。觀察到葉形線7可以近似為直徑小于羅蘭圓且與羅蘭圓同心的圓13。 優(yōu)選地，柱面鏡相對(duì)于衍射平面傾斜，以便將衍射光束偏移到不同于衍射平面的另一平面中。圖4示出了聚焦柱面鏡8的截面圖。圖4的平面因而垂直于衍射平面。柱面鏡8收集衍射光束6并將衍射光束6以90度的平均角Y偏轉(zhuǎn)以將其聚焦在光檢測(cè)器9的敏感表面上。圖4中示出的設(shè)置可以將鏡8設(shè)置在與光檢測(cè)器9及其殼10不同的平面中。這樣，殼10不會(huì)干擾鄰近的光譜區(qū)域中的衍射光束。該設(shè)置可以有利地使用若干個(gè)柱面鏡和若干個(gè)光檢測(cè)器，由于鏡被設(shè)置在衍射平面中而光檢測(cè)器在平行于衍射平面并且與衍射平面分離特定距離的平面中，因此該配置不會(huì)導(dǎo)致彼此遮蔽(screen)。在該情況下，光檢測(cè)器9全都在與衍射平面平行且與衍射平面相距距離的平面中。該分離允許在裝配分光計(jì)時(shí)更容易地設(shè)定光檢測(cè)器和鏡。圖5示出了被耦合到在其支撐物10上的光檢測(cè)器9的帶的柱面鏡8的透視圖。柱面鏡收集多個(gè)波長(zhǎng)(由其范圍對(duì)應(yīng)于入射狹縫的高度的三個(gè)光束6a、6b和6c示意性表示)。柱面鏡8將每個(gè)波長(zhǎng)6a、6b、6c分別聚焦在光檢測(cè)器的帶的特定點(diǎn)上。當(dāng)柱面鏡被設(shè)置在由本發(fā)明限定的最優(yōu)葉形線上時(shí)，柱面鏡的使用可以收集來(lái)自源(source)的具有沿入射狹縫的高度的極大范圍的光流(flow)并將源的整個(gè)高度都聚焦在其高度通常受限的光檢測(cè)器上。因此，入射狹縫上的源的高度可以達(dá)到若干毫米，而光檢測(cè)器的寬度被限制為50-1000微米。本發(fā)明的裝置由此可以使用相比于光檢測(cè)器的寬度相對(duì)擴(kuò)展的光源。本發(fā)明由此可以采集最大光流并由此最優(yōu)化分光計(jì)靈敏度。在優(yōu)選實(shí)施例中，分光計(jì)包括若干個(gè)鏡8a、8b、8c,每個(gè)鏡被分別稱合到光檢測(cè)器9a、9b、9c的帶或陣列。光檢測(cè)器9a (相應(yīng)地，9b、9c)被設(shè)置為平行于柱面鏡8a (相應(yīng)地，8b,8c)的軸，其中在光檢測(cè)器9的中心和與在柱面鏡8a上的反射關(guān)聯(lián)的柱面鏡8a的中心之間具有橫向偏移(例如，圖6 )。以對(duì)這樣的光譜帶聚焦的方式限定柱面鏡的長(zhǎng)度，該光譜帶足以覆蓋與相關(guān)聯(lián)的光檢測(cè)器的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的光譜寬度。應(yīng)注意，從上方觀察，每個(gè)柱面鏡沒(méi)有重疊到其所關(guān)聯(lián)的光檢測(cè)器。事實(shí)上，由于角β (在所考慮的波長(zhǎng)λ下相對(duì)于鏡的光束入射角),存在光檢測(cè)器相對(duì)于柱面鏡的偏移。圖6不意性不出了包括若干個(gè)柱面鏡8a、8b、8c和若干個(gè)光檢測(cè)器9a、9b、9c以便測(cè)量寬且連續(xù)的光譜范圍的分光計(jì)。柱面鏡8a、8b、8c各自將衍射光反射到位于一個(gè)或多個(gè)平面中的光檢測(cè)器9a、9b、9c，該一個(gè)或多個(gè)平面都位于衍射平面的同一側(cè)。該設(shè)置通過(guò)使用第三空間維度(spatial dimension)使衍射光束折回而可以減小分光計(jì)的總機(jī)械尺寸。根據(jù)特別有利的實(shí)施例，使用兩種類型的柱面鏡具有曲率半徑I^yll的鏡8a、8c以及具有與reyll不同的曲率半徑reyl2的鏡8b。例如，可以使用曲率半徑reyll=27. 5mm的第一鏡8a和曲率半徑reyl2=75mm的第二鏡Sb。這些不同的鏡沿由距離(I1和d2限定的兩個(gè)“葉形線”而被交替地設(shè)置在衍射平面中，其中Cl1=Iv1/^2, d2=rcyl2/23/20通過(guò)按增加的角β交替地定位第一類型的一個(gè)鏡和第二類型的一個(gè)鏡，且通過(guò)將相關(guān)聯(lián)的光檢測(cè)器定位在平行于衍射平面的兩個(gè)平面中，則可以定位光檢測(cè)器而不會(huì)使兩個(gè)鄰近的帶的殼彼此干擾。