专利名称：放大、消色差和低吸收光收集系统,特别适用于光学的光谱分析的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光收集系统。它特别适用于光学的光谱分析。
更具体地，本发明涉及一种具有不同技术性能的反射镜在光路区的组合。
这些反射镜在一个特定的系统中相互关联，该特定系统形成一光学系统以收集来自光源的光并将其发送至一个光学检测设备，该光学检测设备至少在光学的光谱分析领域并且有可能在其它光学应用中被使用。
图1概括性地显示了设置在光源4和有一光入射狭缝8通过其的光检测系统6之间的一光收集系统2。光路用参照数字10标注。
背景技术：
目前使用的光收集系统是基于—入射光的性质，换句话说，组成入射光的光辐射的波长，—光源与检测设备分开的距离，以及—光源与检测设备的尺寸和形状。
有许多光学系统用于多色光源，光源的尺寸从几毫米变化到几十毫米并且设置在距离检测设备几毫米到几十厘米处。
例如，对于一种检测设备，其中，光仅可以穿过一个被称为“入射狭缝”的几毫米长和几微米宽的小狭缝，现有的光传输及收集系统或者由具有若干平行面的一板组成，或者由一个平面-凸面或双凸聚焦透镜组成，或者由成套的两个平面-凸面聚焦透镜组成。
图2显示了在由具有若干平行面14的一板组成的光传输系统的情况下的光路12。参考数字16、18、20、22和23分别显示光源、检测设备、后者的入射狭缝、光路和进入检测设备的光束。
图3显示了在由一个双凸聚焦透镜26组成的光收集系统的情况下的光路24。
图4显示了由成套的两个平面-凸面聚焦透镜30和32组成的光收集系统的情况下的光路28。
图2的系统传输未聚焦的光，换句话说，没有放大光通量。图3和4的系统收集聚焦之前来自光源16的最大光量的光，换句话说，通过放大光通量将光集中到检测设备18的入射狭缝20上。如果光收集系统进一步比光源更远离检测设备，使用一套透镜的系统(图4)使的可能根据两个透镜30和32之间的基本平行光束来传输光并因此使在入射狭缝20上差聚焦的风险最小。
尽管图3和4的光收集系统放大了光通量，这些系统具有以下缺点。
1)它们不能实现光的优化传输。这些光学元件(具有平行面的板或透镜)依据于辐射的波长而在可变程度上吸收光线。
这种吸收有时是可以忽略的，特别是可见光例如通过氟化镁透镜的情况。对于远紫外区的辐射(相应于小于200nm的波长)，这种吸收经常较大。
例如，在120nm波长辐射的情况下，大约80％的入射光通量被厚1.4mm的氟化镁透镜吸收。类似地，高于800nm(红外区)的情况下，吸收会高。
2)由于存在色差尤其是纵向色差，它们不能将组成多色光的具有不同波长的所有辐射聚焦在一点上。上述色差的结果是作为辐射波长的函数，聚焦点沿光轴分散。
这种现象是由于制做光收集系统的材料的折射率作为入射光波长的函数而变化，对于通过由氟化镁制成的透镜34的多色光，纵向色差的形成例如显示在图5中。
在图5中，参考数字36代表多色入射光，参考数字38代表具有最短波长的光的焦点，参考数字40代表具有最长波长的光的焦点，参考数字42代表检测设备，参考数字44代表检测设备的入射狭缝，参考数字46代表最短波长的像点并且参考数字48代表最长波长的像点。
图5显示了作为结果在入射狭缝处出现的局部闭合。
当观测的波长范围很宽并致使检测设备灵敏度作为波长的函数而产生差别时，取决于波长的不同焦点的问题是特别严重的。
作为一种实施例，对于两种具有不同波长的光线，在光轴上一给定位置处的光通量相互不同。如果入射狭缝放置在两种波长之一的焦点上时它可能最大，但是对于第二种波长必定降低。
总起来说，尽管包括聚焦透镜的已知光收集系统部分满足了光通量放大的需求，对于多色光的所有波长，它们不可能同时使这种放大最大化。
这首先是由于有时由制成透镜的材料引发的严重的光吸收，并且其次是由于纵向色差(光轴上光通量最大值的位置之间的差异)。
