专利名称：一种光谱分析仪和光谱分析方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱分析仪和光谱分析方法，尤其涉及一种能够有效提高窄波段光谱分辨率的光谱分析仪和光谱分析方法。
背景技术：
在光谱探测领域中，一般要求光谱采集时间尽可能短，一次采集的光谱范围要尽可能宽；整个探测系统要坚固紧凑，便于携带和户外使用；这些特性不能牺牲光谱分辨率和精度，还要尽可能减少校准和各种漂移补偿的工作量。目前，常见的光谱仪的结构有Czerny-Turner结构、Paschen-Runge结构、平场凹面光栅分光系统、中阶梯光栅二维分光系统等。中阶梯光栅二维分光系统由于其具有体积小、分辨率高等优点，在需要高分辨率的场合得到较多应用。中阶梯光栅二维分光系统，如图1所示，一般包括光源1、入射狭缝3、准直镜4、光栅6及棱镜5、成像镜7和探测器8。测量光通过一定的聚焦镜2引入入射狭缝后，经过准直镜4后获得的准直光束入射到色散方向互相垂直的光栅6和棱镜5上，实现入射光的二维色散，经过二维色散后的光入射到成像镜7上，经过成像镜7在探测器8的探测面上即像面上获得一个二维从长波到短波整个宽波段对应的谱图，即宽谱谱图。上述中阶梯二维分光系统具有下列特点在宽谱谱图中，谱线在像面上呈现二维分布，即从短波到长波(160 850nm)谱线分布表现出短波谱线分布较疏、长波谱线分布较密的特点。基于上述特点，中阶梯光栅二维分光系统具有如下不足1、谱线分布不均勻波长越长，对应的棱镜折射率越小，则在分光时短波部分的谱线就占据大部分谱图，而长波部分的谱线很密集且仅占据谱图的少部分，谱线分布不均勻；2、窄波段尤其是长波方向光谱分辨率低此类分光系统的光学分辨率，受限于中阶梯光栅的特性，波长越长，光学分辨率越大，分辨效果越差，如长波区域光学分辨率会变成短波区域光学分辨率的几倍，如300nm以上波段对应的光学分辨率一般会变成短波200nm的2倍以上，严重影响了系统的光谱分辨能力；3、测量误差大稀土元素和副族元素众多谱线都集中在300 500nm波段，谱线特别密集，在这些场合谱线重叠干扰比较严重，常规的中阶梯光栅二维分光系统的光谱分辨率不足以分辨出干扰谱线，使得分光系统无法有效地消除谱线干扰问题，导致测量误差，不利于检测。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种成本较低、可靠性高、能够改善传统中阶梯光栅二维分光系统窄波段光谱分辨率差的问题的光谱分析仪和光谱分析方法。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案一种光谱分析仪，包括光源，所述光源发出测量光；光采集单元，所述光采集单元将测量光耦合至分光单元；分光单元，所述分光单元包括第一分光模块和第二分光模块，测量光经所述第一分光模块X方向分光后被所述第二分光模块进行相同方向的分光；成像单元和探测单元，所述测量光经过所述第二分光模块分光后再被成像单元成像后被探测单元接收；处理单元，所述处理单元处理探测单元接收到的信号，得到窄波段对应的谱图。进一步，所述第一分光模块对测量光还进行Y方向的分光，X方向与Y方向不平行。作为优选，所述X方向和Y方向相互垂直。进一步，所述第一分光模块包括第一棱镜和第一光栅，所述第一光栅对测量光进行X方向的分光。作为优选，所述第一光栅为中阶梯光栅。作为优选，所述第二分光模块为反射或透射的中阶梯光栅或平面光栅或凹面光栅。作为优选，所述成像单元包括第一成像模块和第二成像模块，所述探测单元包括第一探测器和第二探测器；测量光经所述第一分光模块分光后，一部分经第一成像模块成像后被第一探测器接收，一部分进一步被第二分光模块分光、再经第二成像模块成像后被第二探测器接收；所述处理单元处理第一探测器和第二探测器接收到的信号，分别得到宽波段和窄波段对应的谱图。