該設(shè)置可以覆蓋整個(gè)光譜，其中有極小的未覆蓋的光譜區(qū)域或沒(méi)有未覆蓋的光譜區(qū)域。根據(jù)該實(shí)施例，可以面朝上地將所有光檢測(cè)器水平地設(shè)置在平行于衍射平面的兩個(gè)平面中，這極大地便于分光計(jì)的安置。鏡/光檢測(cè)器耦合的機(jī)械支撐物可以被制造為相同，具有用于光檢測(cè)器的兩個(gè)預(yù)定位置(分別對(duì)應(yīng)于平面^yll和r。# )。與其中檢測(cè)器交替地向上和向下取向的現(xiàn)有裝置相反地，具有交替的前/后定位的裝置提供了附加的優(yōu)點(diǎn)，即，不需要將所有柱面鏡切割為梯形來(lái)避免對(duì)計(jì)劃用于鄰近的鏡的光束的截取。根據(jù)本發(fā)明的 該實(shí)施例，僅僅設(shè)置在與光柵最近的“葉形線”上的鏡必須被切割為梯形。以這樣的方式對(duì)在前葉形線上設(shè)置的鏡的梯形切割的形狀進(jìn)行最優(yōu)化使得由光檢測(cè)器的邊緣檢測(cè)的光流對(duì)于與兩個(gè)葉形線關(guān)聯(lián)的鄰近的光檢測(cè)器而言是相等的。此外，位于光譜的端部的鏡可以僅在一側(cè)被切割。為了獲得寬的光譜覆蓋，光學(xué)系統(tǒng)使用根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)化的一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器/柱面鏡單元并且可以與不使用本發(fā)明的原理的一個(gè)或多個(gè)光檢測(cè)器(例如，直接安裝在最佳聚焦曲線上的光檢測(cè)器)組合。在具體實(shí)施例中，光檢測(cè)器的中心未被設(shè)置在柱面鏡的理論光學(xué)焦距(即，rc;yl/23/2/COS(i3))上(除在光柵的法線處之外)，而是在Λ值處，這確實(shí)限制了檢測(cè)的光流(然而卻保持比沒(méi)有聚焦的情況高的光流)，但卻極大地有助于光學(xué)設(shè)定，這是因?yàn)樵诠鈾z測(cè)器處被截取的光束較寬，如下文中所清楚地解釋的。在該具體實(shí)施例中，已知光檢測(cè)器的寬度，可以預(yù)先計(jì)算每個(gè)鏡/光檢測(cè)器單元的位置，以便覆蓋有用的光譜。然后，為了簡(jiǎn)化分光計(jì)裝配，可以預(yù)先機(jī)械地固定每個(gè)鏡/檢測(cè)器單元支撐物的位置。圖7示出了另一具體實(shí)施例，其中鏡8a、8b被設(shè)置在零級(jí)衍射的兩側(cè)，使用正衍射級(jí)和負(fù)衍射級(jí)。在葉形線上的安裝于是在機(jī)械上被簡(jiǎn)化，通過(guò)在正級(jí)和負(fù)級(jí)之間交替鏡-光檢測(cè)器單元安裝而獲得光譜覆蓋。根據(jù)該實(shí)施例，可以僅使用用于柱面鏡的一個(gè)位置曲線(葉形線)、僅具有一個(gè)曲率半徑并且因其是矩形而使其切割簡(jiǎn)化的僅一種類型的柱面鏡。在具體實(shí)施例(未示出)中，光檢測(cè)器相對(duì)于與光敏區(qū)域平行的軸(通過(guò)光檢測(cè)器且與柱面鏡的軸平行的軸)傾斜，以避免朝向光柵的光反射，該反射易于在其他光檢測(cè)器上產(chǎn)生虛假光(spurious light)或鬼影(ghost)譜線。光檢測(cè)器的傾斜導(dǎo)致按傾斜角的少量光流損耗，這對(duì)于小傾斜角而言可完全忽略。在另一具體實(shí)施例中，所有光檢測(cè)器都被設(shè)置在光柵法線的同一側(cè)，并且?guī)ɑ蚋咄ü鈱W(xué)濾波器被設(shè)置在光柵和光檢測(cè)器之間。濾波器的截止波長(zhǎng)分別與由光柵分散在光檢測(cè)器上的波長(zhǎng)匹配。這些濾波器可根據(jù)情況用作衍射級(jí)濾波器(高通濾波器)或虛假光濾波器(帶通濾波器)。該實(shí)施例由此可以消除虛假光反射。