紧凑型光谱仪和包括所述光谱仪的仪器制造技术

描述了一种具有无遮挡的施密特反射器的光谱仪。所述光谱仪可包括施密特校正器和色散元件作为单独的组件。替代地，可将所述施密特校正器和所述色散元件组合成单个光学组件。所述光谱仪还可包括视场致平器透镜。述光谱仪还可包括视场致平器透镜。述光谱仪还可包括视场致平器透镜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型光谱仪和包括所述光谱仪的仪器
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2018年8月10日提交的标题为“紧凑型光谱仪和包括所述光谱仪的仪器(COMPACT SPECTROMETERS AND INSTRUMENTS INCLUDING THEM)”的第62/717,255号美国临时专利申请的优先权，前述美国临时专利申请在此以全文引用的方式并入本文。


[0003]本文描述了可用于选择一个或多个光波长的光谱仪的某些配置。

技术介绍

[0004]在许多应用中，需要检测从光源发射的光或由光源探测的样本发射的光的光谱。光谱仪可用于检测光谱。光谱仪通常使用光学元件的组合在空间上分离不同波长的光，使得在空间上分辨光的检测器阵列可基于由检测器阵列中的每个检测器检测到的光量来确定光的波长。

技术实现思路

[0005]能够检测大范围光(例如光谱的紫外光和可见光部分)的光谱仪通常很大，并使用具有一个或多个分光器的多个窄带检测器将光路的至少一部分引导至窄带检测器。在一些情况下，分光器是半镀银镜，其允许光的第一部分(例如紫外光部分)穿过以到达第一检测器，并将光的第二部分(例如可见光部分)引导至第二检测器。在其它情况下，分光器可为全镀银镜，其仅在光路的一部分中插入，且仅将光的一部分(例如，光谱的紫外光部分)引导至对有限波长范围(例如，仅紫外波长)敏感的检测器。一些光谱仪使用平面镜将光谱的UV部分引导至单独的检测器。在其它光谱仪中，反射镜可包括孔，以使得光的一部分穿过反射镜到达第一检测器，而光的其余部分从反射镜反射并被引导至第二检测器。在某些情况下，孔可位于施密特校正器中，以使得光的一部分不会被施密特校正器校正，而是被引导至单独的检测器。然而，光学元件的这种组合增加了光谱仪的占据面积，因此在大型光谱仪可能会取代其它有用仪器的空间受限的环境中使用是不切实际的。此外，使用分光器或其它光学组件可能会降低系统的整体光学效率。
[0006]本文描述的一个或多个方面涉及具有离轴施密特望远镜(或包括施密特望远镜的成像系统)的OES的光谱仪的光学设计和/或布局，所述离轴施密特望远镜同时在单个(而不是两个)检测器上捕获UV和可见光谱而不会有损性能。光谱仪可在图像平面处包括图像传感器，并且可通过入口狭缝处的一组传输光学器件与等离子体源集成。光谱仪的一个示例的样本可检测范围可包括约167nm至约1200nm(
±
5％或
±
10％)的波长范围。本文描述的光谱仪架构和成像仪还可在减少成像传感器的数量的同时减小尺寸和/或提高光学效率。在一个或多个示例中，本文描述的光谱仪可通过使用单个检测器(而不是两个检测器)来捕获可见光谱和紫外光谱(例如167至1200nm)的部分而实现更高的光学效率，同时将对性能的影响降至最小。
[0007]根据一个或多个方面，本公开可涉及一种光学光谱仪。所述光谱仪包括孔口、准直仪、中阶梯光栅、离轴施密特望远镜和检测器。准直仪光学耦合至孔口和中阶梯光栅。离轴施密特望远镜光学耦合至中阶梯光栅和检测器。通过孔口进入光谱仪的光被引导至检测器。此外，入射在检测器上的光包括跨紫外光谱和可见光谱在空间上分离的多个波长。在一些实施方式中，多个波长跨约167nm至约1200nm的光谱范围在空间上分离。
[0008]在一些实施方式中，离轴施密特望远镜可进一步包括施密特校正器、色散元件和反射镜。反射镜可为球面镜。在一些实施方式中，视场致平透镜可位于反射镜与检测器之间。视场致平透镜可光学耦合至反射镜和检测器。色散元件可包括棱镜。在一些实施方式中，施密特校正器可为棱镜的一个面上的非球面表面。在其它实施方式中，施密特校正器可为与棱镜分离且独立于棱镜的反射镜。检测器可被配置成检测可见光。检测器可被配置成检测紫外光。检测器可被配置成检测红外光。棱镜可包括双通反射棱镜。在一些实施方式中，光谱仪可从感应耦合等离子体(ICP)系统接收光。
