专利名称：一种用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光谱技术领域，尤其涉及高分辨率、测试速度快的中阶梯光栅光谱仪， 具体的涉及一种用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统。
背景技术：
中阶梯光栅光谱仪属于光谱分析仪器，与传统的单道扫描光谱仪相比较，中阶梯光栅光谱仪具有检出限低、波段宽、单色器无移动部件、结构紧凑、无需多次扫描曝光便可实现多元素光谱的瞬态测量等特点，利于实现高智能化和自动化，代表了光谱技术的发展趋势。前者光学系统广泛采用C zerney-Turner (C— Τ)结构形式结
构，色散元件采用普通闪耀光栅，为了避免级次重叠只能使用低衍射级次(如一 1级或一 2 级)。先进从光源发出的光穿过入射狭缝后，反射到一个可以转动的光栅上，该光栅将光色散后，经反射使某一条特定波长的光通过出射狭缝投射到光电倍增管上进行检测。光栅转动至某一固定角度时只允许一条特定波长的光线通过该出射狭缝，随光栅角度的变化，谱线从该狭缝中依次通过并进入检测器检测，完成一次全谱扫描；和多道光谱仪相比，单道扫描光谱仪波长选择更为灵活方便，分析样品的范围更广，适用于较宽的波长范围。但由于完成一次扫描需要一定时间，因此分析速度受到一定限制。后者光学系统采用中阶梯光栅和棱镜交叉色散光学结构，色散元件采用中阶梯光栅和棱镜。由于采用了高衍射级次的中阶梯光栅，其衍射谱存在严重的级次重叠，因此需要用一低色散元件(棱镜或平面光栅)将重叠在一起的各级次光谱分离开来，即进行交叉色散(相对于中阶梯光栅的色散方向或被称为横向色散)，使入射单束光分解为二维光谱，按波长与级次的顺序由聚焦镜聚焦在探测器靶面上，因此，中阶梯光栅光谱仪可以在一次曝光中获得很宽波段的光谱信号。此光学结构光谱仪具有小型化、高分辨率、快速测量等优点，代表了光谱仪的发展趋势。在电感耦合等离子体发射光谱仪中目前主要有轴向、径向、双向三种观测方式，径向观测即炬管垂直观测；轴向观测即矩管水平放置，观测火焰端部即轴向；双向观测即矩管水平放置，可以观测径向和轴向。在等离子体发射光谱中，其发射信号的强度主要取决于光源通道的长度，而径向观测的受狭缝高度的限制，其光源通道的长度远比轴向观测有限， 从而造成其检出限相对于轴向观测高出数倍，同时采用径向观测时检测器不可避免的接受到环形区较强的辐射背景，降低了测定时的信背比。而水平观测可以接受比较强的发射信号，保证较低的检出限和背景强度(即背景等效浓度比较小)，具有较高的信背比及较低检出限的优点，但由于水平观测时光强呈数量级增加，测量高含量元素时只能选择次灵敏线， 这样导致测量准确性受到限制。对比二者的优缺点，两种方法可以相互弥补不足，因此开发双向观测的技术，融合轴向、径向的特点，具有一定的灵活性，增加了测定复杂样品的适应性。
发明内容
本发明旨在提供一种高分辨率、大视场、宽光谱范围以及光学结构紧凑体积小的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统。为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现
一种用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统，其包括一双向观测前置照明系统和一交叉色散主光路系统，所述双向观测前置照明系统位于水平方向，所述交叉色散主光路系统位于竖直方向，两系统构成一 T形结构。进一步的，所述双向观测前置照明系统包括一平面镜、一径向球面镜、一转向镜、 一狭缝和一轴向球面镜，所述平面镜与径向成45°，所述径向球面镜和轴向球面镜有共同的物面和像面，所述狭缝位于所述径向球面镜的像面上，所述转向镜可转动；在所述双向观测前置照明系统中目标水平放置，从轴向和径向采光，径向方向的光照射在所述平面镜上， 经所述平面镜转为轴向方向照射到所述轴向球面镜上，经所述径向球面镜后投射到所述转向镜，通过所述转向镜后成像在所述狭缝上；轴向方向的光照射在所述轴向球面镜后投射到所述转向镜，通过所述转向镜后成像在所述狭缝上。进一步的，所述交叉色散主光路系统包括一球面准直镜、一折射棱镜、一中阶梯光栅、一球面聚焦镜和一面阵探测器，所述探测器位于所述球面聚焦镜的焦面上；所述狭缝还位于所述球面准直镜的焦面上，从所述狭缝中出射的光线经所述球面准直镜后通过所述折射棱镜折射后到达所述中阶梯光栅，经所述中阶光栅衍射后的光线再次通过所述折射棱镜色散后到达所述球面聚焦镜，经所述球面聚焦镜汇聚后，由所述面阵探测器接收。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
1、本发明的双向观测前置照明光路系统中，通过转向镜的转分别将两个方向上的光成像在狭缝上来实现轴向和径向观测方式切换的目的。2、本发明的交叉色散主光路系统，通过棱镜，实现增大色散率、提高分辨率的目的；棱镜与光栅色散方向垂直，结合级次与波段选择能够实现二维全谱图，实现连续宽光谱范围的目的；光路系统为竖直光路，所有元件不在同一平面内，实现矫正彗差和象散，改善像质，提高分辨率的目的；且光路中无任何移动部件和特殊光学元件，降低元件损耗，实现节约成本的目的。3、本发明的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统具有分辨率高、视场大、光谱范围宽以及光学结构紧凑体积小等特点，特别适合光谱分析仪器系统。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发
