紧凑型光谱仪和包括所述光谱仪的仪器的制作方法

紧凑型光谱仪和包括所述光谱仪的仪器
1.相关申请
2.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。
技术领域
3.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。


背景技术：

4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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
10.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：
11.图1示出了根据本公开的方面的示例光谱仪。
12.图2示出了与示例光谱仪相对应的示例分极光栅图。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.图7示出了光谱分辨率的比较。
18.图8a至图8c示出了施密特望远镜的示例。
19.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。
20.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
21.描述了光谱仪的某些方面、配置、实施方案和示例。发明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，发明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。
22.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。
23.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。
24.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。通过增加光谱仪可分辨的波长，与在单色光谱仪中使用顺序测量来分析样本相比，本文描述的光谱仪在分析样本时可更快。此外，与仅使用球面和抛物线成像仪的光谱仪相比，通过使用一个或多个非球面表面，可实现更高的分辨率和光通量。
25.在一个或多个示例中，通过修改设计的各个方面，包括但不限于狭缝尺寸、平面角度、反射/折射元件的光学参数、传感器尺寸等中的一个或多个，本文描述的光谱仪可用于捕获光谱的其他区域(例如，红外区域)。在一个或多个示例中，本文描述的oes系统可与感应耦合等离子体(icp)一起用作光源。类似地，本文描述的oes系统可与光吸收光谱法或任何其他类型的光谱法一起使用。
26.图1示出了根据一个或多个方面的示例光谱仪100。光谱仪100可以包括具有孔口101的壳体109(由虚线示出)、准直仪102、中阶梯光栅103、色散元件104、施密特校正器105、反射镜106、视场致平透镜107和检测器108。例如包括多个不同波长的光的光学输入通过壳体109中的孔口101进入光谱仪100。在一些实施方式中，孔口101可为狭缝。在一些实施方式中，光谱仪100可为感应耦合等离子体(icp)光谱仪的一部分，并且孔口101可接收来自感应耦合等离子体(icp)系统的光，其中样本经由样本引入装置注入至等离子体中。样本引入装置可流体耦合至焊炬。感应装置可将射频能量提供至焊炬，以在焊炬中维持感应耦合的等离子体。孔口101可光学耦合至焊炬中的感应耦合等离子体，并且可接收来自焊炬中的感应耦合等离子体中的分析物种类的光发射。
27.孔口101光学耦合至准直仪102。来自光源的初始光由标记为“0”的箭头标识。进入孔口101的光被引导至准直仪102，如图1中从孔口101指向准直仪102的标记为“1”的箭头所示。准直仪102光学耦合至中阶梯光栅103。入射至准直仪102上的光被反射并引导至中阶梯光栅104，如图1中从准直仪102指向中阶梯光栅103的标记为“2”的箭头所示。中阶梯光栅103可为典型的中阶梯光栅，其包括宽度与光的波长大约相同的多个光栅，从而导致入射光的衍射。例如，中阶梯光栅103可为反射光栅。利用反射光栅，反射部分可以倾斜(闪耀)以将大部分光散射至期望的感兴趣方向(以及散射至特定的衍射级)。对于多个波长的光，会出现相同的一般结果，但是较高阶的较长波长可能与较短波长的下一级或多级重叠。在中阶梯光栅中，故意选择此行为，并且针对多个重叠的更高级优化闪耀。所使用的准确闪耀角度可取决于光谱仪的系统级规格。从中阶梯光栅得到的光输出包括具有不同但重叠的波长范围的条纹。下游光学元件可用于在垂直于中阶梯光栅的衍射平面的方向上提供空间分离，以允许检测由光谱仪接收的入射光学输入中存在的每个光波长。
