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1、(10)申请公布号 CN 103575398 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575398 A (21)申请号 201310611624.2 (22)申请日 2013.11.26 G01J 3/42(2006.01) (71)申请人 武进田 地址 100036 北京市海淀区万寿路 1 号院 16-1-13 (72)发明人 武进田 (74)专利代理机构 北京科龙寰宇知识产权代理 有限责任公司 11139 代理人 孙皓晨 雷电 (54) 发明名称 紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光 装置 (57) 摘要 一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅 分光装置， 包括依光路顺。
2、次连接的光源、 聚光镜、 第一分光系统和第二分光系统， 所述光源用于发 出所需之光谱， 所述聚光镜用于将光源发出的光 会聚于第一分光系统的入射狭缝， 所述两个分光 系统之一为光栅分光系统， 另一为棱镜分光系统。 本发明仅采用一块光栅就实现了宽波长范围的分 光， 整个紫外光谱区还得到了高的能量效率和较 好的整个波段的杂散光指标。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103575398 A CN 103575398 A 1/1 页 2 1。
3、. 一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在于， 包括依光路顺 次连接的光源、 聚光镜、 第一分光系统和第二分光系统， 所述光源用于发出所需之光谱， 所 述聚光镜用于将光源发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝， 所述两个分光系统之一为 光栅分光系统， 另一为棱镜分光系统。 2. 如权利要求 1 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在 于， 所述棱镜分光系统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝、 第一准直镜、 棱镜、 第二准直镜和棱镜分光系统出射狭缝， 所述第一准直镜用于将进入棱镜分光系统入射狭缝 的发散光变为照射到棱镜平行光， 所述棱镜利用色散机理进。
4、行分光， 所述第二准直镜用于 将经棱镜分光后的平行光变为会聚于棱镜分光系统出射狭缝的光。 3. 如权利要求 2 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在 于， 所述光栅分光系统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝、 第三准直镜、 光栅、 第四准直镜和光栅分光系统出射狭缝， 所述第三准直镜用于将进入光栅分光系统入射狭缝 的发散光变为照射于光栅的平行光， 所述光栅利用衍射干涉原理进行分光， 所述第四准直 镜将所述光栅分解的平行单色光变为会聚于光栅分光系统出射狭缝的会聚光。 4. 如权利要求 3 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在 于， 所述分光装置。
5、紫外可见波段满足mp， 其中m为所述光栅系统的光谱级次， 只取整 数 ； 为输出波长 ； p为所述光栅的闪耀波长。 5. 如权利要求 4 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在 于， 所述光栅的闪耀波长 p设在中长波段。 6. 如权利要求 4 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其特征在 于， 工作时所述棱镜分光系统的中心波长与光栅分光系统的输出波长 协调一致， 且光谱 带宽满足下面二者中的较小的值。 2- 和 1- 其中为棱镜分光系统的光谱带宽， 2是光栅分光系统比波长高一级级次光谱 的波长， 1是光栅分光系统比波长 低一级级次光谱的波长， 上式中的 2。
6、， 1， 须满 足 （m+1） 2=m 和 （m-1） 1=m,m 是欲输出的波长 的级次。 权 利 要 求 书 CN 103575398 A 2 1/5 页 3 紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置 技术领域 0001 本发明有关一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置。 背景技术 0002 在从紫外到近红外较宽的波长范围分光 （如从 190nm 到 3000nm 分光） ， 现有的光栅 分光系统技术是用多种光栅 （如三种， 紫外光和可见光用一种， 可见光和近红外光用一种， 近红外长波用一种） 组合进行， 不同的波段使用不同的光栅， 使每种光栅都工作在衍射效率 较高的波段， 几种。
