[發明專利]提高光譜探測范圍的分光裝置及方法

有效

• 申請號: 201110461625.4
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102539360A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 俞曉峰;顧海濤;呂全超;李萍;王健
• 申請（專利權）人: 聚光科技(杭州)股份有限公司
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01J3/02;G02B27/10
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技術領域

本發明涉及復色光的分光，特別涉及能明顯提高光譜探測范圍的分光裝置及方法。

背景技術

光譜儀是一種對采集到的光譜進行連續分布并進行檢測的裝置。目前，常見的光譜儀結構有Czerny-Turner結構、Paschen-Runge結構、平場凹面光柵分光系統、中階梯光柵二維分光系統等。中階梯光柵二維分光系統具有體積小，分辨率高等優點，因此在需要高分辨的場合得到較多應用。

圖1示意性地給出了常規中階梯光柵二維分光系統的基本結構圖，如圖1所示，所述分光系統包括光源1、集光鏡2、入縫3、準直鏡4、棱鏡5、中階梯光柵6、成像鏡7、探測器8。該分光系統工作過程為：從光源1處發出的光信號經過集光鏡2后采集到分光裝置中，分光裝置包括入縫3、準直鏡4、棱鏡5、中階梯光柵6、成像鏡7；光信號從入縫3處進入分光裝置，光信號以一定的角度發散，經過準直鏡4后光信號被準直成平行光入射到由棱鏡和光柵組成的二維色散結構，棱鏡的色散在垂直方向，光柵的色散在水平方向。經過棱鏡和光柵二維色散后的光信號根據波長的不同其衍射角不同，經過成像鏡之后，不同衍射角的光信號被成像在成像鏡像面上的不同位置，從而實現了分光。

中階梯光柵具有獨特的衍射特性：大閃耀角衍射，高衍射級次，小于100的刻線數，根據光柵衍射方程

mλ＝d(sinα+sinβ)，

中階梯光柵的使用時通常采用Littrow方式入射，即入射角等于光柵的閃耀角，由此計算出所有波長的級次、衍射角，從結果中發現不同波長的衍射角是相同的，如衍射角等于閃耀角的波長，因此中階梯光柵存在很嚴重的級次間重疊，需要一個垂直于光柵色散方向的二次色散來解決級次間重疊問題。

現有的解決方案是采用一個棱鏡來消除級次間的重疊，不同波長的光入射到棱鏡后其偏折角是不一樣的，偏折角的大小與棱鏡的折射率、棱鏡的夾角等相關，由于棱鏡材料折射率從深紫外到可見光到近紅外有著逐漸下降的趨勢。圖2示意性地給出了MgF₂材料折射率和入射光的波長的關系，如圖2所示，隨著波長的增加，折射率下降逐漸趨緩。由此可見，不同波長經過棱鏡后，相同波長差的兩束紫外光的偏折角差值大，可見光和近紅外光的偏折角差值小。

圖3示意性地給出了結合棱鏡分光和中階梯光柵二維分光得到的譜圖，如圖3所示，短波區域的不同級次的譜線間隔大，而長波區域的不同級次的譜線間隔小，產生了比較嚴重的級次間重疊問題。短波區域級次間隔很大，尤其是180nm以下的深紫外區域，造成了譜圖的浪費，使得整張譜圖拉伸，需要用較大的矩形探測器才能獲取整張譜圖，從而大大增加了探測器成本。

該類分析技術主要有以下不足：

1、棱鏡折射率隨著波長變化到深紫外(＜180nm)，折射率迅速增大，導致在分光時深紫外130nm～160nm占據大部分譜圖，如圖3所示；受制于探測器尺寸限制，目前的中階梯光柵二維分光系統在短波區域只能探測到160nm左右。對于鹵族元素Cl、Br、I元素，以及部分非金屬元素P、S等元素其最佳檢測譜線在130～160nm，無法探測。

2、在像面上光譜在級次方向上呈現出可見光波段特別密集，紫外光譜波段比較稀疏的特點，在可見光波段不同級次之間的譜線容易互相影響，形成級次重疊，尤其500nm以上的長波波段。

3、如圖3所示，隨著波長從短波到長波，光譜譜圖在探測器上分布嚴重不均勻，造成探測器的空間利用率較低。

4、通常如需采集深紫外波段光譜，需要兩次曝光，增加了運動部件，增加了測量時間。

發明內容

為了解決上述現有技術方案中的不足，本發明提供一種能夠擴展光譜探測范圍至深紫外而又不增加探測器尺寸，并且能夠改善可見光波段光譜級次重疊問題的分光裝置，以及應用該分光裝置的光譜分析系統，還提供了一種可靠性高、無須維護的能提高光譜探測范圍的分光方法，以及應用該分光方法的光譜分析方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種提高光譜探測范圍的分光裝置，所述分光裝置包括：

第一分光單元，所述第一分光單元用于測量光的分光，所述測量光的波長涵蓋[λ₁，λ₂]；

第二分光單元，所述第二分光單元包括用于測量光經過所述第一分光單元分光前或/和后的光的分光且分光能力不同的色散部件M_i，i＝1，2，…N，N≥2；所述第一分光單元和第二分光單元的色散方向相互垂直；