專利名稱：一種紫外二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種紫外二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
寬譜、高分辨光譜儀在科研、工業(yè)、生命、食品安全等領(lǐng)域的元素成分和含量分析測試中有著重要的應(yīng)用，尤其在鋼鐵、化工、冶金、材料和環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用中，元素干擾少的光譜范圍主要集中在紫外及近紫外波段，因此寬譜、高分辨的紫外光譜儀在這些領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前市場上的光譜儀器廣泛采用基于Rowland, Czerny Turner成像 光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，為了獲得高的光譜分辨率，常采用長焦距，同時增加光柵刻線數(shù)。但是長焦距，將導(dǎo)致龐大的儀器體積，而且光柵刻線數(shù)目增加也會限制光譜的測量范圍。基于中階梯光柵和棱鏡的二維全譜光學(xué)系統(tǒng)成功地解決了寬光譜和高分辨率這一光譜儀中普遍存在的矛盾，然而這項技術(shù)也有如下局限性I.采用低色散棱鏡作初級分光，棱鏡的非線性色散使得在該色散方向上光譜分布不均勻；2.需要大感光區(qū)域的面陣C⑶采集系統(tǒng)以覆蓋全譜范圍，儀器成本高；3.為了降低面陣CCD的成本，有的系統(tǒng)采用狹縫切換或旋轉(zhuǎn)棱鏡來實現(xiàn)寬譜范圍的高分辨光譜圖，導(dǎo)致整個光路系統(tǒng)有移動部件，影響譜圖標定及系統(tǒng)使用的長期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種紫外二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)，改進了基于中階梯光柵和全息光柵的二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)，消除低色散方向上的光譜分布不均勻，實現(xiàn)小面陣CCD寬譜高分辨光譜圖采集，同時全譜光路固定，測量波段的切換不影響全譜圖的標定，提高儀器的穩(wěn)定性，同時降低儀器的成本。本發(fā)明的設(shè)計思想在于利用濾波片將光譜范圍分成120-240nm和240_480nm分時復(fù)用的兩部分，并使用衍射級次共用的低色散凹面全息光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中的準直鏡和分光棱鏡，在不降低光譜范圍和光譜分辨率的情況下，簡化了整體光路，并使光譜圖像采集系統(tǒng)的成像面積縮小到原來的四分之一，大大降低成本。本發(fā)明包括光源I、濾波片切換裝置2、準直鏡3、聚光鏡4、入射狹縫5、入射狹縫5、全息光柵6、中階梯光柵(7)、面陣CCD9 ;所有組件通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，以保證各個組件的空間相對位置。光源I為系統(tǒng)的原點，通過夾緊裝置固定在光學(xué)平臺上，濾波片切換裝置2通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與光源I的相對位置，光源)發(fā)射出的原子多色光譜經(jīng)過分時復(fù)用的濾波片切換裝置2后被分成120-240nm和240-480nm的兩個光譜波段，出射的光直線傳播到偏轉(zhuǎn)角度為5°的準直鏡3上，準直鏡3為球面反射鏡通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與濾波片切換裝置(2)的相對位置，準直鏡3將經(jīng)過濾波片切換裝置2的入射光進行準直變成平行光，并使傳播角度偏轉(zhuǎn)10°后反射，反射后的平行光直線傳播到第一聚焦鏡4上，第一聚焦鏡4)也為球面反射鏡通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與準直鏡3的相對位置，第一聚焦鏡4將由準直鏡3反射的平行光變成會聚光，并使傳播角度偏轉(zhuǎn)-10°后直線傳播，最后會聚到入射狹縫5處，入射狹縫5為一個中心有孔的薄片，通過鏡筒和夾緊裝置固定在光學(xué)平臺上，保證其與第一聚焦鏡4的相對位置。入射狹縫5為點光源，其發(fā)射的光直線傳播到凹面全息光柵6上，凹面全息光柵6通過二維調(diào)整架和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與入射狹縫5的相對位置。凹面全息光柵6兼有 球面反射鏡和光柵的作用，它將入射狹縫5發(fā)出的光反射后變?yōu)槠叫泄猓⑹乖撈叫泄鈧鞑ソ嵌绕D(zhuǎn)10°，該平行光直線傳播到中階梯光柵7上，中階梯光柵7通過三維調(diào)整裝置和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與凹面全息光柵6的相對位置。中階梯光柵(7)將入射的平行光反射后進行色散分光，使不同波長的光偏轉(zhuǎn)不同的角度后直線傳播，這些平行光直線傳播到第二聚焦鏡8上，第二聚焦鏡8為球面反射鏡，通過二維調(diào)整架和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與中階梯光柵7的相對位置。