也有必要研究一个或多个多色光源，特别是其光谱含有一种或多种紫外线分量的一个或多个光源。接着需要在光线被收集并聚焦到检测系统之后检测由上述光源发出的光。
然而，已知的光收集系统在从光源直到检测设备的路径上不包含任何使紫外线辐射的吸收最小化，同时在一点上消色差地放大光通量并且防止检测设备接收来自除所研究光源之外的光源的紫外线的装作是。

发明内容
本发明的目的在于改正上述的缺点。
它的目的在于一种光学系统，其可以解决光吸收问题和色差问题，同时满足在一个或多个光源和一个或多个检测设备之间的(所有特性和波长的)光通量的放大的需求。
具体而言，本发明的目的是一种光收集系统，该系统用于收集由至少一个光源发出的光并将收集的光聚焦到至少一个光检测设备上，所述系统的特征在于它包括至少两个反射镜，即第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜能够收集由光源发出的光并将收集的光聚焦到第二反射镜上，所述第二反射镜能够将其从第一反射镜接收的光聚焦到光检测设备上，所述设备进行放大和消色差并具有低吸收，特别是紫外线，并且所述系统设有一个对所有光线尤其是紫外线辐射不透明的腔体，在其内设有光源、光检测设备和这些反射镜，以及在所述腔体内产生真空或者用对紫外线透明的气体填充其内的装置。
光检测设备可以包括或不包括入射狭缝。
根据本发明系统的第一特定实施例，第一和第二反射镜具有相同的轴，所述轴形成系统的光轴，并且第一和第二反射镜各自的焦点位于所述光轴上。
所述第一和第二反射镜各自的焦点可以为重合的，或者它们可以为不同的。
在第一特定实施例的情况下，第一反射镜可以包括一个中心钻孔，其能够允许由第二反射镜聚焦的光传向光检测设备。
根据第二种特定的实施例，第一和第二反射镜相互偏移，第一和第二反射镜中至少之一为离轴的。
第一和第二反射镜均可以选自球面镜、抛物柱面镜和椭球面镜。
第一和第二反射镜均可以用金属的或化学的沉积物覆盖。
光检测设备可以包括一个入射狭缝并且第二反射镜被设计成将其从第一反射镜接收的光聚焦到所述入射狭缝上。
光检测设备可以为一种包括一个入射狭缝的光学光谱分析设备，并且第二反射镜被设计成将其从第一反射镜接收的光聚焦到所述入射狭缝上。
光源可以为一种多色光源。
由所述光源发出的光可以含有一种或多种紫外线分量。
所述光源可以为一个发光放电灯。


参照附图，通过阅读对下面实施例的描述将会更好地理解本发明，所给出的实施例仅仅是作为指导并且绝非是限制性的，其中，图1概括性地显示了一种已被描述过的、设置于光源和光检测设备之间的光收集系统；图2概括性地显示了已被描述过的、由一个具有平行表面的平板组成的已知光传输系统的情况下的光路；图3概括性地显示了已被描述过的、由一个双凸聚焦透镜组成的已知光传输系统的光路；图4概括性地显示了已被描述过的、由成套的两个平面-凸面聚焦透镜组成的已知光传输系统的情况下的光路；图5显示了已被描述过的、在图3和4中对于多色光的情况下，存在于检测设备的入射狭缝处的局部闭合；图6显示了根据本发明第一特定实施例的光学系统简图，使用了设置于光轴上的两个反射镜，光源比这些反射镜大。
图7显示了根据本发明第二特定实施例的光学系统简图，使用了设置于光轴上的两个反射镜，光源比这些反射镜小。
图8显示了根据本发明第三特定实施例的光学系统简图，使用了两个反射镜，至少其中之一为离轴的。
图9概括性地显示了光在一种装置内的传输，该装置包括一个发光放电光源、根据本发明的具有反射镜的光收集系统以及一个由光学发射分光计组成的光检测设备，并且图10显示了根据本发明另一种系统的简图，使用了多于两个的反射镜。
具体实施例方式
根据本发明的一种光学系统优选使用两个分别被称作“第一反射镜”和“第二反射镜”的反射镜。所述两个反射镜的形状和性能被预先确定并且在所述反射镜上可以形成或不形成金属的或化学的沉积物。
在反射镜上形成的所述金属的或化学的沉积物的目的是保护反射镜不受可能的机械的或化学的侵袭并使光线的吸收最小。