7、光栅组合起来覆盖整个波段。 因光栅衍射效率， 尤其是紫外光栅其紫外波 段的衍射效率只是在闪耀波长附近小范围波段较高， 因而这种技术有两点明显的不足 ： 0003 （1） 尽管紫外波段专用一种紫外闪耀的光栅， 但仍难以保证整个紫外波段有满意 的衍射效率 ； 0004 （2） 这种技术因一个分光单元使用多种 （个） 光栅， 因而光栅机构繁杂， 成本高。 发明内容 0005 本发明提供一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 以解决现有技 术中光栅分光系统用多种光栅组合， 机构复杂且紫外波段衍射效率不均匀的技术问题。 0006 为此， 本发明发明一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置。
8、， 其中， 包 括依光路顺次连接的光源、 聚光镜、 第一分光系统和第二分光系统， 所述光源用于发出所需 之光谱， 所述聚光镜用于将光源发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝， 所述两个分光 系统之一为光栅分光系统， 另一为棱镜分光系统。 0007 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其中， 所述棱镜分光系 统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝、 第一准直镜、 棱镜、 第二准直镜和棱镜分 光系统出射狭缝， 所述第一准直镜用于将进入棱镜分光系统入射狭缝的发散光变为照射到 棱镜的平行光， 所述棱镜利用色散机理进行分光， 所述第二准直镜用于将经棱镜分光后的 平行光变为会聚于棱镜分光。
9、系统出射狭缝的光。 0008 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其中， 所述光栅分光系 统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝、 第三准直镜、 光栅、 第四准直镜和光栅分 光系统出射狭缝， 所述第三准直镜用于将进入光栅分光系统入射狭缝的发散光变为照射于 光栅的平行光， 所述光栅利用衍射干涉原理进行分光， 所述第四准直镜将所述光栅分解的 平行单色光变为会聚于光栅分光系统出射狭缝的会聚光。 0009 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其中， 所述光栅分光装 置对紫外可见光波段满足 m p， 其中 m 为所述光栅系统的光谱级次， 只取整数 ； 为 输出波长 ；。
10、 p为所述光栅的闪耀波长。p满足光栅方程 p=d(sinpsinp), 其中 d 为光栅常数， 即光栅相邻刻槽之间的距离， p为光 p在光栅上的入射角， p为光 p在 光栅上的衍射角， 正负号 “” 与光路结构与光栅旋转方向有关， 确定的系统中取 “+” 或取 “-” ， 只取一种。对实际单色器系统 , 上式中的 p和 p之和为常量 , 因此实际只有一个 说 明 书 CN 103575398 A 3 2/5 页 4 变量， 工作时转动光栅转角， 当光栅上入射角 =p时， 光栅分光系统的输出光定位于 p。 0010 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其中， 所述光栅的闪耀 波长。
11、 p设在中长波段。 0011 所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 其中， 所述棱镜分光系 统， 工作时其中心波长与光栅分光系统输出波长 协调一致， 且光谱带宽满足下面二者中 的较小的值。 0012 2- 和 1- 0013 其中 为棱镜分光系统的光谱带宽， 2是光栅分光系统中比波长 高一级 次的光谱， 1是光栅分光系统中比波长 低一级次的光谱， 上式中的 2， 1， 须满足 （m+1） 2=m 和 （m-1） 1=m,m 是欲输出的波长 的级次。 0014 本发明达到的有益技术效果在于， 仅采用一块光栅就实现了宽波长范围的分光， 整个紫外光谱区还得到了高的能量效率和较好的整个波。
12、段的杂散光指标。 附图说明 0015 图 1 是本发明第一实施例的光路示意图 ； 0016 图 2 是本发明第二实施例的光路示意图。 0017 附图标记说明 0018 光源 -1 ； 聚光镜 -2 ； 棱镜分光系统入射狭缝 -3 ； 第一准直镜 -4 ； 棱镜 -5 ； 第二准 直镜 -6 ； 光栅分光系统入射狭缝 -7 ； 第三准直镜 -8 ； 光栅 -9 ； 第四准直镜 -10 ； 光栅分光系 统出射狭缝 -11 ； 棱镜分光系统出射狭缝 -12。 具体实施方式 0019 为了使本发明的形状、 构造以及特点能够更好地被理解， 以下将列举较佳实施例 并结合附图进行详细说明。 0020 本发明。