第二聚焦鏡8將中階梯光柵7反射的色散平行光變?yōu)闀酃猓⑹箓鞑ソ嵌绕D(zhuǎn)-10°后反射，反射后的會聚光直線傳播，最后成像在面陣(XD9上，面陣CXD(9)通過夾緊定位裝置固定在光學(xué)平臺上，以保證它與第二聚焦鏡8的相對位置，面陣CCD9將入射的光譜信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給計算機。入射狹縫5、全息光柵6、中階梯光柵7、第二聚焦鏡8、面陣(XD9組件通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，組成中階梯光學(xué)系統(tǒng)。光源(I)、濾波片2、準直鏡3、第一聚光鏡4、入射狹縫5均通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，組成前置光路系統(tǒng)。光源I為ICP光源，也可是其它原子發(fā)射，吸收或LIBS激發(fā)光源。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于利用濾波片將光譜范圍分成120-240nm和240_480nm分時復(fù)用的兩部分；利用衍射級次共用的設(shè)計思想，設(shè)計低色散全息凹面準直分光光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的準直鏡和棱鏡；全譜消像差光路設(shè)計；通過這三項創(chuàng)新，在不降低光學(xué)系統(tǒng)性能的前提下，將成本高的大面陣二維CCD探測器的成像面積縮小到原來的四分之一。該新型紫外二維全譜光學(xué)系統(tǒng)具有寬譜像差校正、高分辨、高光通量、全譜二維成像的顯著優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于紫外波段的ICP光譜儀、LIBS光譜儀、火花光譜儀、輝光光譜儀等高性能光譜儀器。本發(fā)明的積極效果在于前置光路將光源發(fā)出的光耦合到入射狹縫前分別經(jīng)過兩個帶通濾波片，實現(xiàn)所測波段120-240nm和240_480nm分時復(fù)用；自主設(shè)計的準直、低色散凹面全息光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中的準直鏡和分光棱鏡；優(yōu)化整體光路保證相同光譜范圍和光譜分辨率的情況下，使光譜圖像采集系統(tǒng)的成像面積縮小到原來的四分之一，大大降低儀器成本。


圖I為本發(fā)明前置光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，光源I、濾波片2、準直鏡3、第一聚光鏡4、入射狹縫5。圖2為本發(fā)明中階梯光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，入射狹縫5、全息光柵6、中階梯光柵7、第一聚焦鏡8、面陣CCD9
圖3為本發(fā)明兩波段分時采集的光譜示意圖。圖4為本發(fā)明鐵，錫元素在120_240nm波段光譜標定示意圖。圖5為本發(fā)明鐵，錫元素在240_480nm波段光譜標定示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的包括光源I、濾波片切換裝置2、準直鏡3、第一聚光鏡4、入射狹縫5、入射狹縫5、全息光柵6、中階梯光柵(7)、第二聚焦鏡8、面陣CCD9，所有組件通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，以保證各個組件的空間相對位置。圖I 圖5為本發(fā)明的一種具體實施方式
。圖I為前置光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中光源⑴為ICP光源，也可是其它原子發(fā) 射，吸收或LIBS激發(fā)光源，本裝置使用ICP光源；前置光路為雙反射成像光路，光源(I)發(fā)出的光經(jīng)過分時濾波片2，將光譜范圍分成120-240nm和240_480nm分時復(fù)用的兩波段，出射的光直線傳播到準直鏡3上，反射后直線傳播到第一聚光鏡4上，經(jīng)過第一聚光鏡4變?yōu)闀酃夂蠓瓷?，最后成像在入射狹縫(5)處。圖2中階梯光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中入射狹縫5為25 μ mX 25 μ m或25 μ mX50 μ m大小可選的兩種方形孔徑；低色散凹面全息光柵6為自主設(shè)計的一級和二級衍射級次共用的凹面全息閃耀光柵，2級和I級閃耀波長分別為ISOnm和360nm，其功能是將從入射狹縫5射出的多色光準直，并在出射方向上進行低色散分光，然后入射到中階梯光柵7上進行二次高色散分光；中階梯光柵(7)將低色散凹面全息光柵6出射準直平行光進行二次高色散分光，再由第二聚焦鏡8成像在面陣CCD9上。對鐵，錫元素的標準溶液，用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)進行仿真計算，選定鐵元素檢測波長為 218. 719nm, 238. 204nm, 244. 257nm, 259. 94nm, 271. 441nm,選定錫元素檢測波長為140. 052nm, 147. 515nm, 189. 989nm, 242. 949nm, 283. 999nm ;在對應(yīng)檢測波段計算其衍射光譜圖，圖4為基于本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，仿真計算得鐵(218. 719nm, 238. 204nm)和錫(140. 052nm, 147. 515nm, 189. 989nm)的光譜標定圖。圖5為基于本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，仿真計算得鐵(244. 257nm, 259. 94nm,271. 441nm)和錫(242. 949nm，283. 999nm)的光譜標定圖。與現(xiàn)有的二維全譜高分辨ICP儀器相比，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)不僅具有寬譜像差校正、高分辨、高光通量、全譜二維成像的顯著優(yōu)點，還可以有效地縮小光譜采集系統(tǒng)中的CCD有效感光面積，大大降低儀器的成本。
