分光计和分析设备的制作方法

本实用新型涉及一种分光计，还涉及具有这样的分光计的分析设备。

背景技术：

分光计例如在气体分析仪中使用以确定光学测量路径内各种气体的浓度或存在。为此目的，光传送通过光学测量路径，其中测量气体或测量气体组分要被检测和/或它们的浓度要被确定。术语“光”在本文中一般用于电磁辐射并且除了可见波长范围外可选地还包括红外的或紫外的波长范围。

在这样的气体分析仪中，测量光采用本身已知的方式来照射光学测量路径和在这方面依赖于波长由存在的相应气体组分吸收。光例如在该波长依赖的吸收后入射在分光计的入口孔上和从那里入射例如在分光计的衍射光栅上，在所述衍射光栅处光依赖于波长而被不同地衍射。依赖于波长衍射的光因而成像到检测器上，其中入射点的位置依赖于波长。

在这方面，采用本身已知的方式产生光谱，根据所述光谱可以读到大约哪些波长已经被吸收，以便因而得出关于单独气体组分的存在和/或浓度的结论。术语“气体”在这里也用于单独气体组分，所述单独气体组分可以一起存在于光学测量路径中。

这样的分光计不仅可以在气体分析仪中使用，而是通常在分析设备中使用，其中气体的、液体的和/或固体的物质或物质的混合物可以被分析同时考虑它们的吸收性质。

检测器阵列用作检测器，例如，其中多个光电二极管彼此相邻在由衍射光栅分裂的光谱的方向上排布在组件上。备选地，细长的PSD(位置敏感装置)元件也可以用作检测器阵列。

检测器阵列必须选择，使得一方面感兴趣的光谱区域Δλ成像在整个阵列上，并且另一方面光谱的分辨率δλ足够高以便也能以足够的精度来评估精细的光谱结构。

精细分辨的光谱结构和粗略分辨的光谱结构经常位于要评估的光谱范围中。如果要分析的该光谱范围Δλ是大的以及如果同时需要精细的光谱结构的足够的分辨率δλ，必须使用具有大量光敏感的元件的检测器阵列。因为其中光谱线以理想的清晰度来成像的范围一般来说位于球体上，还存在关于使用非常长的、典型地平面检测器阵列的问题：总的光谱范围Δλ不能以要求的清晰度来检测。对于通过使用适合于球体的弯曲检测器阵列的该问题的解决方案对于技术原因已经是有问题的。使用全息平场光栅是昂贵的并且在宽的光谱范围上也是不可能的，所述全息平场光栅在平面上使光谱范围的有限部分清晰地成像。

传统的分光计因此典型地表示要检测的光谱范围Δλ和可实现到的光谱分辨率δλ之间的折衷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要提供一种分光计和分析设备，其能够以不昂贵的方式来检测大的光谱范围Δλ和同时具有高的光谱分辨率δλ。

该目的通过具有实施例的特征的分光计和通过具有实施例的特征的分析设备来满足。

根据本实用新型的分光计包括多个色散光学元件，所述多个色散光学元件被排布为使得进入所述分光计的电磁辐射入射在所述色散光学元件上以在那里进行光谱分裂。所述色散光学元件相对于它们的空间位置和/或它们的光谱分辨率能力而彼此不同。所述色散光学元件被排布为使得通过所述电磁辐射的分裂的由各个色散光学元件生成的光谱在相同的方向上延伸以及横向于该方向而彼此相邻。在两个维度中是空间上可分辨的检测器定位以用于检测分裂的电磁辐射的光路中的所述光谱的至少相应部分段。

电磁辐射可以采用不同的方式来耦合到分光计中。优选地设置入口孔，特别优选的是入口间隙，这允许耦合要分析的电磁辐射。这样的入口间隙可以简单地以及然而精确地实现。

备选地，通过光纤也可以进行光纤耦合，所述光纤将要分析的电磁辐射耦合到分光计中。其他实施例可以例如将宽带激光器(例如，白光激光器)用作 光源，所述光源提供空间上限制的或准直的光束以及进入到分光计中(例如，在通过光学测量路径后)。

色散光学元件可以从包括以下的组中选择：例如色散棱镜和光栅，特别是透射光栅和反射光栅。一般来说，所有色散光学元件是该组的相同类型的元件，但也没有排除选择该组的不同的元件。

