本實(shí)用新型涉及一種分光計(jì)，還涉及具有這樣的分光計(jì)的分析設(shè)備。

背景技術(shù)：

分光計(jì)例如在氣體分析儀中使用以確定光學(xué)測(cè)量路徑內(nèi)各種氣體的濃度或存在。為此目的，光傳送通過光學(xué)測(cè)量路徑，其中測(cè)量氣體或測(cè)量氣體組分要被檢測(cè)和/或它們的濃度要被確定。術(shù)語“光”在本文中一般用于電磁輻射并且除了可見波長范圍外可選地還包括紅外的或紫外的波長范圍。

在這樣的氣體分析儀中，測(cè)量光采用本身已知的方式來照射光學(xué)測(cè)量路徑和在這方面依賴于波長由存在的相應(yīng)氣體組分吸收。光例如在該波長依賴的吸收后入射在分光計(jì)的入口孔上和從那里入射例如在分光計(jì)的衍射光柵上，在所述衍射光柵處光依賴于波長而被不同地衍射。依賴于波長衍射的光因而成像到檢測(cè)器上，其中入射點(diǎn)的位置依賴于波長。

在這方面，采用本身已知的方式產(chǎn)生光譜，根據(jù)所述光譜可以讀到大約哪些波長已經(jīng)被吸收，以便因而得出關(guān)于單獨(dú)氣體組分的存在和/或濃度的結(jié)論。術(shù)語“氣體”在這里也用于單獨(dú)氣體組分，所述單獨(dú)氣體組分可以一起存在于光學(xué)測(cè)量路徑中。

這樣的分光計(jì)不僅可以在氣體分析儀中使用，而是通常在分析設(shè)備中使用，其中氣體的、液體的和/或固體的物質(zhì)或物質(zhì)的混合物可以被分析同時(shí)考慮它們的吸收性質(zhì)。

檢測(cè)器陣列用作檢測(cè)器，例如，其中多個(gè)光電二極管彼此相鄰在由衍射光柵分裂的光譜的方向上排布在組件上。備選地，細(xì)長的PSD(位置敏感裝置)元件也可以用作檢測(cè)器陣列。

檢測(cè)器陣列必須選擇，使得一方面感興趣的光譜區(qū)域Δλ成像在整個(gè)陣列上，并且另一方面光譜的分辨率δλ足夠高以便也能以足夠的精度來評(píng)估精細(xì)的光譜結(jié)構(gòu)。

精細(xì)分辨的光譜結(jié)構(gòu)和粗略分辨的光譜結(jié)構(gòu)經(jīng)常位于要評(píng)估的光譜范圍中。如果要分析的該光譜范圍Δλ是大的以及如果同時(shí)需要精細(xì)的光譜結(jié)構(gòu)的足夠的分辨率δλ，必須使用具有大量光敏感的元件的檢測(cè)器陣列。因?yàn)槠渲泄庾V線以理想的清晰度來成像的范圍一般來說位于球體上，還存在關(guān)于使用非常長的、典型地平面檢測(cè)器陣列的問題：總的光譜范圍Δλ不能以要求的清晰度來檢測(cè)。對(duì)于通過使用適合于球體的彎曲檢測(cè)器陣列的該問題的解決方案對(duì)于技術(shù)原因已經(jīng)是有問題的。使用全息平場(chǎng)光柵是昂貴的并且在寬的光譜范圍上也是不可能的，所述全息平場(chǎng)光柵在平面上使光譜范圍的有限部分清晰地成像。

傳統(tǒng)的分光計(jì)因此典型地表示要檢測(cè)的光譜范圍Δλ和可實(shí)現(xiàn)到的光譜分辨率δλ之間的折衷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要提供一種分光計(jì)和分析設(shè)備，其能夠以不昂貴的方式來檢測(cè)大的光譜范圍Δλ和同時(shí)具有高的光譜分辨率δλ。

該目的通過具有實(shí)施例的特征的分光計(jì)和通過具有實(shí)施例的特征的分析設(shè)備來滿足。

根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)包括多個(gè)色散光學(xué)元件，所述多個(gè)色散光學(xué)元件被排布為使得進(jìn)入所述分光計(jì)的電磁輻射入射在所述色散光學(xué)元件上以在那里進(jìn)行光譜分裂。所述色散光學(xué)元件相對(duì)于它們的空間位置和/或它們的光譜分辨率能力而彼此不同。所述色散光學(xué)元件被排布為使得通過所述電磁輻射的分裂的由各個(gè)色散光學(xué)元件生成的光譜在相同的方向上延伸以及橫向于該方向而彼此相鄰。在兩個(gè)維度中是空間上可分辨的檢測(cè)器定位以用于檢測(cè)分裂的電磁輻射的光路中的所述光譜的至少相應(yīng)部分段。

