用多层光栅多色仪扩展多道谱仪谱宽 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。
本发明的目地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。
上述两种调整参数存于软件中，平时不需要调整。如多色仪的部件位置发生变化，可重新调整参数。
3.波长较正
光栅多色仪的线色散在不同波段只是近似相等，故同一宽度的探头，在不同中心波长处，采得的谱宽是略有不同的。对同时谱宽较窄的情况，不作波长较正问题不大。对宽同时谱，就必须有波长较正。为使用方便，我们已对多个中心波长预先做好波长较正。实际采谱时，立即可得各谱线的波长值。
4.强度较正
由于准光镜与物镜尺寸有限，各条光栅中，总是位置处于中间的光栅之光谱强度大，两端的强度小。为使宽同时谱中的各谱线的相对强度与实际情况一致，必须对谱线强度作较正。其实，原不展宽的多色仪也需要作道响应不均匀较正和探头响声较正，才能获得较准确的相对强度。
5.采谱方式多样化
商品光学多道分析仪多数具有实时、实时减背景、累加减背景等多种数据采集模式和编有多种数据采集方法。本发明扩展谱段后，也编制了上述多种采集模式的程序。
6.宽、窄谱段的谱显示
由于显示器屏幕尺寸有限，宽同时谱显示虽能观察谱的全貌，但对谱线密集的光谱不易清晰分析，为此设计了部分谱段的展宽显示。
关于谱显示还设计了以道显示或波长显示，前者适用于初步了解光源光谱情况。
7.数据存储、调用与打印
本发明的软件能立即显示所采光谱，也能存储数据于磁盘中。能调入数据作后处理。能将谱数据输出给打印机。
软件框图见图2。软件程序见附录。
图2中U1表开机导引；U2表选择修改扫描条件；U3表输入道时间；U4表输入组尺寸；U5是输入迹始点和迹高；U6作选择修改采集模式；U7表输入采集模式代码；U8作输入重复扫描数；U9表输入存储器组数；U10表输入忽略扫描数；U11为输入预扫描数；U12要求输入所采光谱段中央值；U13调相应修正文件；U14表选择采集方法；U15表清屏；U16作采谱；U17表自动标度运算；U18作谱显示；U19选择是否终止采集；U20表清屏；U21自动标度运算及显谱；U22表清屏；U23采背景谱；U24采信号谱；U25作信号谱减背景谱运算；U26表自动标度运算；U27作谱显示；U28进行相关参数显示；U29表以波长为横轴作谱显示；U30作特定谱线参数显示；U31表选择要否打印；U32作打印；U33表选择要否存储；U34作存储；U35表返回。
三、技术指标
本发明的多层光栅多色仪与具有二维探头的光学多道分析仪系统结合，可实现在不降低分辨率的前提下，在自编软件控制下，将同时谱宽提高6～10倍。
由于使用了有光电技术、光谱技术、计算机技术的光学多道分析仪，故本发明的加宽谱段技术仍保留了光学多道分析仪的主要特点。用六条光栅的多层光栅多色仪，其成象焦距为320mm时和光学多道分析仪-III结合，获得谱宽近180nm，实际分辨极限0.15nm的全谱。与焦距相同的HR-320多色仪和光学多道分析仪-III结合的谱宽增加了六倍，而分辨率不变。
本发明的主要技术指标如下：
1.在用光栅密度为1200g/mm，成象透镜焦距320mm的条件下，同时谱宽在180nm-300nm以上。若采用低密度光栅或短焦距成象透镜可获得更宽的谱宽。比现有光学多道分析仪宽度增加六倍以上。
2.在光栅密度1200g/mm，成象透净焦320mm时，光谱分辨极限小于0.18nm，与现有光学多道分析仪的分辨极限相同。
3.同时谱的曝光时间与现有光学多道分析仪一样，从纳秒到秒量级，一般在数拾毫秒。从采谱到显谱只要一秒以下。
4.探头的响应度匀许的条件下，整个系统可工作在200-1000nm范围。
本发明相对于现有技术的优点是在保持原有分辨率的条件下，谱宽可扩展了6-10倍。使光学多道分析仪的应用范围大大拓宽。对光谱测量和研究必有重要作用。
图3是本发明采集的汞灯谱的实验结果。图4是用HR-320多色仪与光学多道分析仪作实验结果。两者对比可明显看出本发明的积极效果。
四、实施例
如图1所示光路，本发明用六条光栅，安装在一个精密加工的光栅台A6上，小孔A4的宽为20μm，孔高1mm。反射镜A5，A7的焦距是320mm，柱透镜A6焦距50mm，聚光透镜A1的有效数值孔径为2.8。用美国PARC公司生产的1254探头和其后的所有硬件，及按图2框图自编的软件(具体程序见附录)，进行汞灯、钠灯、He-Ne放电管多种光源的光谱采集。与采用光学参数相同的HR-320多色仪的光学多道分析仪-III所采谱比较，分辨率相同，谱宽增加了近六倍。