權(quán)利要求
1.一種紫外二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)，其特征是，包括光源(I)、濾波片切換裝置(2)、準直鏡(3)、聚光鏡(4)、入射狹縫(5)、入射狹縫(5)、全息光柵￠)、中階梯光柵(7)、面陣CCD(9);光源(I)為系統(tǒng)的原點，通過夾緊裝置固定在光學(xué)平臺上，濾波片切換裝置(2)通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與光源(I)的相對位置，光源(I)發(fā)射出的原子多色光譜經(jīng)過分時復(fù)用的濾波片切換裝置(2)后被分成120-240nm和240_480nm的兩個光譜波段，出射的光直線傳播到偏轉(zhuǎn)角度為5°的準直鏡(3)上，準直鏡(3)通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與濾波片切換裝置(2)的相對位置，準直鏡(3)將經(jīng)過濾波片切換裝置(2)的入射光進行準直變成平行光，并使傳播角度偏轉(zhuǎn)10°后反射，反射后的平行光直線傳播到第一聚焦鏡(4)上，第一聚焦鏡(4)通過定位底座固定在光學(xué)平臺上，保證其與準直鏡(3)的相對位置，第一聚焦鏡(4)將由準直鏡(3)反射的平行光變成會聚光，并使傳播角度偏轉(zhuǎn)-10°后直線傳播，最后會聚到入射狹縫(5)處，入射狹縫(5)為一個中心有孔的薄片，通過鏡筒和夾緊裝置固定在光學(xué)平臺上，保證其與第一聚焦鏡(4)的相對位置；入射狹縫(5)為點光源，入射狹縫(5)發(fā)射的光直線傳播到凹面全息光柵(6)上，凹面全息光柵(6)通過二維調(diào)整架和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與入射狹縫(5)的相對位置；凹面全息光柵(6)兼有球面反射鏡和光柵的作用，它將入射狹縫(5)發(fā)出的光反射后變?yōu)槠叫泄?，并使該平行光傳播角度偏轉(zhuǎn)10°，該平行光直線傳播到中階梯光柵(7)上，中階梯光柵(7)通過三維調(diào)整裝置和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與凹面全息光柵(6)的相對位置；中階梯光柵(7)將入射的平行光反射后進行色散分光，使不同波長的光偏轉(zhuǎn)不同的角度后直線傳播，這些平行光直線傳播到第二聚焦鏡(8)上，第二聚焦鏡(8)通過二維調(diào)整架和定位底座固定在光學(xué)平臺上，以保證它與中階梯光柵(7)的相對位置；第二聚焦鏡(8)將中階梯光柵(7)反射的色散平行光變?yōu)闀酃?，并使傳播角度偏轉(zhuǎn)-10°后反射，反射后的會聚光直線傳播，最后成像在面陣CXD(9)上，面陣CXD(9)通過夾緊定位裝置固定在光學(xué)平臺上，以保證它與第二聚焦鏡(8)的相對位置，面陣CCD(9)將入射的光譜信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的準直鏡(3)、聚焦鏡均為球面反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述的光源(I)為ICP光源、原子發(fā)射，吸收或LIBS激發(fā)光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，入射狹縫(5)、全息光柵(6)、中階梯光柵(7)、第二聚焦鏡(8)、面陣CXD(9)通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，組成中階梯光學(xué)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，光源(I)、濾波片(2)、準直鏡(3)、第一聚光鏡(4)、入射狹縫(5)均通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，組成前置光路系統(tǒng)。
全文摘要
一種紫外二維全譜高分辨光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括光源、濾波片切換裝置、準直鏡、聚光鏡、入射狹縫、入射狹縫、全息光柵、中階梯光柵、面陣CCD。所有組件通過定位底座固定在光學(xué)平臺上相互連接，以保證各個組件的空間相對位置。利用濾波片將光譜范圍分成120-240nm和240-480nm分時復(fù)用的兩部分；利用衍射級次共用的設(shè)計思想，設(shè)計低色散全息凹面準直分光光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的準直鏡和棱鏡；全譜消像差光路設(shè)計；在不降低光學(xué)系統(tǒng)性能的前提下，將成本高的大面陣二維CCD探測器的成像面積縮小到原來的四分之一。該系統(tǒng)具有寬譜像差校正、高分辨、高光通量、全譜二維成像的顯著優(yōu)點。
文檔編號G02B27/44GK102967367SQ201210518400
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者武建芬, 周超 申請人:鋼研納克檢測技術(shù)有限公司