根據(jù)另一實(shí)施例，光學(xué)濾波器可以以這樣的方式被設(shè)置在光源與入射狹縫3之間或在入射狹縫3與光柵I之間使得衍射光柵僅僅由有限的光譜帶(至少對(duì)應(yīng)于光檢測(cè)器的光譜帶)照射，這具有減少虛假光的優(yōu)點(diǎn)。在具體實(shí)施例中，使用光分流(opticaltapping)裝置(光纖、光纖束、章魚(yú)光纖(octopus fiber)、使用一個(gè)或多個(gè)鏡的系統(tǒng)、使用一個(gè)或多個(gè)透鏡的系統(tǒng)、棱鏡或這些光學(xué)元件的任何組合)，衍射光柵的零級(jí)分流可用于照射使用或不使用本發(fā)明的原理的具有不同光譜范圍的第二分光計(jì)。由于設(shè)置在預(yù)定葉形線上的柱面鏡的使用，本發(fā)明可以改善凹面衍射光柵分光計(jì)的發(fā)光度(luminosity)，同時(shí)保持或者甚至改善其光譜分辨率。特別有利的實(shí)施例允許 使用光檢測(cè)器的帶來(lái)檢測(cè)寬光譜范圍的連續(xù)譜。本發(fā)明還允許在分光計(jì)的入射狹縫上使用較大高度的源。與光檢測(cè)器的帶組合的柱面鏡的各種設(shè)置允許在分光計(jì)裝配時(shí)較容易的設(shè)定。通過(guò)消除對(duì)柱面鏡的梯形切割或通過(guò)將這樣的梯形切割限制到柱面鏡的僅僅一部分，本發(fā)明還可以簡(jiǎn)化光學(xué)部件。最終，本發(fā)明的實(shí)施可以使分光計(jì)裝配和安置更容易。
權(quán)利要求
1.一種凹面衍射光柵光學(xué)分光計(jì)，包括 入射狹縫(3)，其適合于接收并形成包括至少一個(gè)波長(zhǎng)λ的入射光束(5); 凹面衍射光柵(1)，其適合于接收具有入射角α的所述入射光束(5)并衍射所述光束以形成衍射光束(6、6a、6b、6c)，所述衍射光束與所述光柵(I)的法線形成角β (λ)； 至少一個(gè)凹面鏡(8、8a、8b、8c),其由半徑為r。#且截面為圓形的柱面的一部分形成，所述鏡(8、8a、8b、8c)適合于接收沿方向β (λ)的所述衍射光束(6、6a、6b、6c)且將所述衍射光束聚焦在至少一個(gè)出射狹縫(4、4a、4b、4c)上；以及 至少一個(gè)光檢測(cè)器(9、9a、9b、9c)，其被光學(xué)耦合到所述出射狹縫(4、4a、4b、4c)以測(cè)量被衍射并由所述柱面鏡(8、8a、8b、8c )聚焦的所述光束(6、6a、6b、6c )， 其特征在于， 所述鏡(8、8a、8b、8c)位于葉形線(7)上，該葉形線在所述衍射光柵(I)的方向上與沿所述方向β (λ)的所述衍射光束(6、6a、6b、6c)在羅蘭圓(2)上的焦點(diǎn)相距距離d(A)處，其中d( λ )=rcyl/23/2/cos(^ )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的分光計(jì)，其特征在于，所述分光計(jì)的所述入射狹縫(3)位于所述凹面衍射光柵(I)的羅蘭圓(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I到2中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，與所述鏡(8、8a、8b、8c)相切的線在所述衍射平面中與波長(zhǎng)為λ的所述衍射光束形成角β (λ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，所述鏡(8、8a、8b、8c)的表面的法線與所述衍射平面形成平均角￥，且特征在于，所述衍射光束(6、6&、613、6(3)被聚焦在這樣的像平面中，該像平面平行于所述衍射平面且位于與所述衍射平面相距等于reyl/23/2的距離處。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到4中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，其包括在穿過(guò)所述分光計(jì)的所述入射狹縫的像平面中設(shè)置的光檢測(cè)器(9、9a、9b、9c)的帶或陣列，所述帶或陣列被設(shè)置為能夠檢測(cè)所述衍射光束(6、6a、6b、6c)的多個(gè)波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，其包括至少兩個(gè)柱面鏡(8、8a、.8b、8c)0