[0009]在下文更详细地描述附加方面、配置、实施例和示例。
附图说明
[0010]下面参考附图描述光谱仪及其组件的某些特定配置，在附图中：
[0011]图1示出了根据本公开的方面的示例光谱仪。
[0012]图2示出了与示例光谱仪相对应的示例分极光栅图。
[0013]图3A和图3B示出了在高通量模式下示例光谱仪的通量和可能检测极限的比较。
[0014]图4示出了在同时操作模式下示例光谱仪的预期UV光谱处理特征的比较。
[0015]图5A和图5B示出了在同时操作模式下示例光谱仪的预期可见光谱处理特征的比较。
[0016]图6示出了基于修改中阶梯光栅的平面外角(例如，伽马角)的检测灵敏度。
[0017]图7示出了光谱分辨率的比较。
[0018]图8A至图8C示出了施密特望远镜的示例。
[0019]图9A至图9D示出了各种无障碍反射式施密特望远镜设计的特征。
[0020]鉴于本公开的益处，本领域技术人员将认识到，附图中组件的确切布置、尺寸和定位不一定是按比例的或需要的。一个组件相对于另一组件的特定尺寸和角度可变化，以提供来自组件或包括组件的光学光谱仪的所需的响应或输出。
具体实施方式
[0021]描述了光谱仪的某些方面、配置、实施方案和示例。专利技术人已经认识并意识到，在常规光谱仪中通常观察到光谱重叠，这会降低准确性，降低检测极限，并且可能限制最终图像平面上的分辨率。此外，常规光谱仪通常很大，这可能使它们在大型光谱仪可能会取代其它有用仪器的空间受限的环境中的使用不切实际。因此，专利技术人已经认识并意识到，需要用于光发射光谱法(OES)和其它应用的低成本、高性能且紧凑设计的光谱仪。
[0022]本文描述的一个或多个方面涉及具有离轴施密特望远镜(或包括施密特望远镜的成像系统)的OES的光谱仪的光学设计和/或布局，所述离轴施密特望远镜同时在单个检测器上捕获UV和可见光谱而不会有损性能。光谱仪可在图像平面处包括图像传感器，并且可
通过入口狭缝处的一组传输光学器件与等离子体源集成。光谱仪的一个示例的样本可检测范围可包括约167nm至约1200nm(
±
5％或
±
10％)的波长范围。
[0023]本文描述的光谱仪的一个或多个方面可包括施密特望远镜或与施密特望远镜设计有关的组件。例如，光谱仪可使用来自施密特望远镜设计的受阻凹面镜，以提高光谱仪的光学效率。一些方面涉及具有以下特征中的一个或多个的光谱仪：波长分辨范围为167至1200nm，光谱分辨率为5至6pm(例如，对于As193
‑
砷，在193nm的波长)且在某一分辨率模式下每峰一个点，当前高分辨率光谱仪的光通量，28mm
×
28mm格式的检测器尺寸(例如，15μm正方形像素大小)，以及能够提供比顺序单色光谱仪更快的测量速度。
[0024]另外，本文描述的光谱仪的一个或多个方面可包括一个或多个非球面表面、小型光学器件和中阶梯光栅。通过增加光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学光谱仪，其包括：孔口；准直仪；中阶梯光栅；离轴施密特望远镜；以及检测器，其中所述准直仪光学耦合至所述孔口和所述中阶梯光栅，其中所述离轴施密特望远镜光学耦合至所述中阶梯光栅和所述检测器，其中通过所述孔口进入所述光谱仪的光被引导至所述检测器，并且其中入射在所述检测器上的光包括跨紫外光谱和可见光谱在空间上分离的多个波长。2.根据权利要求1所述的光学光谱仪，其中所述离轴施密特望远镜还包括：施密特校正器；色散元件；以及反射镜。3.根据权利要求2所述的光学光谱仪，其中所述反射镜包括球面镜。4.根据权利要求2所述的光学光谱仪，还包括：位于所述反射镜之间的视场致平透镜，其中所述检测器和所述视场致平透镜光学耦合至所述反射镜。5.根据权利要求2所述的光学光谱仪，其中所述色散元件包括棱镜，并且其中所述施密特校正...

【专利技术属性】
技术研发人员：玛萨，
申请(专利权)人：珀金埃尔默健康科学有限公司，
类型：发明
国别省市：