作为优选，所述第二分光模块设置在第二成像模块上。作为优选，所述第一探测器与第二探测器为同一探测器。本发明还提供了一种光谱分析方法，包括以下步骤A、采用上述任一所述的光谱分析仪；B、光源发出的测量光经所述第一分光模块分光后，进一步被所述第二分光模块分光，经成像单元成像后被探测单元接收，处理单元处理所述探测单元接收的信号，得到窄波段对应的谱图。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果1、通过第二分光模块提供的分光能力，显著提升了窄波段尤其是长波方向对应的光学分辨率。2、可以获得常规从长波段到短波段对应的宽谱谱图和高分辨的窄波段如长波段对应的谱图，具有传统的中阶梯光栅谱图覆盖波长范围广和窄波段对应光谱分辨率高的优
点ο3、测量光经两次分光后被成像探测，其所采用的光学透镜和面阵探测器成本较低，能够在有限的成本范围内达到更好的效果。
图1为背景技术的中阶梯光栅二维分光系统示意图；图2为实施例1中的第二分光单元为反射式光栅时的光谱分析仪的结构示意图。图3为实施例1中的第二分光单元为透射式光栅时的光谱分析仪的结构示意图。图4为常规的中阶梯光栅二维分光光学系统获得的谱图。图5为第二光路获得的谱图，显示了从300到500nm谱线分布。图6为实施例2中第二分光模块设置在第一分光模块和第一成像模块之间时光谱分析仪的结构示意图；图7为实施例2中第二分光模块设置在第一成像模块和第一探测器之间时光谱分析仪的结构示意图；图8为实施例3中光谱分析仪的结构示意图。
具体实施例方式实施例1请参阅图2、图3，一种光谱分析仪，包括光源、光采集单元、分光单元、成像单元、 探测单元和处理单元；本发明中，所述光源11为电感耦合等离子体(ICP)、激光器、元素灯、氙灯、火焰等中的一种，本实施例为ICP光源。电感耦合高频等离子体光源是最常用的原子发射光谱法光源，通常，它是由高频发生器、感应线圈、等离子矩管和供气系统等四部分组成；所述光采集单元包括聚焦镜12、入缝13和聚焦镜14，所述光采集单元将光源11 发出的测量光耦合至第一分光模块。所述光源及光采集单元为本领域的现有技术，在此不再赘述。所述分光单元包括第一分光模块和第二分光模块，测量光经所述第一分光模块X 方向衍射分光后被所述第二分光模块进行相同方向的衍射分光；所述第一分光模块和第二分光模块对测量光的分光可以为衍射分光，也可以为折射分光；在本实施例，第一分光模块包括第一光栅16和第一棱镜15，所述第一光栅16对测量光进行X方向的衍射分光，所述第一棱镜15对测量光进行Y方向的折射分光；所述X方向和Y方向不平行。优选的，所述第一光栅16为中阶梯光栅。优选的，X方向和Y方向相互垂直。测量光被第一光栅16衍射分光后，各级之间会产生重叠，再通过色散分光方向与第一光栅16相互垂直的第一棱镜15，在像面上形成二维光谱图像，能够得到整个测量波段即宽波段对应的谱图；但由于中阶梯光栅随着波长变长，衍射级次会变小，从而导致分辨率下降，因此长波段谱图分辨率会比短波段差，在分析长波谱线非常丰富的物质时谱线干扰就比较严重，如分析黑色金属铁中的稀土元素。为了提高光谱分辨率，设置第二分光模块172 ；所述第二分光模块172的分光方向与第一光栅16的色散分光方向相同，即与X方向相同；测量光经第一分光模块分光后进一步被所述第二分光模块172分光；所述第二分光模块172为反射或透射的中阶梯光栅、平面光栅或凹面光栅。所述测量光经过所述第二分光模块172分光后再被成像单元成像后被探测单元接收；所述处理单元处理探测单元接收到的信号，得到窄波段如长波段对应的谱图。所述成像单元包括第二成像模块19和第一成像模块171，所述探测单元包括第一探测器18和第二探测器20 ；所述处理单元(图中未标出)分别与第一探测器18和第二探测器20相连。