第一反射镜被设计成收集来自光源的最大光量，光源后面设有光学系统，并将这样收集的光聚焦到第二反射镜上。所述第二反射镜随后将其接收的光聚焦到光学系统后面的光检测设备上。
所述设备通常包括一个入射狭缝并且第二反射镜随后将其接收的光聚焦到所述狭缝。在本发明的一种优选应用中，所述设备为一个实际上包括这种狭缝的光学发射分光计。
反射镜的尺寸取决于光源的能量和尺寸、光源和反射镜之间的距离以及反射镜和检测设备或者更确切地是所述设备中的狭缝之间的距离。
第一和第二反射镜为聚焦的，其使放大光通量成为可能。
而且，使用第一和第二反射镜代替透镜解决了以上提到的光吸收问题。
色差问题通过使用本身无色效应的反射镜得以解决。
使用的第一反射镜最好是球面的、抛物柱面的或椭球面的反射镜。对于第二反射镜也是如此。
当两个反射镜具有相同的轴并且它们各自的焦点或者聚焦点设置在形成系统的光轴的该相同轴上时，在第一反射镜中有一个孔以允许来自第二反射镜的光线传输至光检测设备(图6、7和10中实施例的情况)。
在两个反射镜相互偏移以形成一个离轴装置的情况下，无需在第一反射镜中钻孔(图8中实施例的情况)。
现在，我们将再考虑图6-8中的实施例。
图6概括性地显示出的根据本发明的光学系统50设置在光源52和光检测设备54之间，用参考数字56标注入射狭缝。
系统50的第一反射镜58为凹面的，同时该系统的第二反射镜60为凸面的。由光源52发出的光62被反射镜58拾取并被后者聚焦到反射镜60上，反射镜60依次将光聚焦到狭缝56上。
在图6所示的实施例中，光源52的尺寸比得上反射镜58和60的尺寸。然而，它可以更大。
系统50的光轴用参考数字X1标注。可以看出反射镜58比反射镜60大得多并位于该反射镜和设备54之间，并且包括一个钻孔64，通过该钻孔传输由反射镜60聚焦到狭缝56上的光。
而且，反射镜58和60例如可以为球形的，并具有与轴X1重合的相同轴并且它们各自的焦点F1和F2在该轴X1上。反射镜58和60的焦距分别用d1和d2表示，其中，d1大于d2。在图6所示的实施例中，焦点F1和F2为不同的，但在其它实施例中它们可以为重合的。
光学系统66与图7概括性地显示出的本发明一致，设置在光源68和光检测设备70之间，入射狭缝用参考数字72标注。
系统66的第一反射镜74为凹面的，同时系统66的第二反射镜76为凸面的。从光源68发出的光78由反射镜74拾取并被后者向反射镜76聚焦，反射镜76依次将光聚焦到狭缝72上。
在图7所示的实施例中，与反射镜74和76的尺寸相比，光源68的尺寸小。例如，它可以小16倍。
系统66的光轴用参考数字X2标注。可以看出反射镜74比反射镜76大得多，位于后者和设备70之间并且它包括一个钻孔80，由反射镜76聚焦的光通过该钻孔传输到狭缝72上。
而且，反射镜74和76例如可以为球形，并具有与轴X2重合的相同轴并且它们各自的焦点F3和F4在相同的轴X2上。反射镜74和76的焦距分别用d3和d4表示，其中，d3大于d4。在图7所示的实施例中，焦点F3和F4为不同的，但在其它实施例中它们可以为重合的。
图8概括性地显示出的根据本发明的光学系统80设置在光源82和光检测设备84之间，对此，入射狭缝用参考数字86标注。
系统80的第一反射镜88为凹面的，同时该系统的第二反射镜90为凸面的。从光源82发出的光92由反射镜88拾取并被后者向反射镜90聚焦，反射镜90依次将光聚焦到狭缝86上。
可以看出反射镜88比反射镜90大得多。两个反射镜88和90相互偏移并相对于光轴为离轴的。而且，反射镜74和76例如为球形的并且它们各自的焦点重合在相同的点F上。反射镜74和76的焦距分别用d5和d6表示，其中，d5大于d6。
因此，由任何光源52、68和82发出的任何多色光聚焦在相应的光检测设备的入射狭缝上。