電磁輻射可以采用不同的方式來耦合到分光計(jì)中。優(yōu)選地設(shè)置入口孔，特別優(yōu)選的是入口間隙，這允許耦合要分析的電磁輻射。這樣的入口間隙可以簡單地以及然而精確地實(shí)現(xiàn)。

備選地，通過光纖也可以進(jìn)行光纖耦合，所述光纖將要分析的電磁輻射耦合到分光計(jì)中。其他實(shí)施例可以例如將寬帶激光器(例如，白光激光器)用作 光源，所述光源提供空間上限制的或準(zhǔn)直的光束以及進(jìn)入到分光計(jì)中(例如，在通過光學(xué)測(cè)量路徑后)。

色散光學(xué)元件可以從包括以下的組中選擇：例如色散棱鏡和光柵，特別是透射光柵和反射光柵。一般來說，所有色散光學(xué)元件是該組的相同類型的元件，但也沒有排除選擇該組的不同的元件。

色散光學(xué)元件的光譜分裂能力可以其特征在于例如以下兩個(gè)間隔之間的關(guān)系：光譜的圖像中特定波長的兩個(gè)光譜線的間隔和該圖像和色散光學(xué)元件之間的間隔。光譜分裂能力被確定，例如其中光柵或衍射光柵通過它的光柵常數(shù)以及其中色散棱鏡通過它的折射率。

在兩個(gè)維度中是空間上可分辨的檢測(cè)器(2D檢測(cè)器)例如是采用本身已知的方式的二維檢測(cè)器陣列(例如，采用CMOS技術(shù)、MOS技術(shù)或CCD技術(shù))，所述二維檢測(cè)器陣列具有采用多個(gè)行和多個(gè)列排布的多個(gè)光敏感的元件。根據(jù)有利的實(shí)施例，檢測(cè)器可以全部或部分通過閃爍體涂層來設(shè)置，特別地UV敏感的閃爍體涂層。

可能的是，同時(shí)使用根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)來檢測(cè)要分析的電磁輻射的光譜范圍的多個(gè)選擇的部分段，和通過相對(duì)于色散光學(xué)元件的光譜分裂能力合適地選擇色散光學(xué)元件和/或通過色散光學(xué)元件的合適的空間定位和/或?qū)R采用兩個(gè)維度中空間上分辨的檢測(cè)器來檢測(cè)總的光譜范圍，以及電生成對(duì)應(yīng)的圖像，所述圖像可以通過本身已知的評(píng)估單元按需要來處理以及隨后評(píng)估。波長范圍以及光譜分辨率δλ可以因此在寬的限制內(nèi)選擇。

檢測(cè)器優(yōu)選地相對(duì)于色散光學(xué)元件來對(duì)齊，使得光譜的光譜分裂的方向平行于檢測(cè)器的行或列來延伸。

例如，包括要分析的電磁輻射的總光譜范圍的光譜可以在檢測(cè)器的部分范圍內(nèi)通過相對(duì)小的分辨率來檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)器的其他部分范圍通過相對(duì)高的分辨率記錄多個(gè)不同的部分段或從總的光譜來摘錄。所述部分段可以通過直接相互鄰近的波長范圍來形成，但不必形成。部分重疊的部分段或波長范圍的檢測(cè)也是可能的。相對(duì)于分析不具有任何光譜結(jié)構(gòu)的波長范圍可以屏蔽或通過非檢測(cè)來丟棄。

根據(jù)本實(shí)用新型的通過多個(gè)色散光學(xué)元件的要分析的電磁輻射的分裂以及通過不昂貴的2D檢測(cè)器的隨后的檢測(cè)允許分光計(jì)的光譜分辨率的有效優(yōu)化而不會(huì)由此不必要限制光譜范圍Δλ和反之亦反。

根據(jù)本實(shí)用新型的有利實(shí)施例，色散光學(xué)元件還具有成像性能。為了確保檢測(cè)器上光譜的清晰成像，分光計(jì)采用本身已知的方式還具有一個(gè)或多個(gè)色散光學(xué)元件之間的光路中的成像元件。由于使用具有成像性能的色散光學(xué)元件，這些成像元件可以免除或它們的數(shù)量可以至少被減少。成像元件或另外或備選使用的成像元件或具有成像性能的色散光學(xué)元件可以例如包括透鏡或凹透鏡，特別是柱面透鏡或者簡單彎曲的凹面鏡。