色散光学元件的光谱分裂能力可以其特征在于例如以下两个间隔之间的关系：光谱的图像中特定波长的两个光谱线的间隔和该图像和色散光学元件之间的间隔。光谱分裂能力被确定，例如其中光栅或衍射光栅通过它的光栅常数以及其中色散棱镜通过它的折射率。

在两个维度中是空间上可分辨的检测器(2D检测器)例如是采用本身已知的方式的二维检测器阵列(例如，采用CMOS技术、MOS技术或CCD技术)，所述二维检测器阵列具有采用多个行和多个列排布的多个光敏感的元件。根据有利的实施例，检测器可以全部或部分通过闪烁体涂层来设置，特别地UV敏感的闪烁体涂层。

可能的是，同时使用根据本实用新型的分光计来检测要分析的电磁辐射的光谱范围的多个选择的部分段，和通过相对于色散光学元件的光谱分裂能力合适地选择色散光学元件和/或通过色散光学元件的合适的空间定位和/或对齐采用两个维度中空间上分辨的检测器来检测总的光谱范围，以及电生成对应的图像，所述图像可以通过本身已知的评估单元按需要来处理以及随后评估。波长范围以及光谱分辨率δλ可以因此在宽的限制内选择。

检测器优选地相对于色散光学元件来对齐，使得光谱的光谱分裂的方向平行于检测器的行或列来延伸。

例如，包括要分析的电磁辐射的总光谱范围的光谱可以在检测器的部分范围内通过相对小的分辨率来检测，同时检测器的其他部分范围通过相对高的分辨率记录多个不同的部分段或从总的光谱来摘录。所述部分段可以通过直接相互邻近的波长范围来形成，但不必形成。部分重叠的部分段或波长范围的检测也是可能的。相对于分析不具有任何光谱结构的波长范围可以屏蔽或通过非检测来丢弃。

根据本实用新型的通过多个色散光学元件的要分析的电磁辐射的分裂以及通过不昂贵的2D检测器的随后的检测允许分光计的光谱分辨率的有效优化而不会由此不必要限制光谱范围Δλ和反之亦反。

根据本实用新型的有利实施例，色散光学元件还具有成像性能。为了确保检测器上光谱的清晰成像，分光计采用本身已知的方式还具有一个或多个色散光学元件之间的光路中的成像元件。由于使用具有成像性能的色散光学元件，这些成像元件可以免除或它们的数量可以至少被减少。成像元件或另外或备选使用的成像元件或具有成像性能的色散光学元件可以例如包括透镜或凹透镜，特别是柱面透镜或者简单弯曲的凹面镜。

有利的是，在该连接中，如果色散光学元件被配置为成像反射光栅，其中特别是所述色散光学元件中的至少一些另外还相对于焦距而彼此不同。成像反射光栅将光栅和凹透镜的功能组合，其中成像反射光栅能够球形弯曲和简单地弯曲。当使用具有不同焦距的色散光学元件时，相应的色散光学元件可以对于特定光谱范围相对于检测器上该光谱范围的该光谱分辨率δλ和清晰的成像来优化。

根据本实用新型的另外有利实施例，色散光学元件被配置为具有多个部分区域的单件色散元件，所述多个部分区域相对于它们的空间取向和/或它们的光谱分裂能力而彼此不同以及因此形成命名为的色散光学元件。这样的色散元件的示例是衍射光栅，例如，采用膜的形式，所述膜具有带有不同光栅常数的多个区域。这样的单件色散元件代表特别不昂贵的解决方案。

另外有利的实施例其特征在于色散光学元件中的至少一个相对于它的空间位置而可调节地排布，使得入射在检测器上的通过可调节地排布的色散光学元件生成的光谱的所述部分段的至少波长范围是可变的。对要检查的物质或物质混合物的分光计的修改可以通过调节空间位置来进行，例如通过使一个或多个色散元件倾斜，其中感兴趣的相应波长范围可以单独选择。

调节性可以此外还用于调节目的。如果不仅取向而且空间位置(特别是与检测器的间隔)可以调节，那么不仅可能改变要检测的波长范围，而且可能改变它的尺寸。调节可以手动或通过马达进行。可以特别地设置控制单元，所述 控制单元执行自动调节，例如在使用适当的校准物质时。