现在，我们将描述本发明的示例应用，仅仅是为了告知目的并且绝非是限制性的；我们将考虑光学发射分光计的情况，其将发光放电用于发射谱线的光谱分析，例如，位于120nm和160nm之间的碳、氢、氧和氮的发射谱线。
以上给出的实施例(图6-8)可应用于使用光学系统来优化从发光放电电池(cell)或灯(形成光源)输出向光学波长色散分光计(组成检测系统)的光的收集的情况。
这种类型的光源发出多色光，对此，射线在穿透检测系统后，作为其波长的函数被色散。
参见图9，其显示了一个光放电灯94、一个光学波长色散发射分光计96和一个根据本发明的具有反射镜的光收集系统98。图9的装置94-96-98中的光所跟随的路径用参考数字100标注。
使用反射镜使放大光通量并且特别是解决上面提到的吸收和色差问题成为可能。在发光放电电池内的辐射去激期间，对于分别由氢、氧、氮和碳元素发射的波长为121.567nm、130.217nm、149.262nm和156.44nm的光，可以使用图9中的组件94-96-98。
图9概括性地阐明了根据本发明的系统的变形实施例除了由光源94输出的光之外，光学系统98可以处理由另一个光源102输出的光并且由于对所考虑的光使用一个半透明反射镜104，该光被迫沿相同的路径100而行。
除分光计96之外，由光学系统98输出的光也可以通过分光计106进行处理。
随后设置一种适当的半透明反射镜108以将来自系统98的光转移到分光计106的狭缝110上。
根据本发明的光收集系统的使用实现了—通过该光收集系统使从光源到检测系统的光通量最大(放大)，—通过光学元件使光线的吸收最小，并且—将具有不同波长的所有光线聚焦到相同点上(消色差)。
根据本发明的系统可以在传输的和收集的光通量以及可同时观测的光谱范围方面提供相当多的益处。
它可以和任何已知的光检测设备一起使用。
它不局限于在光线的紫外区使用。
而且，它不局限于和发光放电灯一起使用，而是可以和任何光源一起使用。
该系统不局限于两个反射镜(参见图10的说明)。
而且，它不局限于使用具有球面、抛物柱面和椭球面形状的反射镜。
它也不局限于C、H、O和N元素的光谱分析；它也应用于任何化学元素的光谱分析。
图10显示了图6的一种变形实施例，其中，除反射镜58和60之外使用了另一个反射镜112，以便将系统50输出的光向设备54中的狭缝56反射。
例如，当该设备不能与光源52放在一条直线上时可以使用上述配置。
现在，我们来考虑图6-10中的实施例。
使用检测设备54、70和84，我们可以打算研究多色光，特别是多色光源，对此，光谱含有一种或几种紫外线分量。上面已经考虑到这种可能性，特别是光源为发光放电灯或电池的情况。
根据本发明，设置一个对所有光线特别是紫外线不透明的腔体，并且在其内设有光源、检测设备和反射镜，从而使测量不受干扰。也设置了在腔体内产生真空，或者用对紫外线透明的气体填充腔体的装置。
这一点在图6中概括性地进行了解释说明，其显示了一个被封闭并对所有光线不透明的腔体114，并且在腔内设有光源52、反射镜58和60以及设备54。该腔体例如可以由金属如不锈钢制成。
设置抽运装置116以在腔体内产生真空，从而清除可吸收紫外线的所有气体如水蒸气或二氧分子氧。
腔体114和泵装置116也概括性地显示在图9和10中。
在图7的实施例中，这些泵装置可以由用对紫外线透明并且例如不含有水或二氧分子氧的气体填充腔体114的装置代替。例如，可以使用纯净的分子氮或稀有气体如氩气。
用气体填充腔体114的装置包括将气体注入腔体的装置118。孔119与腔体内的气体入口位置相隔一定距离，设置在腔体的壁上以允许气体逸出(之后，可以通过未示出的装置抽运该气体)。结果是气体随后在腔体内循环。
在图6所示的实施例中，腔体为刚性的。然而，也可以使用“弹性”腔体。
这一点概括性地显示在图8中，其中，腔体由几个部分制成；使用了含有反射镜的主腔体120以及含有光源82的辅助腔体122，所述辅助腔体122通过金属波纹管124以密闭方式连接到腔体120上。此外，检测设备84位于密闭腔体126中并且该腔体通过另一个金属波纹管128以密闭方式连接到腔体120上。