有利的是，在該連接中，如果色散光學(xué)元件被配置為成像反射光柵，其中特別是所述色散光學(xué)元件中的至少一些另外還相對(duì)于焦距而彼此不同。成像反射光柵將光柵和凹透鏡的功能組合，其中成像反射光柵能夠球形彎曲和簡單地彎曲。當(dāng)使用具有不同焦距的色散光學(xué)元件時(shí)，相應(yīng)的色散光學(xué)元件可以對(duì)于特定光譜范圍相對(duì)于檢測(cè)器上該光譜范圍的該光譜分辨率δλ和清晰的成像來優(yōu)化。

根據(jù)本實(shí)用新型的另外有利實(shí)施例，色散光學(xué)元件被配置為具有多個(gè)部分區(qū)域的單件色散元件，所述多個(gè)部分區(qū)域相對(duì)于它們的空間取向和/或它們的光譜分裂能力而彼此不同以及因此形成命名為的色散光學(xué)元件。這樣的色散元件的示例是衍射光柵，例如，采用膜的形式，所述膜具有帶有不同光柵常數(shù)的多個(gè)區(qū)域。這樣的單件色散元件代表特別不昂貴的解決方案。

另外有利的實(shí)施例其特征在于色散光學(xué)元件中的至少一個(gè)相對(duì)于它的空間位置而可調(diào)節(jié)地排布，使得入射在檢測(cè)器上的通過可調(diào)節(jié)地排布的色散光學(xué)元件生成的光譜的所述部分段的至少波長范圍是可變的。對(duì)要檢查的物質(zhì)或物質(zhì)混合物的分光計(jì)的修改可以通過調(diào)節(jié)空間位置來進(jìn)行，例如通過使一個(gè)或多個(gè)色散元件傾斜，其中感興趣的相應(yīng)波長范圍可以單獨(dú)選擇。

調(diào)節(jié)性可以此外還用于調(diào)節(jié)目的。如果不僅取向而且空間位置(特別是與檢測(cè)器的間隔)可以調(diào)節(jié)，那么不僅可能改變要檢測(cè)的波長范圍，而且可能改變它的尺寸。調(diào)節(jié)可以手動(dòng)或通過馬達(dá)進(jìn)行?？梢蕴貏e地設(shè)置控制單元，所述 控制單元執(zhí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，例如在使用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)物質(zhì)時(shí)。

根據(jù)另外有利的實(shí)施例，色散光學(xué)元件中的至少一個(gè)具有與之關(guān)聯(lián)的相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)元件，所述偏轉(zhuǎn)元件可調(diào)節(jié)地排布，使得入射在檢測(cè)器上的通過關(guān)聯(lián)的色散光學(xué)元件生成的光譜的所述部分段的至少波長范圍是可變的。不像上述實(shí)施例，不是調(diào)節(jié)成使波長范圍變化的色散光學(xué)元件，而是反射元件。合適的反射元件例如鏡或鏡陣列，其中作為成像反射元件(例如作為凹透鏡)的實(shí)施例也是可能的。

在該情況中和/或通過其中檢測(cè)器上的一個(gè)或多個(gè)光譜的可變定位不是必要的或不是期望的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)色散光學(xué)元件可以在固定的或固定設(shè)置的空間位置來排布，特別是在相對(duì)彼此固定的或固定設(shè)置相對(duì)傾斜處。

一般來說，兩個(gè)上面命名的實(shí)施例也可以包括在橫向于相對(duì)于入射在檢測(cè)器上的光譜的部分段的可變性的光譜分裂的方向的方向上檢測(cè)器上的一個(gè)或多個(gè)光譜的位置的調(diào)節(jié)。另外，兩個(gè)調(diào)節(jié)的可能性也可以彼此組合。

根據(jù)另外有利的實(shí)施例，色散光學(xué)元件被設(shè)計(jì)使得入射在檢測(cè)器上的光譜的所述部分段中的至少一些具有橫向于光譜分裂的方向的不同范圍。這可以例如通過使用采用不同寬的衍射光柵的形式的色散光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)，其中寬度與橫向于光譜分裂的方向的光柵的范圍有關(guān)。其中存在低輻射強(qiáng)度的光譜范圍可以因此使用比具有高強(qiáng)度的那些光譜范圍更寬的光柵來分裂。因?yàn)榫哂械蛷?qiáng)度的光譜采用該方式比具有更高強(qiáng)度的那些光譜照射更大的檢測(cè)器表面，改進(jìn)的信噪比也可以例如通過將橫向于分裂方向的那些信號(hào)加和以更小的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)，所述分裂方向從衍射光柵發(fā)出。