28.中阶梯光栅103光学耦合至色散元件104。中阶梯光栅103接收来自色散元件104的
色散光。入射在中阶梯光栅103上的光被光谱色散并指向色散元件104，如图1中从中阶梯光栅103指向色散元件104的标记为“3”的箭头所示。在一些实施方式中，色散元件104可为棱镜。
29.色散元件104光学耦合至施密特校正器105。在一些实施方式中，施密特校正器105可为折射光学器件。在一些实施方式中，施密特校正器105可为与色散元件104集成的折射光学器件。施密特校正器105可为在色散元件104的一个面上的非球面表面。在此类实施方式中，施密特校正器105可为独立于色散元件104并与之分离的反射镜。例如，施密特校正器105可为定位在色散元件104后面(光穿过色散元件104的地方)或者呈调整配置结合附加和/或替代光学器件使用的反射镜。在另一个示例中，施密特校正器105可为被放置在标记为“3”的光路中的色散元件104之前或在标记为“4”的光路中的色散元件之后的折射组件。在又一些实施方案中，施密特校正器105可通过标记为“3”的路径接收光，将光引导至色散元件104，接收来自色散元件104的色散光，并再次引导光穿过施密特校正器105到达标记为“4”的路径。
30.色散元件104可光学(直接地或间接地)耦合至反射镜106。色散元件104可为色散光的光学元件。在一些实施方式中，色散元件104可为棱镜、双通折射棱镜、双通反射棱镜、反射光栅或棱栅。在一些实施方式中，色散元件104可为交叉色散器。色散元件104的色散平面的取向可垂直于来自中阶梯光栅304的光的色散平面。色散平面的这种垂直取向会产生交叉色散效果，在此情况下，先前色散的光会再次被色散，但是具有不同的色散平面。在一些实施方式中，反射镜106可为球面镜或代表球面镜的一部分。
31.反射镜106光学耦合至视场致平透镜107。视场致平透镜107光学耦合至检测器108。反射镜106接收来自色散元件104/施密特校正器105的色射光，如图1中从色散元件104指向反射镜106的标记为“4”的箭头所示。反射镜106通过视场致平透镜107将入射光反射至检测器108，如图1中从反射镜106指向场平透镜107的标记为“5”的箭头和从视场致平透镜107指向检测器108的标记为“6”的箭头所示。检测器108可为能够在空间上分辨入射在检测器108上的光的任何检测器。在一些实施方式中，检测器108可为电荷耦合装置(ccd)相机或互补金属氧化物半导体(cmos)检测器。入射在检测器108上的光包括跨宽光谱的波长，从而允许检测器108检测更宽范围的光。
32.在一个示例中，准直仪102可包括离轴抛物线，其中f#为6，焦距为200mm，孔口为大约35mm，并且离轴角为10至15度。中阶梯光栅103可为rgl型号53
‑
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127e。中阶梯光栅103的闪耀角可为63度并且具有87l/mm的凹槽密度。此外，色散元件104可为耦合至双通反射棱镜的施密特校正器。棱镜可为uv级熔融石英，并且顶角为19度。
33.图2示出了根据本公开的一个或多个方面的与光谱仪相对应的示例分极光栅图201。再次参考图1，例如光的光学输入通过孔口101进入光谱仪100。在一些实施方式中，光谱仪100可为感应耦合等离子体(icp)光谱仪的一部分，并且孔口101可接收来自感应耦合等离子体(icp)系统的光，其中样本经由样本引入装置注入至等离子体中。样本引入装置可流体耦合至焊炬。感应装置可将射频能量提供至焊炬，以在焊炬中维持感应耦合的等离子体。孔口101可光学耦合至焊炬中的感应耦合等离子体，并且可接收来自焊炬中的感应耦合等离子体中的分析物种类的光发射。在光通过孔口101进入光谱仪100之后，不同波长的光在空间上由光谱仪100的各种光学组件分离，并被引导至检测器108，因此可在检测器108处
检测由分析物种类发射的光的各个波长。分极光栅图201示出了跨检测器(例如图1中的检测器108)上从167nm到850nm的光谱范围的发射强度。
34.图3a示出了具有高分辨率和低分辨率的光谱仪a至c与光谱仪d的计算值之间的数值比较表301，其中光谱仪a至c是常规光谱仪，而光谱仪d是本申请的实施方案。仅示出了光谱仪a的一种分辨率。将光谱仪a至c的样本效率与根据图1中讨论的一个或多个方面实施的光谱仪d的计算值进行了比较。例如，可基于f/6的光圈值和200mm的有效焦距计算光谱仪d的值和效率。对于光谱仪b至d，示出了(以正在计算的光谱仪d的值)与高分辨率(较窄的狭缝宽度)操作和低分辨率(较宽的狭缝宽度)操作相关联的值。表301中针对光谱仪d的值可基于280μm的狭缝高度，其中狭缝宽度为15μm(对于高分辨率)和30μm(对于低分辨率)。光谱仪d在高分辨率和低分辨率下的总效率302高于光谱仪a至d的总效率中的每一个。uv光谱中的中阶梯光栅级的范围被很好地分离，并且可用于高光通量光谱法。图3b示出了光谱仪a至d的光学组件的各种效率的表305。