根据另外有利的实施例，色散光学元件中的至少一个具有与之关联的相应的偏转元件，所述偏转元件可调节地排布，使得入射在检测器上的通过关联的色散光学元件生成的光谱的所述部分段的至少波长范围是可变的。不像上述实施例，不是调节成使波长范围变化的色散光学元件，而是反射元件。合适的反射元件例如镜或镜阵列，其中作为成像反射元件(例如作为凹透镜)的实施例也是可能的。

在该情况中和/或通过其中检测器上的一个或多个光谱的可变定位不是必要的或不是期望的实施例中，一个或多个色散光学元件可以在固定的或固定设置的空间位置来排布，特别是在相对彼此固定的或固定设置相对倾斜处。

一般来说，两个上面命名的实施例也可以包括在横向于相对于入射在检测器上的光谱的部分段的可变性的光谱分裂的方向的方向上检测器上的一个或多个光谱的位置的调节。另外，两个调节的可能性也可以彼此组合。

根据另外有利的实施例，色散光学元件被设计使得入射在检测器上的光谱的所述部分段中的至少一些具有横向于光谱分裂的方向的不同范围。这可以例如通过使用采用不同宽的衍射光栅的形式的色散光学元件来实现，其中宽度与横向于光谱分裂的方向的光栅的范围有关。其中存在低辐射强度的光谱范围可以因此使用比具有高强度的那些光谱范围更宽的光栅来分裂。因为具有低强度的光谱采用该方式比具有更高强度的那些光谱照射更大的检测器表面，改进的信噪比也可以例如通过将横向于分裂方向的那些信号加和以更小的强度来实现，所述分裂方向从衍射光栅发出。

根据另外有利的实施例的分光计还包括评估单元，所述评估单元连接到所述检测器和配置成校正发生在所述光路中的所述光谱的所检测的部分段中的一个或多个像差，其中要校正的所述像差特别地包括具有以下作用的像差：光谱的范围不是线性的和/或入射在所述色散光学元件上的直线作为曲线来入射在所述检测器上。这样的像差可能是由于例如几何像差和/或色像差、调节误差、组分缺陷等。最终，单独光谱中的光谱线代表例如入口间隙的图像。如果这些光谱线不再成像为检测器上的直线，这使得后面的评估更困难。因此对于由检测 器获取的图像的以后评估是有帮助的，特别是对于每个由具有相同波长的电磁辐射产生的那些像素的加和，如果这些像素都在相同的行或相同的列中。对应校正的图像中的光谱线从而出现为水平或垂直延伸的直线。要校正的像差也可以特别地包括时间-可变的像差，尤其是失真，这可能是由于例如色散光学元件光学性质的时间变化，例如光栅常数的变化，和/或另外的光学元件的光学性质的时间变化，所述另外的光学元件可设置在光路中，诸如准直器或成像透镜，和/或这些元件的相对位置的变化。这样的时间-可变的像差可以特别是通过热诱导的漂移和/或通过其他机械影响来引起，并且可以变得显著，例如，由检测器上的光谱的图像的摆动、位移和/或旋转。

如上所述的，根据本实用新型的分光计可以在分析设备中用于确定固体的、液体的或气体的物质或物质混合物的吸收性质，如实施例中的主题。

这样的分析设备具有根据实施例的分光计。另外，电磁辐射源和排布在所述电磁辐射源和所述分光计之间的光学测量路径设置用于使用所述分光计来检查所述物质或物质混合物。来自所述源的电磁辐射通过光学测量路径，其中波长依赖的吸收可以然后通过要检查的物质或物质混合物来进行，其中吸收能够通过分光计依赖于波长来测量。

根据本实用新型的这样的分析设备的优点和特别的实施例和有利的使用由根据本实用新型的分光计的上面命名的实施例和优点产生。

本实用新型的另外有利的实施例由从属实施例、具体实施方式和附图产生。

附图说明

将在以下参考实施例和附图来描述本实用新型。示出：

图1为采用不是按比例的示意表示的根据本实用新型的分析设备和根据本实用新型的分光计；

图2为图1的分光计的三个反射光栅的详细视图；以及

图3为具有三个不同光谱的图1的分析设备的检测器生成的示意图像。

标号列表

10 分析设备

12 分光计

14 光源

16 发射的光

18 测量路径

20 要分析的光

22 入口间隙

24a-24c 反射光栅

26a-26c 光谱分裂的光

28 检测器

30 图像

32a-32c 光谱

24 评估单元

101-106 光谱线

A 轴

S 光谱分裂的方向

具体实施方式

图1示出根据本实用新型的分析设备10，分析设备10具有根据本实用新型的分光计12、光源14和测量路径18。分光计12包括入口间隙22、三个简单地凹入弯曲的反射光栅24a、24b、24c和检测器28。分光计12可以另外具有不同的光束成形的成像元件(例如准直器、成像透镜)以及分光计壳体，为了清楚起见这些未在图1中示出。