根據(jù)另外有利的實(shí)施例的分光計(jì)還包括評(píng)估單元，所述評(píng)估單元連接到所述檢測(cè)器和配置成校正發(fā)生在所述光路中的所述光譜的所檢測(cè)的部分段中的一個(gè)或多個(gè)像差，其中要校正的所述像差特別地包括具有以下作用的像差：光譜的范圍不是線性的和/或入射在所述色散光學(xué)元件上的直線作為曲線來入射在所述檢測(cè)器上。這樣的像差可能是由于例如幾何像差和/或色像差、調(diào)節(jié)誤差、組分缺陷等。最終，單獨(dú)光譜中的光譜線代表例如入口間隙的圖像。如果這些光譜線不再成像為檢測(cè)器上的直線，這使得后面的評(píng)估更困難。因此對(duì)于由檢測(cè) 器獲取的圖像的以后評(píng)估是有幫助的，特別是對(duì)于每個(gè)由具有相同波長的電磁輻射產(chǎn)生的那些像素的加和，如果這些像素都在相同的行或相同的列中。對(duì)應(yīng)校正的圖像中的光譜線從而出現(xiàn)為水平或垂直延伸的直線。要校正的像差也可以特別地包括時(shí)間-可變的像差，尤其是失真，這可能是由于例如色散光學(xué)元件光學(xué)性質(zhì)的時(shí)間變化，例如光柵常數(shù)的變化，和/或另外的光學(xué)元件的光學(xué)性質(zhì)的時(shí)間變化，所述另外的光學(xué)元件可設(shè)置在光路中，諸如準(zhǔn)直器或成像透鏡，和/或這些元件的相對(duì)位置的變化。這樣的時(shí)間-可變的像差可以特別是通過熱誘導(dǎo)的漂移和/或通過其他機(jī)械影響來引起，并且可以變得顯著，例如，由檢測(cè)器上的光譜的圖像的擺動(dòng)、位移和/或旋轉(zhuǎn)。

如上所述的，根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)可以在分析設(shè)備中用于確定固體的、液體的或氣體的物質(zhì)或物質(zhì)混合物的吸收性質(zhì)，如實(shí)施例中的主題。

這樣的分析設(shè)備具有根據(jù)實(shí)施例的分光計(jì)。另外，電磁輻射源和排布在所述電磁輻射源和所述分光計(jì)之間的光學(xué)測(cè)量路徑設(shè)置用于使用所述分光計(jì)來檢查所述物質(zhì)或物質(zhì)混合物。來自所述源的電磁輻射通過光學(xué)測(cè)量路徑，其中波長依賴的吸收可以然后通過要檢查的物質(zhì)或物質(zhì)混合物來進(jìn)行，其中吸收能夠通過分光計(jì)依賴于波長來測(cè)量。

根據(jù)本實(shí)用新型的這樣的分析設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)和特別的實(shí)施例和有利的使用由根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)的上面命名的實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生。

本實(shí)用新型的另外有利的實(shí)施例由從屬實(shí)施例、具體實(shí)施方式和附圖產(chǎn)生。

附圖說明

將在以下參考實(shí)施例和附圖來描述本實(shí)用新型。示出：

圖1為采用不是按比例的示意表示的根據(jù)本實(shí)用新型的分析設(shè)備和根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)；

圖2為圖1的分光計(jì)的三個(gè)反射光柵的詳細(xì)視圖；以及

圖3為具有三個(gè)不同光譜的圖1的分析設(shè)備的檢測(cè)器生成的示意圖像。

標(biāo)號(hào)列表

10 分析設(shè)備

12 分光計(jì)

14 光源

16 發(fā)射的光

18 測(cè)量路徑

20 要分析的光

22 入口間隙

24a-24c 反射光柵

26a-26c 光譜分裂的光

28 檢測(cè)器

30 圖像

32a-32c 光譜

24 評(píng)估單元

101-106 光譜線

A 軸

S 光譜分裂的方向

具體實(shí)施方式

圖1示出根據(jù)本實(shí)用新型的分析設(shè)備10，分析設(shè)備10具有根據(jù)本實(shí)用新型的分光計(jì)12、光源14和測(cè)量路徑18。分光計(jì)12包括入口間隙22、三個(gè)簡單地凹入彎曲的反射光柵24a、24b、24c和檢測(cè)器28。分光計(jì)12可以另外具有不同的光束成形的成像元件(例如準(zhǔn)直器、成像透鏡)以及分光計(jì)殼體，為了清楚起見這些未在圖1中示出。

