[发明专利]多层光栅多色仪扩展多道谱仪谱宽

说明书

本发明涉及一种用多层光栅多色仪扩展多道谱仪谱宽的方法，适用于任何需宽同时谱的测量。

光学多道分析仪是近年出现的新兴光谱设备，它是综合摄谱仪和光电分光光度计两者的优点而形成的。它集光谱信息的采集、处理、显示、存储于一身，可做多种类型的光谱工作，二维光学多道分析仪尚可作图象亮度定值分析。可是，由于光学多道分析仪是摄谱仪和光电分光光度计的第一代结合产品，因此尚有自身需要完善的地方，也有其适应新的光谱研究领域需要解决的问题。

由于目前的光电多道探头尺寸有限，一般有效长度是12.5mm或者25mm，故光谱测量时，存在同时谱宽和分辨率的矛盾。限制了应用领域。

通用光学多道分析仪，若采用线色散较大的分光系统，系统实际分辨率可较高，但同时一次采得的谱宽必窄。反之，若分光系统线色散小，谱宽可宽，但系统实际分辨率低。为兼顾两者，通用光学多道分析仪分光系统色散约在于20～30埃/毫米，光谱分辨极限大约是2埃左右，其同时谱宽若对12.5mm长探头约是300埃，对25mm长探头约是600埃。这样的同时谱宽，远远不能适应谱段要求宽的光谱工作。例如，应用很广的光谱化学分析工作等。

本发明的目的是用多层光棚多色仪扩展多道谱仪谱宽，解决了谱宽与分辨率的矛盾，获得宽的同时谱。与曾获得的不降低谱宽，而提高分辨率1-2个量级的技术结合，就可使光学多道分析仪能成为真正的全自动的光电摄谱设备。

本发明的目的是这样实现的：用一种多层光栅光谱多色仪，称为多层色散元件多色仪，再将其与二维光学多道分析仪结合，使光学多道分析仪的同时谱宽大大增加。同时谱宽增加是在光谱分辨率不降低情况下得到的。具体的技术方案如下：

一、多层光栅多色仪的结构

本发明的多层色散元件多色仪的色散元件是用光栅，故进一步称之为多层光栅多色仪。它是用彼此形成一定夹角的一系列条形光棚，取代传统的方形单块光棚，加上小孔形狭缝，反射镜和柱面透镜的分光系统。该多色仪的每条光栅将入射的复色光，横向展开成光谱。各条光棚的光谱经柱面透镜后，在纵向上分离。各条光栅的光谱谱段因夹角不同而不同。用调整夹角和采集软件可使二维探测器获得的各谱段连成一条整谱显示。

图一是多层光栅多色仪光路结构图，其中(a)为顶视图，(b)为正视图。其中A₁，A₃，是两聚光透镜，A₂是光纤。它们构成入射光聚焦系统，将光聚焦到多色仪入射孔A₄。反射镜A₅使光成平行光束，照于装有多条光栅的光栅台A₆上。反射镜A₇将各条光栅的衍射光投射到柱透镜A₈上，由柱透镜和反射镜A₇共同完成谱线成象于象面A₉上的任务。

多层色散元件多色仪的色散元件安装台要求精密的设计和制作。设计和加工中要求各条光棚二维角度精确可调，才能保证各段光谱的连接和尽可能宽的有用谱宽。要求各条光栅面的中线共轴，并与光栅台的转轴同轴，才能保证光栅台转动时有正确的谱段扫描。

多层光栅多色仪的柱面透镜的焦距和安装位置要精确，才能使多层光栅多色仪的输出的谱线象有合适的高度与宽度。也才能保证光谱分辨率，和使用较多条光栅，使谱宽增加较多倍数。

A₅，A₇，A₈的焦距及位置等参数应根据谱宽和分辨率的要求来决定。

二、在二维光学多道分析仪上获得宽谱段的技术

用二维光学多道分析仪探头接收多层光栅多色仪的输出谱，可得多迹分段同时光谱。要想把这些分迹光谱连成宽谱段整谱必需利用计算机技术，其中要设计专用的谱连接软件。本发明的软件特别着重解决下述几个问题。

1.各迹光谱段的精确连接。

尽管光栅架精密可调，但仍无法做到各条光栅的衍射谱段首尾波长绝对相接。实际的做法是在光栅装架时调整各光栅的夹角，使相邻光栅的波段之首尾略有重合，然后用软件方法将重合的数据丢弃不用。故N条光栅的扩展谱略小于单条光栅谱宽的N倍。

2.迹采集位置的确定

由于光栅及其它部件的加工和装配误差，各条光栅的谱列高度会偏离设计位置，在入射光孔较大时会特别严重，甚至会出现相邻光栅的谱列在高度上略有重叠的现象。另外，同一谱列的不同高度处光强不同，总是中间强，两头弱。因此，我们需要在多色仪装配好后，来确定各迹的起始位置和高差。