测量光经所述第一分光模块分光后，一部分经第一成像模块171成像后被第一探测器18接收，一部分进一步被第二分光单元172分光、再经第二成像模块19成像后被第二探测器20接收；将第二探测器20设置在经第二成像模块19成像后窄波段如长波段对应光谱所在的位置，即可探测得到窄波段如长波段对应的分辨率较高的谱图。本实施例选定的长波段为 300 500nm。所述处理单元处理第一探测器18和第二探测器20接收到的信号，分别得到宽波段对应的谱图和窄波段如长波段对应的分辨率较高的谱图，请分别参见图4、图5 ；其中，图 5为对图4长波段进一步分光后得到的谱图，显示了从300 500nm的谱线分布。根据需求设置成像单元和探测单元若仅需要得到高分辨率的窄波段对应的谱图，则，成像单元可以仅包括第二成像模块，探测单元仅包括第二探测器；若需要获得宽谱段(宽谱段为从长波到短波对应的波段)和窄波段对应的谱图，则，成像单元包括第一成像模块和第二成像模块，探测单元包括第一探测器和第二探测器。本实施例，需要获得宽波段和窄波段分别对应的谱图，则成像单元需要包括第一成像模块和第二成像模块，探测单元需要包括第一探测器和第二探测器。优选的，在本实施例中，所述第二分光模块172设置在第一成像模块上171 ；由于第一成像模块171的整个像面上均有宽波段包括长波段和短波段的谱线分布，因此用于进一步对窄波段进行分光的第二分光模块172可以设置在第一成像模块171上能够接收到测量光的任一位置。优选的，本实施例中，第一成像模块171为成像凹面镜，第二分光模块172为反射平面光栅；所述第二分光模块172设置在第一成像模块171的中心。经过第一分光模块分光的测量光入射至第一成像模块171上，一部分经第一成像模块171成像后被第一探测器18接收；一部分被第二分光模块172反射或透射后衍射，测量光的方向发生改变，经第二成像模块19成像后被第二探测器20接收；第二分光模块172 的引入，增加了系统对窄波段的色散能力，提高了光谱分辨力。所述第二成像模块19为普通玻璃聚焦镜，所述第二探测器20为普通面阵探测器。 所述第一成像模块171与第一探测器18为本领域的现有技术，在此不再赘述。本实施例还提供了一种光谱分析方法，包括以下步骤A、采用本实施例所述的提高光谱分辨率的光谱分析仪；B、测量光经所述第一分光模块分光后，进一步被所述第二分光单元172分光，经成像单元成像后被探测单元接收，处理单元处理所述探测单元接收的信号，得到长波段对应的谱图。
通过第二分光模块提供的分光能力，显著提升了窄波段尤其是长波段对应的光学分辨率。在获得常规宽波段谱图的同时获得了高分辨的窄波段如长波段谱图，具有传统的中阶梯光栅谱图覆盖波长范围广和窄波段光谱分辨率高的优点。进行二次分光所采用的光学透镜和面阵探测器成本较低，能够在有限的成本范围内达到更好的效果。实施例2—种光谱分析仪，与实施例1中所述的光谱分析仪不同的是第一成像模块27与第二分光模块272为相互独立的器件，所述第二分光模块272 设置在第一分光模块与第一成像模块27之间，如图6所示，或设置在第一成像模块27与第一探测器18之间，如图7所示。第二分光模块为反射或透射的凹面光栅，本实施例，所述第二分光模块272为透射凹面光栅。测量光通过第一分光模块分光后经过第二分光模块272分光，第二分光模块将1 级光从0级光分出，0级光不引入额外的分光能力，因此在第一探测器18上获得的谱图维持宽波段谱图不变，尤其是短波段对应的谱图，1级光会引入第二分光模块引入的二次色散， 因此在第二探测器20上就可以获得具有更高分辨能力的窄波段对应的谱图。本实施例，窄波段为短波段200 300nm。本实施例还提供了一种光谱分析方法，与实施例1中的光谱分析方法不同的是1、在步骤A中，采用本实施例的光谱分析仪；2、测量光通过第一分光模块分光后经过第二分光模块272分光后，第二分光模块 272将1级光从0级光分出，0级光不引入额外的分光能力，因此在第一探测器18上获得的谱图维持宽波段谱图不变，1级光方向会有第二分光模块引入的二次色散，因此在第二探测器20上就可以获得具有更高分辨能力的窄波段如短波段对应的谱图。