專利名稱：一種光譜分析儀和光譜分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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分辨率的光譜分析儀和光譜分析方法。
背景技術(shù)：
在光譜探測領(lǐng)域中，一般要求光譜采集時間盡可能短，一次采集的光譜范圍要盡可能寬；整個探測系統(tǒng)要堅固緊湊，便于攜帶和戶外使用；這些特性不能犧牲光譜分辨率和精度，還要盡可能減少校準(zhǔn)和各種漂移補(bǔ)償?shù)墓ぷ髁?。目前，常見的光譜儀的結(jié)構(gòu)有Czerny-Turner結(jié)構(gòu)、Paschen-Runge結(jié)構(gòu)、平場凹面光柵分光系統(tǒng)、中階梯光柵二維分光系統(tǒng)等。中階梯光柵二維分光系統(tǒng)由于其具有體積小、分辨率高等優(yōu)點，在需要高分辨率的場合得到較多應(yīng)用。中階梯光柵二維分光系統(tǒng)，如圖1所示，一般包括光源1、入射狹縫3、準(zhǔn)直鏡4、光柵6及棱鏡5、成像鏡7和探測器8。測量光通過一定的聚焦鏡2引入入射狹縫后，經(jīng)過準(zhǔn)直鏡4后獲得的準(zhǔn)直光束入射到色散方向互相垂直的光柵6和棱鏡5上，實現(xiàn)入射光的二維色散，經(jīng)過二維色散后的光入射到成像鏡7上，經(jīng)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(yīng)的譜圖，即寬譜譜圖。上述中階梯二維分光系統(tǒng)具有下列特點在寬譜譜圖中，譜線在像面上呈現(xiàn)二維分布，即從短波到長波(160 850nm)譜線分布表現(xiàn)出短波譜線分布較疏、長波譜線分布較密的特點?；谏鲜鎏攸c，中階梯光柵二維分光系統(tǒng)具有如下不足1、譜線分布不均勻波長越長，對應(yīng)的棱鏡折射率越小，則在分光時短波部分的譜線就占據(jù)大部分譜圖，而長波部分的譜線很密集且僅占據(jù)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分辨率低此類分光系統(tǒng)的光學(xué)分辨率，受限于中階梯光柵的特性，波長越長，光學(xué)分辨率越大，分辨效果越差，如長波區(qū)域光學(xué)分辨率會變成短波區(qū)域光學(xué)分辨率的幾倍，如300nm以上波段對應(yīng)的光學(xué)分辨率一般會變成短波200nm的2倍以上，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)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干擾比較嚴(yán)重，常規(guī)的中階梯光柵二維分光系統(tǒng)的光譜分辨率不足以分辨出干擾譜線，使得分光系統(tǒng)無法有效地消除譜線干擾問題，導(dǎo)致測量誤差，不利于檢測。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種成本較低、可靠性高、能夠改善傳統(tǒng)中階梯光柵二維分光系統(tǒng)窄波段光譜分辨率差的問題的光譜分析儀和光譜分析方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發(fā)出測量光；光采集單元，所述光采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(jīng)所述第一分光模塊X方向分光后被所述第二分光模塊進(jìn)行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經(jīng)過所述第二分光模塊分光后再被成像單元成像后被探測單元接收；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(yīng)的譜圖。進(jìn)一步，所述第一分光模塊對測量光還進(jìn)行Y方向的分光，X方向與Y方向不平行。作為優(yōu)選，所述X方向和Y方向相互垂直。進(jìn)一步，所述第一分光模塊包括第一棱鏡和第一光柵，所述第一光柵對測量光進(jìn)行X方向的分光。作為優(yōu)選，所述第一光柵為中階梯光柵。作為優(yōu)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(yōu)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(jīng)所述第一分光模塊分光后，一部分經(jīng)第一成像模塊成像后被第一探測器接收，一部分進(jìn)一步被第二分光模塊分光、再經(jīng)第二成像模塊成像后被第二探測器接收；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(yīng)的譜圖。作為優(yōu)選，所述第二分光模塊設(shè)置在第二成像模塊上。作為優(yōu)選，所述第一探測器與第二探測器為同一探測器。本發(fā)明還提供了一種光譜分析方法，包括以下步驟A、采用上述任一所述的光譜分析儀；B、光源發(fā)出的測量光經(jīng)所述第一分光模塊分光后，進(jìn)一步被所述第二分光模塊分光，經(jīng)成像單元成像后被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到窄波段對應(yīng)的譜圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)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?qū)?yīng)的光學(xué)分辨率。2、可以獲得常規(guī)從長波段到短波段對應(yīng)的寬譜譜圖和高分辨的窄波段如長波段對應(yīng)的譜圖，具有傳統(tǒng)的中階梯光柵譜圖覆蓋波長范圍廣和窄波段對應(yīng)光譜分辨率高的優(yōu)
點ο3、測量光經(jīng)兩次分光后被成像探測，其所采用的光學(xué)透鏡和面陣探測器成本較低，能夠在有限的成本范圍內(nèi)達(dá)到更好的效果。