13、由棱镜分光系统和光栅分光系统两个分光系统串联而成。 光栅分光系统分 光元件用一块小阶梯光栅， 光栅刻槽密度每毫米数百条， 闪耀波长在近红外， 工作波长范围 长波可到三千纳米左右。小阶梯光栅闪耀波长 p， 对于短波波长 ， 使用其高级次光谱， 使得 0021 m p， (m=1， 2， 3， 对于确定的系统， 整数前的符号是确定的， 要 么是正要么是负， 只取一种符号 )(1) 0022 对于其它较长的波长可取 0023 (m-1) p， (m-2) p，(2) 0024 其中 ： 欲输出的波长 ； 0025 p: 光栅闪耀波长， 在 p波长附近有较高的衍射效率 ； 0026 m: 光栅光谱级次。
14、， 只取整数。 0027 p满足光栅方程 p=d(sinpsinp), 其中 d 为光栅常数， 即光栅相邻刻槽之 间的距离， p为光 p在光栅上的入射角， p为光 p在光栅上的衍射角， 正负号 “” 与 光路结构与光栅旋转方向有关， 确定的系统中取 “+” 或取 “-” ， 只取一种。对实际单色器系 统 , 上式中的 p和 p之和为常量 , 因此实际只有一个变量。 说 明 书 CN 103575398 A 4 3/5 页 5 0028 工作时转动光栅转角， 当光在光栅上入射角 =p时， 光栅分光系统的输出光定 位于 p。 0029 如果 m 设置得当， 整个短波波段都能得到高的衍射效率， 因其。
15、闪耀波长在近红外 区， 所以近红外的波段也有较高的衍射效率。但是使用高级次光谱的光栅分光系统会有不 同级次的光谱重叠， 输出的光不是单一光谱带宽的光， 如分光系统输出波长为 1000nm 时， 同时会有 500nm， 250nm（如果光源中有这些光的话） 等波长的光输出， 这是分光系统不能允 许的， 于是本发明用与之串联的棱镜分光系统将不同级次的光谱进行分离， 得到单一光谱 带宽的光 （棱镜分光系统不会产生高级次光谱） 。又因为有棱镜分光系统对光栅分光系统的 光进一步的过滤提纯， 所以这种分光系统的杂散光极低， 有很好的杂散光指标。 0030 这样本发明中光栅分光系统只用一块光栅就实现了宽波长。
16、范围的分光， 整个紫外 光谱区还得到了高的能量效率和较好的整个波段的杂散光指标。 0031 波段按级次的划分。 整个波段按所需最高级次m划分为m段。 最短波的级次最高， 从短波到长波级次依次降低到一级。 光栅闪耀波长设在整个波段的中长波段某波长p， 对 于欲输出的短波波长 ， 使用其高级次光谱， 使得 0032 m p 0033 工作时随着分光系统波长 的变化 （增加） ， m 逐渐远离 p， 衍射效率下降， 这 时就换用低一级次的 (m-1)， 使得 0034 (m-1) p 0035 依此类推有 （m-2） p，（m-3） p等等， 每当衍射效率下降到一定程度 时就降一级次， 降一级次后又。
17、达到高的衍射效率， 这样使得整个短波都有较高的衍射效率。 0036 其中光栅分光系统的狭缝特点。 0037 （1） 同一光谱带宽的狭缝的几何宽度随级次不同而不同。 光栅分光系统的狭缝 （光 输入输出口） 的几何宽度根据所需要的光谱带宽 进行变换， 同一个光谱带宽 ， 不 同级次的光其狭缝的几何宽度 X 也不同， 高级次的光其狭缝的宽度宽， 低级次的光其狭 缝的几何宽度小。若一级光谱的狭缝几何宽度是 X， 则 m 级光谱的几何宽度为 mX。 0038 （2） 狭缝几何宽度的数目较多。设分光系统系统的光谱带宽数是 N， 光谱最高级次 数是 m， 则光栅分光系统需要的可变狭缝数是 Nm， 因 m 级。
18、次的光谱带宽 与 m/2 （或 m/3， m/4 等等， 整数存在时， 只取整数） 级次的光谱带宽 2（或 3， 4 等等） 是很接近 的可以共用， 因此实际的光栅分光系统的可变狭缝数可以减少。 0039 棱镜分光系统的光谱带宽 的特点。 0040 本发明中棱镜分光系统的主要作用是滤除光栅分光系统的高级次光谱， 其光谱带 宽大于光栅分光系统的光谱带宽， 但又不能太大让光栅分光系统除 m 级次以外其它级次的 光通过。工作时， 其中心波长与光栅分光系统输出波长 协调一致， 且光谱带宽满足下面 二者中的较小的值。 0041 2- 和 1- 0042 其中为棱镜分光系统的光谱带宽， 2是光栅分光系统比。
19、输出波长高一级 级次光谱， 1是光栅分光系统比输出波长 低一级级次光谱， 上式中的 2， 1， 须满 足 （m+1） 2=m 和 （m-1） 1=m， m 是欲输出波长 的级次。 0043 例如， m=5, 要求光栅分光系统输出波长 240nm。因 m=5, 光栅转角定位于 说 明 书 CN 103575398 A 5 4/5 页 6 240*5=1200nm 位置 ( 设若 p=1200nm), 对于高一级次的 6 级光谱， 有 1200nm/6=200nm, 低 一级次的 4 级光谱有 1200nm/4=300nm， 即光栅定位于 1200nm 处， 要求的输出波长是 240nm （因闪耀。