实施例3请参阅图8，一种光谱分析仪，与实施例2中所述的光谱分析仪不同的是成像单元仅包括第二成像模块19，探测单元仅包括第二探测器20 ；本实施例，窄波段为长波段500nm 650nm。本实施例还提供了一种光谱分析方法，与实施例2中的光谱分析方法不同的是1、在步骤A中，采用本实施例的光谱分析仪；2、测量光通过第一分光模块分光后经过第二分光模块272分光，第二分光模块 272将1级光分出，处理第二探测器20接收到的1级光，可以获得具有更高分辨能力的窄波段如长波段对应的谱图。上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是测量光经所述第一分光模块X方向分光后被所述第二分光模块进行相同方向的分光，提高了窄波段对应的光谱分辨率。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光谱分析仪，包括光源，所述光源发出测量光；光采集单元，所述光采集单元将测量光耦合至分光单元；分光单元，所述分光单元包括第一分光模块和第二分光模块，测量光经所述第一分光模块X方向分光后被所述第二分光模块进行相同方向的分光；成像单元和探测单元，所述测量光经过所述第二分光模块分光后再被成像单元成像后被探测单元接收；处理单元，所述处理单元处理探测单元接收到的信号，得到窄波段对应的谱图。
2.根据权利要求1所述的光谱分析仪，其特征在于所述第一分光模块对测量光还进行Y方向的分光，X方向与Y方向不平行。
3.根据权利要求2所述的光谱分析仪，其特征在于所述X方向和Y方向相互垂直。
4.根据权利要求2所述的光谱分析仪，其特征在于所述第一分光模块包括第一棱镜和第一光栅，所述第一光栅对测量光进行X方向的分光。
5.根据权利要求4所述的光谱分析仪，其特征在于所述第一光栅为中阶梯光栅。
6.根据权利要求1所述的光谱分析仪，其特征在于所述第二分光模块为反射或透射的中阶梯光栅或平面光栅或凹面光栅。
7.根据权利要求1所述的光谱分析仪，其特征在于所述成像单元包括第一成像模块和第二成像模块，所述探测单元包括第一探测器和第二探测器；测量光经所述第一分光模块分光后，一部分经第一成像模块成像后被第一探测器接收，一部分进一步被第二分光模块分光、再经第二成像模块成像后被第二探测器接收；所述处理单元处理第一探测器和第二探测器接收到的信号，分别得到宽波段和窄波段对应的谱图。
8.根据权利要求7所述的光谱分析仪，其特征在于所述第二分光模块设置在第二成像模块上。
9.根据权利要求7所述的光谱分析仪，其特征在于所述第一探测器与第二探测器为同一探测器。
10.一种光谱分析方法，包括以下步骤A、提供了权利要求1 9任一所述的光谱分析仪；B、光源发出的测量光经所述第一分光模块分光后，进一步被所述第二分光模块分光， 经成像单元成像后被探测单元接收，处理单元处理所述探测单元接收的信号，得到窄波段对应的谱图。
全文摘要
本发明涉及一种光谱分析仪，包括光源，所述光源发出测量光；光采集单元，所述光采集单元将测量光耦合至分光单元；分光单元，所述分光单元包括第一分光模块和第二分光模块，测量光经所述第一分光模块X方向分光后被所述第二分光模块进行相同方向的分光；成像单元和探测单元，所述测量光经过所述第二分光模块分光后再被成像单元成像后被探测单元接收；处理单元，所述处理单元处理探测单元接收到的信号，得到窄波段对应的谱图。本发明还提供了一种光谱分析方法。本发明具有窄波段光谱分辨率高的优点。
文档编号G01J3/28GK102564591SQ201110461548
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者俞大海, 俞晓峰, 吕全超, 李萍, 王健, 顾海涛 申请人:聚光科技(杭州)股份有限公司