示出的示例中光栅常数合计为反射光栅24a的800个线/mm、反射光栅24b的1750个线/mm、和反射光栅24c的2000个线/mm。如从图2中可以识别的，反射光栅24a至24c的范围在这里选择相同横向于反射光栅24b、24c中光谱分裂的方向S。反射光栅24a具有比横向于方向S的反射光栅24c的稍小的范围。

正如可以在图1中识别的，反射光栅24a至24c关于轴A而相对于彼此稍微倾斜，轴A垂直于图的平面延伸以及从而垂直于光谱分裂的方向S。

光源14在测量路径18的方向上发射光16(一般来说从紫外的、可见的和/或红外的光谱范围)。要检查的物质或物质混合物(气体的、液体的或固体的)位于那里。在通过物质或物质混合物时，传送的光16依赖于波长而被吸收。

退出测量路径18的要分析的光20通过入口间隙22进入(所述光垂直于图的平面延伸)到分光计12中，并在反射光栅24a至24c处反射性衍射和由此光谱分裂。反射光栅24a、24b和24c生成的光谱分裂的光26a、26b和26c的相应光束由检测器28分别检测。

检测器28是在两个维度中是空间上可分辨的以及具有采用行和列排布的多个光敏感的元件的检测器。可重叠的光谱分裂的光26a、26b和26c的重叠光束仅稍微影响检测器28的不同的部分区域以及那些生成相应的光谱32a、32b和32c，所述光谱32a、32b和32c被一起记录以形成图像30(参见，图3)。

检测器28连接到评估单元34，所述评估单元配置成读出光敏感的元件、生成图像30和从图像30确定具有空间分辨率(在光谱分裂方向S上)的检测的光谱分裂的光26a、26b和26c的强度，以便最终确定光源14发射的光16的哪些组分大约在测量路径18中被吸收。

由反射光栅24a生成的光谱32a表示总的或概要的光谱，所述光谱包括光谱线101至106，并在大约从300nm到900nm的波长范围内以图3的表示来延伸。图3中由λ所标注的箭头在增加的波长的方向上表明。光谱线101位于在大约400m；光谱线102位于在大约420nm；光谱线103位于在大约500nm；光谱线104位于在大约700nm；光谱线105位于在大约780nm；以及光谱线106位于在大约800nm。

由反射光栅24b生成的光谱32b对应于概要的光谱32a的部分段，与光谱32a比较，所述光谱32b包括基本上较小的波长范围，但进而以更高的光谱分辨率δλ来再现。不像在光谱32a中，光谱线101、102在光谱32b中都清楚可识别地彼此分开。

由反射光栅24c生成的光谱32c示出概要的光谱32a的另外部分段，与光谱32a中相比较，所述光谱32c的波长范围同样是相当较小。因为光谱分辨率δλ在光谱32c中也比在光谱32a中更高，不像在光谱32a中，光谱线105、106清楚 地彼此分开。

示出的示例中的光谱32b、32c最终表示来自光谱32a的摘录，在光谱32a中光谱32b、32c的波长范围由括号标记，所述括号设置有对应的光谱的标号32b、32c。

不同的光谱范围可以通过不同的反射光栅24a至24c的不同的大的表面由不同的量来加权以优化不同范围中的信噪比(SNR)。这在本实施例中使用，其中光的较小部分用于概要的光谱32a和光的两个相应较大的部分以用于记录详细的光谱32b、32c。具有非常弱的光谱线的范围可以因此以较高的有效平均时间来记录。

除了其他参数和方面外，特别地，选择的波长范围、光栅的数量和它们的光栅常数在本实施例中仅作为示例。不同的光谱范围因此可以用相同的分辨率在单个检测器上示出或不同的光谱范围可以用不同的分辨率来示出。小的波长范围的高分辨率光谱结构和大的波长范围的低分辨率结构可以同一个测量来记录。