圖1為背景技術(shù)的中階梯光柵二維分光系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。圖4為常規(guī)的中階梯光柵二維分光光學(xué)系統(tǒng)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(shè)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(jié)構(gòu)示意圖；圖7為實施例2中第二分光模塊設(shè)置在第一成像模塊和第一探測器之間時光譜分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為實施例3中光譜分析儀的結(jié)構(gòu)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、光采集單元、分光單元、成像單元、 探測單元和處理單元；本發(fā)明中，所述光源11為電感耦合等離子體(ICP)、激光器、元素?zé)?、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(fā)射光譜法光源，通常，它是由高頻發(fā)生器、感應(yīng)線圈、等離子矩管和供氣系統(tǒng)等四部分組成；所述光采集單元包括聚焦鏡12、入縫13和聚焦鏡14，所述光采集單元將光源11 發(fā)出的測量光耦合至第一分光模塊。所述光源及光采集單元為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，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(jīng)所述第一分光模塊X 方向衍射分光后被所述第二分光模塊進(jìn)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和第一棱鏡15，所述第一光柵16對測量光進(jìn)行X方向的衍射分光，所述第一棱鏡15對測量光進(jìn)行Y方向的折射分光；所述X方向和Y方向不平行。優(yōu)選的，所述第一光柵16為中階梯光柵。優(yōu)選的，X方向和Y方向相互垂直。測量光被第一光柵16衍射分光后，各級之間會產(chǎn)生重疊，再通過色散分光方向與第一光柵16相互垂直的第一棱鏡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(yīng)的譜圖；但由于中階梯光柵隨著波長變長，衍射級次會變小，從而導(dǎo)致分辨率下降，因此長波段譜圖分辨率會比短波段差，在分析長波譜線非常豐富的物質(zhì)時譜線干擾就比較嚴(yán)重，如分析黑色金屬鐵中的稀土元素。為了提高光譜分辨率，設(shè)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(jīng)第一分光模塊分光后進(jìn)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(jīng)過所述第二分光模塊172分光后再被成像單元成像后被探測單元接收；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(yīng)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(biāo)出)分別與第一探測器18和第二探測器20相連。測量光經(jīng)所述第一分光模塊分光后，一部分經(jīng)第一成像模塊171成像后被第一探測器18接收，一部分進(jìn)一步被第二分光單元172分光、再經(jīng)第二成像模塊19成像后被第二探測器20接收；將第二探測器20設(shè)置在經(jīng)第二成像模塊19成像后窄波段如長波段對應(yīng)光譜所在的位置，即可探測得到窄波段如長波段對應(yīng)的分辨率較高的譜圖。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(yīng)的譜圖和窄波段如長波段對應(yīng)的分辨率較高的譜圖，請分別參見圖4、圖5 ；其中，圖 5為對圖4長波段進(jìn)一步分光后得到的譜圖，顯示了從300 500nm的譜線分布。根據(jù)需求設(shè)置成像單元和探測單元若僅需要得到高分辨率的窄波段對應(yīng)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(yīng)的波段)和窄波段對應(yīng)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(yīng)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(yōu)選的，在本實施例中，所述第二分光模塊172設(shè)置在第一成像模塊上171 ；由于第一成像模塊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，因此用于進(jìn)一步對窄波段進(jìn)行分光的第二分光模塊172可以設(shè)置在第一成像模塊171上能夠接收到測量光的任一位置。優(yōu)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(shè)置在第一成像模塊171的中心。經(jīng)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(jīng)第一成像模塊171成像后被第一探測器18接收；一部分被第二分光模塊172反射或透射后衍射，測量光的方向發(fā)生改變，經(jīng)第二成像模塊19成像后被第二探測器20接收；第二分光模塊172 的引入，增加了系統(tǒng)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(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，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、采用本實施例所述的提高光譜分辨率的光譜分析儀；B、測量光經(jīng)所述第一分光模塊分光后，進(jìn)一步被所述第二分光單元172分光，經(jīng)成像單元成像后被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到長波段對應(yīng)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(yīng)的光學(xué)分辨率。