4明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中 图1为本发明的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统的结构示意图。图中标号说明1、平面镜，2、径向球面镜，3、转向镜、4、狭缝，5、轴向球面镜，6、球面准直镜，7、折射棱镜，8、中阶梯光栅，9、球面聚焦镜，10、焦面探测器，11、目标。
具体实施例方式下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。如图1所示，本发明的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统由平面镜1、径向球面镜2、转向镜3、狭缝4和轴向球面镜5、球面准直镜6、折射棱镜7、中阶梯光栅8、球面聚焦镜9和面阵探测器10组成。目标11水平放置，从轴向和径向采光，轴向方向的光照射在与径向成45°的平面镜1上，经平面镜1转为轴向方向照射到轴向球面镜2上，经径向球面镜2后投射到转向镜 3，轴向方向的光照射在轴向球面镜4后投射到转向镜3，通过旋转转向镜3分别将轴向和径向上的光成像在狭缝4上，从狭缝4出射的光线经球面准直镜6后通过折射棱镜7折射后到达中阶梯光栅8，经光栅衍射后的光线再次通过折射棱镜7色散后到达球面聚焦镜9，经球面聚焦镜9汇聚后，由面阵探测器10接收。实施例1
水平双向观测光路系统把目标11成像在狭缝4上，通过平面镜1的旋转实现轴向和径向观测的切换，狭缝4位于球面准直镜6的焦面上，通过狭缝4的光线经球面准直镜6变成平行光照在折射棱镜7在水平方向发生色散后，再经中阶梯光栅8在竖直方向色散，经阶梯光栅8色散后的光线再次经过棱镜7沿水平方向色散后照在球面聚焦镜9上，焦面探测器 10位于聚焦镜9的焦面上，经聚焦镜的光线在焦面探测器10的靶面上形成二维全谱图。图像采集控制及信号处理采用微型计算机系统。实施例2
将双向观测全谱直读的光路结构搭建在电感耦合等离子体发射光谱仪中，对试样进行采样，试样为含有Na元素的混合溶液。点火进样后，等离子体火焰水平放置，本例从径向采光，径向方向的光照射在平面镜1上，经平面镜1转为轴向方向照射到轴向球面镜2上，经径向球面镜2后投射到转向镜 3，通过旋转转向镜3分别将径向上的光成像在狭缝4上，从狭缝4出射的光线经球面准直镜6后通过折射棱镜7折射后到达中阶梯光栅8，经阶梯光栅8衍射后的光线再次通过折射棱镜7色散后到达球面聚焦镜9，经球面聚焦镜9汇聚后，由面阵探测器10接收。焦平面采用高灵敏度高动态范围的大面阵CID，图像采集及信号处理采用微型计算机系统，显示出全谱图，显示出所测元素的特征波长、对应级次和特征波长，分析出元素含量。以上所述仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统，其特征在于包括一双向观测前置照明系统和一交叉色散主光路系统，所述双向观测前置照明系统位于水平方向，所述交叉色散主光路系统位于竖直方向，两系统构成一 T形结构。
2.根据权利要求1所述的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统，其特征在于所述双向观测前置照明系统包括一平面镜(1)、一径向球面镜(2)、一转向镜(3)、一狭缝(4) 和一轴向球面镜(5 )，所述平面镜(1)与径向成45 °，所述径向球面镜(2 )和轴向球面镜(5 ) 有共同的物面和像面，所述狭缝(4)位于所述径向球面镜(2)的像面上，所述转向镜(3)可转动；在所述双向观测前置照明系统中目标(11)水平放置，从轴向和径向采光，径向方向的光照射在所述平面镜(1)上，经所述平面镜(1)转为轴向方向照射到所述轴向球面镜(2) 上，经所述径向球面镜(2)后投射到所述转向镜(3)，通过所述转向镜(3)后成像在所述狭缝(4)上；轴向方向的光照射在所述轴向球面镜(5)后投射到所述转向镜(3)，通过所述转向镜(3 )后成像在所述狭缝(4 )上。
3.根据权利要求2所述的用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统，其特征在于所述交叉色散主光路系统包括一球面准直镜(6)、一折射棱镜(7)、一中阶梯光栅(8)、一球面聚焦镜(9)和一面阵探测器(10)，所述探测器(10)位于所述球面聚焦镜(9)的焦面上；所述狭缝(4)还位于所述球面准直镜(6)的焦面上，从所述狭缝(4)中出射的光线经所述球面准直镜(6)后通过所述折射棱镜(7)折射后到达所述中阶梯光栅(8)，经所述中阶光栅(8) 衍射后的光线再次通过所述折射棱镜(7)色散后到达所述球面聚焦镜(9)，经所述球面聚焦镜(9)汇聚后，由所述面阵探测器(10)接收。
全文摘要
本发明公开了一种用于光谱仪的双向观测全谱直读光路系统，其包括一双向观测前置照明系统和一交叉色散主光路系统，所述双向观测前置照明系统位于水平方向，所述交叉色散主光路系统位于竖直方向，两系统构成一T形结构，所述前置照明光路系统将目标成像在狭缝上，通过狭缝进入交叉色散主光路系统，得到的二维光谱图由面阵探测器接收，实现全谱直读。本发明具有以下特点前置照明光路系统和竖直色散主光路系统构成T型，结构紧凑，节省空间；色散主光路系统采用竖直光路，能很好的改善彗差和象散，提高成像质量，改善分辨率，无任何移动部件，降低元件损耗；光学元件少且简单，无特殊非球面镜，加工容易，成本经济。
文档编号G01N21/01GK102419206SQ20111026190
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者刘召贵, 朱小琴, 毛秦军, 陈祖新, 黄冲 申请人:江苏天瑞仪器股份有限公司
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