20、在 1200nm， 所以 240nm（的 5 级谱）有高的衍射效率） , 却有 200nm 和 300nm（当 然还有 400nm,600nm） 波长的光也同时输出。这就需要用棱镜分光系统过滤掉这些不需 要的光谱。这时将棱镜中心波长定位于 240nm， 其光谱带宽应满足 200nm-240nm 和 300nm-240nm 两者中的较小的值 40nm， 当其光谱带宽符合这个要求时其它更远离 5 的 级次的光谱就更易被过滤掉了。 0044 一种满足上述条件的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置， 包括依光 路顺次连接的光源 1、 聚光镜 2、 第一分光系统和第二分光系统。所述光源 1 用于发。
21、出所需 之光谱。聚光镜 2 用于将光源 1 发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝 （第一分光系统 的光输入口） 。 0045 上述两个分光系统之一为光栅分光系统， 另一为棱镜分光系统。这两个分光系统 是串联关系， 即从一个分光系统输出的光进入另一个分光系统， 经另一个分光系统进一步 分光后输出所需要的光。光栅分光系统的分光元件是小阶梯光栅， 棱镜分光系统的分光元 件是棱镜。 0046 其中棱镜分光系统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝 3、 第一准直镜 4、 棱镜 5、 第二准直镜 6 和棱镜分光系统出射狭缝 12。所述棱镜分光系统入射狭缝 3 为一 定宽度的长条形通光孔， 作为分光系统。
22、的入射光的通道， 入射狭缝的宽度与分光元件及光 路结构一起， 决定分光系统的光谱带宽 （光谱带宽， 通俗地说就是单色光的纯度） 。所述第一 准直镜 4 用于将进入棱镜分光系统入射狭缝 3 的发散光变为照射到棱镜的平行光。所述棱 镜 5 为分光元件， 利用其色散机理进行分光。所述第二准直镜 6 将经棱镜 5 分光后的平行 光变为会聚于棱镜分光系统出射狭缝 12 的光。 0047 其中光栅分光系统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝 7、 第三准直镜 8、 光栅 9、 第四准直镜 10 和光栅分光系统出射狭缝 11。所述光栅分光系统入射狭缝 7 同样 为一定宽度的长条形通光孔， 作为光栅分光系。
23、统的入射光的通道。所述第三准直镜 8 用于 将进入光栅分光系统入射狭缝7的发散光变为照射于光栅9的平行光。 光栅9为分光元件， 利用其衍射干涉原理进行分光。所述第四准直镜 10 将光栅 9 分解的平行单色光变为会聚 于光栅分光系统出射狭缝 11 的会聚光。 0048 在本发明的第一实施例中， 以棱镜分光系统为第一分光系统， 光栅分光系统为第 二分光系统， 为简便起见， 将棱镜分光系统出射狭缝12和光栅分光系统入射狭缝7重合。 其 工作过程为 ： 0049 光源 1 发出所需的光谱。聚光镜 2 将光源 1 发出的光会聚于棱镜分光系统入射狭 缝 3 上， 经棱镜分光系统入射狭缝 3 后的光是发散的。
24、， 再经第一准直镜 4 变为平行光照射在 棱镜 5 上， 棱镜 5 将不同波长的光色散为不同角度的平行光， 转动棱镜 5 可使所需的光照在 第二准直镜 6 上， 经第二准直镜 6 将所需的单色光会聚于光栅分光系统入射狭缝 7 （同时也 是棱镜分光系统出射狭缝 12） 上， 进入光栅分光系统。 0050 进入光栅分光系统的光为发散光束， 经第三准直镜 8 变换为平行光， 照射于光栅 9 上， 光栅 9 将经棱镜分光系统来的有一定光谱带宽的单色光， 进一步分解为不同角度的平 行光。转动光栅 9， 使所需的单色光照射在第四准直镜 10 上， 经第四准直镜 10 会聚于光栅 说 明 书 CN 1035。
25、75398 A 6 5/5 页 7 分光系统出射狭缝 11， 从光栅分光系统输出的光就是所需的单色光。 0051 在本发明的第二施例中， 第一分光系统为光栅分光系统， 第二分光系统为棱镜分 光系统。将棱镜分光系统入射狭缝 3 和光栅分光系统出射狭缝 11 重合。第二实施例与第 一实施例中这两种光路形式是等效的， 故在此不再赘述。 0052 以上对本发明的描述是说明性的， 而非限制性的， 本专业技术人员理解， 在权利要 求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、 变化或等效， 但是它们都将落入本发明的 保护范围内。 说 明 书 CN 103575398 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103575398 A 8 2/2 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103575398 A 9 。