示出的示例中光柵常數(shù)合計(jì)為反射光柵24a的800個(gè)線/mm、反射光柵24b的1750個(gè)線/mm、和反射光柵24c的2000個(gè)線/mm。如從圖2中可以識(shí)別的，反射光柵24a至24c的范圍在這里選擇相同橫向于反射光柵24b、24c中光譜分裂的方向S。反射光柵24a具有比橫向于方向S的反射光柵24c的稍小的范圍。

正如可以在圖1中識(shí)別的，反射光柵24a至24c關(guān)于軸A而相對(duì)于彼此稍微傾斜，軸A垂直于圖的平面延伸以及從而垂直于光譜分裂的方向S。

光源14在測(cè)量路徑18的方向上發(fā)射光16(一般來說從紫外的、可見的和/或紅外的光譜范圍)。要檢查的物質(zhì)或物質(zhì)混合物(氣體的、液體的或固體的)位于那里。在通過物質(zhì)或物質(zhì)混合物時(shí)，傳送的光16依賴于波長而被吸收。

退出測(cè)量路徑18的要分析的光20通過入口間隙22進(jìn)入(所述光垂直于圖的平面延伸)到分光計(jì)12中，并在反射光柵24a至24c處反射性衍射和由此光譜分裂。反射光柵24a、24b和24c生成的光譜分裂的光26a、26b和26c的相應(yīng)光束由檢測(cè)器28分別檢測(cè)。

檢測(cè)器28是在兩個(gè)維度中是空間上可分辨的以及具有采用行和列排布的多個(gè)光敏感的元件的檢測(cè)器?？芍丿B的光譜分裂的光26a、26b和26c的重疊光束僅稍微影響檢測(cè)器28的不同的部分區(qū)域以及那些生成相應(yīng)的光譜32a、32b和32c，所述光譜32a、32b和32c被一起記錄以形成圖像30(參見，圖3)。

檢測(cè)器28連接到評(píng)估單元34，所述評(píng)估單元配置成讀出光敏感的元件、生成圖像30和從圖像30確定具有空間分辨率(在光譜分裂方向S上)的檢測(cè)的光譜分裂的光26a、26b和26c的強(qiáng)度，以便最終確定光源14發(fā)射的光16的哪些組分大約在測(cè)量路徑18中被吸收。

由反射光柵24a生成的光譜32a表示總的或概要的光譜，所述光譜包括光譜線101至106，并在大約從300nm到900nm的波長范圍內(nèi)以圖3的表示來延伸。圖3中由λ所標(biāo)注的箭頭在增加的波長的方向上表明。光譜線101位于在大約400m；光譜線102位于在大約420nm；光譜線103位于在大約500nm；光譜線104位于在大約700nm；光譜線105位于在大約780nm；以及光譜線106位于在大約800nm。

由反射光柵24b生成的光譜32b對(duì)應(yīng)于概要的光譜32a的部分段，與光譜32a比較，所述光譜32b包括基本上較小的波長范圍，但進(jìn)而以更高的光譜分辨率δλ來再現(xiàn)。不像在光譜32a中，光譜線101、102在光譜32b中都清楚可識(shí)別地彼此分開。

由反射光柵24c生成的光譜32c示出概要的光譜32a的另外部分段，與光譜32a中相比較，所述光譜32c的波長范圍同樣是相當(dāng)較小。因?yàn)楣庾V分辨率δλ在光譜32c中也比在光譜32a中更高，不像在光譜32a中，光譜線105、106清楚 地彼此分開。

示出的示例中的光譜32b、32c最終表示來自光譜32a的摘錄，在光譜32a中光譜32b、32c的波長范圍由括號(hào)標(biāo)記，所述括號(hào)設(shè)置有對(duì)應(yīng)的光譜的標(biāo)號(hào)32b、32c。

不同的光譜范圍可以通過不同的反射光柵24a至24c的不同的大的表面由不同的量來加權(quán)以優(yōu)化不同范圍中的信噪比(SNR)。這在本實(shí)施例中使用，其中光的較小部分用于概要的光譜32a和光的兩個(gè)相應(yīng)較大的部分以用于記錄詳細(xì)的光譜32b、32c。具有非常弱的光譜線的范圍可以因此以較高的有效平均時(shí)間來記錄。

除了其他參數(shù)和方面外，特別地，選擇的波長范圍、光柵的數(shù)量和它們的光柵常數(shù)在本實(shí)施例中僅作為示例。不同的光譜范圍因此可以用相同的分辨率在單個(gè)檢測(cè)器上示出或不同的光譜范圍可以用不同的分辨率來示出。小的波長范圍的高分辨率光譜結(jié)構(gòu)和大的波長范圍的低分辨率結(jié)構(gòu)可以同一個(gè)測(cè)量來記錄。