7.根據(jù)權(quán)利要求6的分光計(jì)，其特征在于，所述柱面鏡(8、8a、8b、8c)具有相同的曲率半徑IV。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的分光計(jì)，其特征在于，其包括曲率半徑為Ayl1的至少一個(gè)柱面鏡(8a，8c)和曲率半徑為reyl2的至少一個(gè)柱面鏡(8b)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的分光計(jì)，其特征在于，半徑為I·。#1的所述鏡(8a，8c)被設(shè)置在第一葉形線上，曲率半徑為reyl2的所述鏡(Sb)被設(shè)置在第二葉形線上，按增加的衍射角β而交替設(shè)置所述第一葉形線的所述鏡(8a，Sc)與所述第二葉形線的所述鏡(Sb)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，所述鏡(8、8a、8b、8c)被定向?yàn)榘丛黾拥难苌浣铅露鴮⑺鲅苌涔馐劢乖诮惶娴匚挥谒龉鈻?I)的所述衍射平面的兩側(cè)的平面中。
11.根據(jù)權(quán)利要求6到10中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，其包括適合于接收正級(jí)的衍射光束(6、6a、6b、6c)的至少一個(gè)鏡(8、8a、8b、8c)和適合于接收負(fù)級(jí)的衍射光束(6、6a、6b、6c)的至少一個(gè)鏡(8、8a、8b、8c)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I到11中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，其包括光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)適合于接收由所述折射光柵(I)衍射的零級(jí)光束并將其導(dǎo)引到另一分光計(jì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I到12中一項(xiàng)的分光計(jì)，其特征在于，所述入射狹縫(3)被耦合到ICP源或輝光放電(⑶)源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有凹面衍射光柵的光學(xué)分光計(jì)，其包括入射狹縫(3)，適合于接收并形成包括至少一個(gè)波長(zhǎng)λ的入射光束(5)；凹面衍射光柵(1)，適合于接收具有入射角α的所述入射光束(5)并衍射所述光束以形成衍射光束，所述衍射光束與所述光柵(1)的法線形成角β(λ)；至少一個(gè)凹面鏡(8、8a、8b、8c)，由具有半徑為rcyl的圓形截面的柱面的一部分構(gòu)成，所述鏡(8、8a、8b、8c)適合于接收沿方向β(λ)的所述衍射光束(6、6a、6b、6c)并將所述光束聚焦在至少一個(gè)出射狹縫(4、4a、4b、4c)上；以及至少一個(gè)光檢測(cè)器(9、9a、9b、9c)，其被光學(xué)耦合到所述出射狹縫(4、4a、4b、4c)以測(cè)量被衍射并由柱面鏡(8、8a、8b、8c)聚焦的所述光束。根據(jù)本發(fā)明，所述鏡(8、8a、8b、8c)位于葉形線上，該葉形曲線在所述衍射光柵(1)的方向上與沿所述方向β(λ)的所述衍射光束(6、6a、6b、6c)在羅蘭圓(2)上的焦點(diǎn)相距距離d(λ)處，其中d(λ)=rcyl/23/2/cos(β)。
文檔編號(hào)G01J3/36GK102713541SQ201080052222
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者E·弗勒泰爾, M·卡薩雷斯, O·博諾, O·羅熱里厄斯 申請(qǐng)人:堀場(chǎng)喬賓伊馮公司