35.图4示出了光谱仪a至c的uv光谱中与光谱仪d的计算值的比较401，其中光谱仪a至c是常规光谱仪，而光谱仪d是本申请的实施方案。对于光谱仪a，仅显示一种分辨率。对于光谱仪b至d，示出了(以正在计算的光谱仪d的值)与高分辨率(较窄的狭缝宽度)操作和低分辨率(较宽的狭缝宽度)操作相关联的值。例如，对于光谱仪d，狭缝高度为72μm，则有望分辨所有中阶梯光栅级。换句话说，可选择狭缝高度以确保所有中阶梯光栅级被很好地分离。与常规光谱仪a相比，同时模式下uv波长的通量比为3.1。与常规光谱仪b相比，同时模式下uv波长的通量比为0.7。相对于光谱仪b改善这种差异的一种选择是在物理占据面积中使用额外的空间，以包括波长的附加处理或单独处理。当样本狭缝高度为110μm时，由于可分辨λ<460nm的中阶梯光栅级，因此可实现与常规光谱仪相等的通量。这种模式下的狭缝高度比高通量模式下的狭缝高度低。光谱仪d在高分辨率和低分辨率下的总效率402高于针对光谱仪a至d观察到的总效率。
36.图5a示出了在光谱仪a至c的同时操作模式下与在可见光谱中的光谱仪d的计算值的比较501。狭缝高度为72μm时，可分辨光谱仪d的中阶梯光栅级，并且通量类似于常规光谱仪a至c的通量。可见光模式可能没有高吞吐量模式，因为在低分辨率、高通量模式下可见光的级可能没有很好地分离。图5b示出了光谱仪a至d的光学组件的效率的比较502。
37.图6示出了具有针对光谱仪b和d计算的特定波长的中阶梯光栅效率的表601和602。特定波长对应于样本中的各种元素。在表601中，基于以8度修改光谱仪d的中阶梯光栅的平面外角度来计算中阶梯光栅效率(闪耀函数)。在表602中，基于以9.5度修改光谱仪d的中阶梯光栅的平面外角度来计算中阶梯光栅效率(闪耀函数)。表601和602还示出了对于特定波长中的每一个，光谱仪b与光谱仪d的中阶梯光栅效率的比率。
38.图7示出了光谱仪b与d之间在一系列波长上在表701中的高分辨率和表702中的低分辨率处的光谱分辨率的预期比较，其中光谱仪b是常规光谱仪，而光谱仪d是本申请的实施方案。光谱仪d的实验值对应于根据图1中讨论的一个或多个方面的实施方式。图7中所示的每个波长的分辨率的实验值是光谱狭缝宽度、像素宽度、最坏情况均方根(rms)点半径(＝像素大小)和线的物理宽度的平方和根值(rss)。同样，使用图1的系统，对于可见光波长可采用高分辨率模式。
39.图8a至图8d示出了根据图1的光谱仪的光学布局，其中色散元件104被实施为棱
镜，并且施密特校正器105位于所述棱镜上。在图8a中，系统801可包括一个平面非球面校正器802和球面镜803。速度可能高达f/1，且视场可能高达8度。由于折射施密特板并非在所有情况下都可用，因此可使用反射施密特设计并提供类似的性能。
40.在图8b中，系统805可包括带有孔806a的施密特反射器806、视场致平器(ff)透镜807、反射器808和检测器809。与图8a相比，图8b的系统可以相似的速度获得更大的视场，尽管速度稍慢(从f/1.4到f/2.6)。图8b的示例可包括具有f/2.6、7度视场与200mm efl的反射式视场致平施密特设计。然而，在图8b的施密特设计中遮挡光路是不希望的，因为这会降低通量并增加散射(例如，增加噪声)。
41.在图8c中，系统810示出了消除遮挡的离轴施密特配置。大约可达到速度的三分之一。例如，系统810可包括施密特反射器811、视场致平透镜812和检测器813。
42.图9a至图9d示出了各种无遮挡的反射式施密特设计的特征。图9a至图9d中的每一个示出了具有施密特反射器902、视场致平器903和检测器904的施密特系统。在图9a至图9d中，评估了最大视场，这可通过使用例如整个视场上8.0至8.2μm的均方根点半径来实现。在图9a中，使用无遮挡的视场致平反射式施密特设计，系统901可具有670mm的有效焦距和f/6的光圈值。最大视场可为3.75度。在图9b中，系统902还可具有670mm的有效焦距和f/12的光圈值。最大视场可为6.3度。在图9c和图9d中，两个示例都可具有f/6的光圈值。在图9c中，有效焦距是1000mm，从而形成最大3.9度的视场。在图9d中，有效焦距为100mm，从而形成最大10度的视场。简而言之，增加光圈值会增大视场。同样，减小焦距会增大视场。
43.尽管上文描述了示例，但是那些示例的特征和/或步骤可以任何期望的方式进行组合、划分、省略、重新布置、修改和/或增强。本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。尽管这里没有明确说明，但是这样的改变、修和改进意图是本说明书的一部分，并且意图在本公开的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是限制性的。