设备、反射镜和光源由于波纹管而位于一个“弹性”腔体内。特别是，这使移动反射镜以改进聚焦设定成为可能。
有利地是，所述“弹性”腔体也可以用在图6、7、9和10的实施例中。
在本发明未示出的一种实施例中，例如以含有光源和反射镜的管道形式使用一刚性腔体，并且该腔体通过一个刚性或弹性导管(波纹管)以密闭方式连接到另一个含有检测设备的密闭腔体。
腔体间进行的所有连接是显然的以不防碍光从光源到检测设备的传播。
权利要求
1.光学的光收集系统，所述系统(50、66、80)用于收集由至少一个光源(52、68、82、94、102)发出的光并将收集的光聚焦到至少一个光检测设备(54、70、84、96、106)上，所述系统的特征在于它包括至少两个反射镜，即第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜(58、74、88)能够收集由光源发出的光并将收集的光聚焦到第二反射镜，所述第二反射镜(60、76、90)能够将其从第一反射镜接收的光聚焦到光检测设备上，所述系统进行放大和消色差，并具有低吸收，特别是在紫外区，并且所述系统设有一个对所有光线特别是紫外线辐射不透明的腔体，并且在其内设置有光源、光检测设备和反射镜，以及在所述腔体内产生真空或用对紫外线辐射是透明的气体填充腔体的装置。
2.根据权利要求1的系统，其中，第一和第二反射镜(58、60；74、76)具有相同的轴(X1，X2)，所述相同的轴形成了系统的光轴，并且第一和第二反射镜各自的焦点(F1，F2；F3，F4)位于所述光轴上。
3.根据权利要求2的系统，其中，第一和第二反射镜各自的焦点(F1，F2；F3，F4)为重合的。
4.根据权利要求2的系统，其中，第一和第二反射镜各自的焦点(F1，F2；F3，F4)为不同的。
5.根据权利要求2-4中任何一项的系统，其中，第一反射镜包括一个中心钻孔(64、80)，其能够允许由第二反射镜聚焦的光传向光检测设备。
6.根据权利要求1的系统，其中，第一和第二反射镜(88、90)为相互偏移的，第一和第二反射镜中至少一个为离轴的。
7.根据权利要求1-6中任何一项的系统，其中，第一和第二反射镜(58、74、88；60、76、90)均选自球面镜、抛物柱面镜和椭球面镜。
8.根据权利要求1-7中任何一项的系统，其中，第一和第二反射镜(58、74、88；60、76、90)均由金属的或化学的沉积物覆盖。
9.根据权利要求1-8中任何一项的系统，其中，光检测设备包括一个入射狭缝(56、72、86、110)并且第二反射镜被设计成将其从第一反射镜接收的光聚焦到所述入射狭缝。
10.根据权利要求1-8中任何一项的系统，其中，光检测设备为一个包括入射狭缝的光学光谱分析设备(96)，并且第二反射镜被设计成将其从第一反射镜接收的光聚焦到所述入射狭缝。
11.根据权利要求1-10中任何一项的系统，其中，由光源发出的光含有一种或多种紫外线分量。
12.根据权利要求1-11中任何一项的系统，其中，光源为发光放电灯。
全文摘要
该系统收集由至少一个光源(52)发出的光并将其聚焦到至少一个光检测设备(54)上。优选地，它包括一个第一反射镜(58)，其收集由光源发出的光并将其聚焦到第二反射镜(60)上，第二反射镜(60)依次将光聚焦到设备上。该系统设有一个对所有光线线特别是紫外线不透明的腔体，并且在其内设有光源、光检测设备和反射镜，以及在该腔体内产生真空并用对紫外线透明的气体填充腔体的装置。
文档编号G01J3/28GK1703644SQ200380101112
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月7日 优先权日2002年10月8日
发明者让－查理·胡比诺伊斯, 樊尚·拉瓦纳, 埃尔韦·肖莱 申请人:原子能委员会