在獲得常規(guī)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(tǒng)的中階梯光柵譜圖覆蓋波長范圍廣和窄波段光譜分辨率高的優(yōu)點。進(jìn)行二次分光所采用的光學(xué)透鏡和面陣探測器成本較低，能夠在有限的成本范圍內(nèi)達(dá)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(shè)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(shè)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后經(jīng)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(yīng)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(yīng)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，采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后經(jīng)過第二分光模塊272分光后，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(yīng)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，采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后經(jīng)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(yīng)的譜圖。上述實施方式不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本發(fā)明的關(guān)鍵是測量光經(jīng)所述第一分光模塊X方向分光后被所述第二分光模塊進(jìn)行相同方向的分光，提高了窄波段對應(yīng)的光譜分辨率。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，對本發(fā)明做出的任何形式的改變均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發(fā)出測量光；光采集單元，所述光采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(jīng)所述第一分光模塊X方向分光后被所述第二分光模塊進(jìn)行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經(jīng)過所述第二分光模塊分光后再被成像單元成像后被探測單元接收；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(yīng)的譜圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜分析儀，其特征在于所述第一分光模塊對測量光還進(jìn)行Y方向的分光，X方向與Y方向不平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜分析儀，其特征在于所述X方向和Y方向相互垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜分析儀，其特征在于所述第一分光模塊包括第一棱鏡和第一光柵，所述第一光柵對測量光進(jìn)行X方向的分光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光譜分析儀，其特征在于所述第一光柵為中階梯光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜分析儀，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的光譜分析儀，其特征在于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(jīng)所述第一分光模塊分光后，一部分經(jīng)第一成像模塊成像后被第一探測器接收，一部分進(jìn)一步被第二分光模塊分光、再經(jīng)第二成像模塊成像后被第二探測器接收；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(yīng)的譜圖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光譜分析儀，其特征在于所述第二分光模塊設(shè)置在第二成像模塊上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光譜分析儀，其特征在于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(quán)利要求1 9任一所述的光譜分析儀；B、光源發(fā)出的測量光經(jīng)所述第一分光模塊分光后，進(jìn)一步被所述第二分光模塊分光， 經(jīng)成像單元成像后被探測單元接收，處理單元處理所述探測單元接收的信號，得到窄波段對應(yīng)的譜圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光譜分析儀，包括光源，所述光源發(fā)出測量光；光采集單元，所述光采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(jīng)所述第一分光模塊X方向分光后被所述第二分光模塊進(jìn)行相同方向的分光；成像單元和探測單元，所述測量光經(jīng)過所述第二分光模塊分光后再被成像單元成像后被探測單元接收；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(yīng)的譜圖。本發(fā)明還提供了一種光譜分析方法。本發(fā)明具有窄波段光譜分辨率高的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)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