一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，三者位于罗兰圆的周长上，光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；光线在透过所述光学狭缝之后，以42

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统


[0001]本专利技术涉及光谱仪
，尤其涉及一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统。

技术介绍

[0002]光谱仪又称之为分光仪，在检测运用领域内最常见的就是直读光谱仪，英文名为OES(Optical Emission Spectrometer),即原子发射光谱。原子发射光谱的整个光学系统主要由三部分组成，分别为入射狭缝、色散系统和成像系统。然而对于光源来说，普通的直读光谱仪一般采用电火花、电弧或者辉光放电的方式把样品打成蒸汽进行激发的，由于其样品所含元素原子的电子在基态和激发态之间的跃迁会引起能量变化，所以样品一旦受到能量的激发，其原子的电子在受到激发后就形成状态上的能量跃迁，并以光的形式体现出来；然后所形成的光谱通过光纤导入光谱仪中进行分析。光谱首先进入聚光筒，其中的平凸透镜将光聚焦到狭缝上，各波长的光通过狭缝后紧接着就照射到全息凹面光栅上进行色散，各波长入射到凹面光栅的入射角都是保持一致，但是衍射角会随着波长的增加而增加，这样不同波长的特征波长就会被色散分离开来，并且所用到的光栅是带有曲率半径的球形凹面光栅，不但起到色散作用还可以把色散后的光聚焦到一个点上，这种球形凹面光栅相比于平面光栅相比具有消除球差的作用。根据罗兰圆定理，这些特征波长的光色散后最终被聚焦的像点依次排列在罗兰圆的边长上，然后将探测器依次排列在罗兰圆上便可以采集不同波长像点的相对位置和相应的强度。
[0003]常见的光电传感器有光电倍增管和CCD光电传感器，这类传感器往往灵敏度比较低，而且读取速度比较慢，成像质量差并且为其配备的电路难以形成集成化，这便会导致为其配备的电路板将会设计的过大，这样便十分不利于最终设备体型的小型化。
[0004]从另一个角度来讲，对于各种传感器的感光面来说其实际上是一个狭长的平面。而理论上各特征波长的光成像点都在罗兰圆的弧长的边长上，若使用不是弧面而是平面的光电传感器进行采集将会导致传感器上的像斑离焦程度过大且像斑的均方根直径会增加，从而将会导致分辨率下降，并且这种情况下，远离中心波长像斑的波长的光所成像的分辨率将会更差，也就是说特征波长衍射光越远离中心波长的光线的分辨率将会更差。所以不管CMOS或CCD光电传感器以何种方式进行摆放都无法避免这种情况
[0005]另外对于目前市场上的大部分光电传感器来说，其感光面的长度是固定不变的，若其依次并排排列在罗兰圆面上的聚焦点弧长上，由于尺寸问题无法使得多片光电传感器并列排列，跟何况这些传感器在感光面的外围还含有一系列的封装，这使得采集部分的模块体积更加庞大，因此也导致原本由于数量过多而摆放不下的光电传感器的几何机械矛盾的问题更加严重。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，该光学系统具有高灵敏度、读取速度快、成像质量高且电路可集成化的光电传感器，能压缩光斑、减小像差并提
高分辨率，并解决由于传感器结构尺寸问题而导致在罗兰圆的像面上无法同时摆下多片光电传感器的问题。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，所述系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：
[0009]所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；
[0010]所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；
[0011]光线在透过所述光学狭缝之后，以42
°
为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；
[0012]所述光电传感器采用如下方式进行摆放：
[0013]首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；
[0014]所述光电传感器的摆放位置设置为感光面垂直各个波段的中心波长，并且感光面的形心位置是每一波段中心波长的成像点，该感光面的形心位置与罗兰圆圆弧相重合；
[0015]对于第一段波长所测量范围150nm～200nm的光电传感器来说，采用光电传感器的感光面与罗兰圆相切入射的形式进行采集；而第二段到第七段波长采用与罗兰圆垂直入射的形式进行采集；
[0016]最终将各自接收到的光线交错反射到各自对应的光电传感器上，形成交错双排式全谱采集。
[0017]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述光学系统具有高灵敏度、读取速度快、成像质量高且电路可集成化的光电传感器，能压缩光斑、减小像差并提高分辨率，并解决由于传感器结构尺寸问题而导致在罗兰圆的像面上无法同时摆下多片光电传感器的问题，进而保证设备的高灵敏度、高分辨率和全谱采集性能。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0019]图1为本专利技术实施例提供的高灵敏度高分辨率全谱光学系统的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术所举实例最终成像的点列图；
[0021]图3为本专利技术所举实例CMOS或CCD光电传感器上感光面最终采集到的点列图。
具体实施方式
[0022]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动
前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0023]本专利技术实施例提供的高灵敏度高分辨率全谱光学系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：
[0024]所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；
[0025]所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；
[0026]光线在透过所述光学狭缝之后，以42
°
为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；
[0027]所述光电传感器采用如下方式进行摆放：
[0028]首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；
[0029]所述光电传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，所述系统包括光学狭缝、凹面光栅和光电传感器，所述光学狭缝、凹面光栅和光电传感器这三者位于罗兰圆的周长上，其中：所述光学狭缝的摆放方式是垂直于整个系统的子午面，使原本是圆锥形的光路在通过光学狭缝后形成一个垂直于子午面的光程；所述凹面光栅的曲率半径为罗兰圆的直径，摆放的位置不仅在罗兰圆上而且与罗兰圆相切，而且所述罗兰圆在所述凹面光栅的内侧；光线在透过所述光学狭缝之后，以42
°
为入射角射入所述凹面光栅，在所述凹面光栅上进行横向色散；色散后的每一小段波长范围由各自的光电传感器进行采集；所述光电传感器采用如下方式进行摆放：首先将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，波段的分组用于总体的光学分布布局；所述光电传感器的摆放位置设置为感光面垂直各个波段的中心波长，并且感光面的形心位置是每一波段中心波长的成像点，该感光面的形心位置与罗兰圆圆弧相重合；对于第一段波长所测量范围150nm～200nm的光电传感器来说，采用光电传感器的感光面与罗兰圆相切入射的形式进行采集；而第二段到第七段波长采用与罗兰圆垂直入射的形式进行采集；最终将各自接收到的光线交错反射到各自对应的光电传感器上，形成交错双排式全谱采集。2.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，在所述光学狭缝之前加入了聚光系统，所述聚光系统是一块带有固定弧度的平凸透镜，用来将光线聚焦到光学狭缝上，然后光线再通过光学狭缝发散出去，以保证大部分光线通过狭缝。3.根据权利要求1所述高灵敏度高分辨率全谱光学系统，其特征在于，所述将目标需要测量各种元素的特征波长按照顺序排列，共分成七段波长范围，每一波段都有自己的中心波长，具体过...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈作儿，陈吉文，
申请(专利权)人：广州善谱科技有限公司，
类型：发明
国别省市：