[发明专利]用于凹面光栅分光仪的选择性分辨率的系统和方法

说明书

一种光学系统，包括具有凹面衍射光栅和探测器的光谱仪。孔眼通过相关致动器或定位机构被选择性地定位为进入或离开在样本下游且进入光谱仪之前的入射光束的光路。具有多个不同尺寸的入口狭缝的狭缝板定位在孔眼下游并且可通过相关致动器或定位机构进行移动，以将多个入口狭缝的其中之一定位在入射光束的光路中。连接至探测器和致动器的控制器被构造为对致动器进行控制，以选择性地定位孔眼和狭缝板，从而提供光谱的可选分辨率。孔眼的设置和狭缝板的设置可响应于对更高或更低的光谱分辨率的请求通过查询表来确定。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月15日提交的美国申请第15/844,069号的优先权，该申请整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于分光仪的选择性分辨率增强的系统和方法。

背景技术

凹面光栅分光仪的光谱分辨率总体上随着光栅照明的数值孔径(NA)和分光仪入射狭缝尺寸的增大而降低。分辨率是与凹面光栅刻线密度、入口狭缝尺寸以及来自光栅的光学像差有关的色散卷积，其受到光栅上的照明范围的影响。较低的色散值增大了波长之间的距离并且促进了较高的光谱分辨率。低色散分光仪通常要求入射或入口狭缝与光栅之间具有较长距离以及高光栅刻线密度。虽然这提供了较高的分辨率，但是相关分光仪尺寸将是笨重的。另外，光谱范围将会由于高刻线密度而受到限制。

对于具有紧凑尺寸(例如焦距小于100mm)和宽光谱范围(例如从200nm到1000nm的UV-VIS-NIR波长)的分光仪，用于分辨光谱线的分辨率是受限的。如此，通常需要在选择用于特定应用的仪器性能参数时做出妥协来实现所需的通过量、分辨率、光谱范围等等。用于提供凹面光栅分光仪的较高分辨率的已知策略例如包括选择或修改包括衍射光栅和/或探测器的替代分光仪部件。通常要求针对通用应用通常覆盖200nm至1100nm的波长的、分光仪分辨率小于2nm的科学级分光光度计。因此，这些系统很少使用紧凑的基于凹面光栅的分光仪，因为难以实现小于2nm的分辨率。

对于要求较高光谱分辨率和紧凑尺寸的应用，例如工业分光光度计和荧光计，通常使用Czerny-Turner分光仪。为了在Czerny-Turner分光仪中实现可选分辨率，入射狭缝尺寸通常由电动狭缝开口来改变。为了保持良好的光谱分辨率，Czerny-Turner分光仪通常设计有小于F/4的F/#。避免了通过进一步减小光栅照明面积来提高分光仪分辨率，因为对于大多数应用来说系统通过量损失将是无法接受的。

发明内容

在一个或多个实施方式中，一种光学系统包括：孔眼，其被构造为设置在样本下游的入射光束的光路中；具有入口狭缝的狭缝板，其被构造为选择性地定位在孔眼下游的入射光束的光路中；凹面衍射光栅，其被定位为接收穿过入口狭缝的入射光束的至少一部分并且使光束以基于波长的角度发生衍射；以及探测器，其被定位为接收经过凹面衍射光栅衍射的光并且被构造为响应于经过凹面衍射光栅衍射的光而产生信号。

实施方式可包括被构造为仅使一部分入射光束通过的二分之一光束孔眼，以及包括各自具有共同的高度且彼此宽度不同的多个入口狭缝的狭缝板。马达或其他致动器或定位机构可与狭缝板关联并且被构造为相对于入射光束定位多个入口狭缝中所选择的一个。凹面衍射光栅可包括全息光栅，其可以是经过像差校正的并且可以是固定的。光学系统可包括壳体，其中凹面衍射光栅和探测器被定位在该壳体内，并且孔眼被定位在该壳体外部。固定式孔眼可选择性地定位在入射光束的光路中或从光路移除，从而结合所选的入口狭缝设置一起对分光仪的分辨率进行调节。在多个实施方式中，孔眼包括具有可调节的开口的可变光阑(iris)。例如，光学系统可具有针对紧凑尺寸的小于100mm的较短焦距。