CN101617219A - 手持的自容式光发射光谱（oes）分析仪 - Google Patents

Abstract

用于分析样本的成分的手持、自容式、电池供电的测试仪器包括用于激发样本的至少一部分的激发器、用于接收来自样本被激发部分的光信号的交叉色散光谱仪和用于处理关于来自光谱仪的光信号的光谱数据的处理器。激发器可包括火花发生器和反电极、激光或其他用于从样本的一部分生成光信号的设备。光谱仪具有足够宽的波长范围以使测试仪器能够探测并确定碳、磷、硫、锰、硅、铁和其他识别常见合金所必要的元素的相对含量。光谱仪包括由重量轻的材料制成的结构件，这种材料具有小的热膨胀系数(CTE)。光谱仪在期望的环境温度范围内结构稳定，不需要控制光谱仪的温度。

Description

手持的自容式光发射光谱(OES)分析仪

本申请要求下述申请的优先权：2007年2月23日提交的美国临时专利申请“Hand-Held，Self-Contained Optical Emission Spectroscopy(OES)Analyzer”(申请号为：60/891,408)，通过引用将该临时专利申请并入本文中。

由Denis Baiko等人共同转让的美国专利申请“Fast and PreciseTime-Resolved Spectroscopy with Linear Sensor Array”(申请号为：12/035,477，申请日为2008年2月22日)的全部内容通过引用并入本文中。

由John E.Goulter等人共同转让的美国专利申请“A compactCross-Dispersed Spectrometer for Extended Spectral Range”(申请号待提供，申请日为2008年2月22日)的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及光发射光谱(OES)分析仪，具体地，涉及手持的自容式OES分析仪。

背景技术

分析样本的化学成分在许多情况下是重要的，分析包括在户外金属回收设施、工厂的质量控制测试和司法工作中识别并分离金属类型(尤其是各类钢铁)。目前有数种分析的方法。

光发射光谱(OES)是一种用于材料的元素分析的成熟的、稳健的技术。在OES中，少量样本材料被蒸发并被激发到原子基态之上。光导收集在蒸发的样本中的元素的发射特性，该光导将光导向光谱仪，该光谱仪产生并分析来自光的光谱，从而得出元素成分。

对于金属样本而言，生成发射光谱的普遍技术利用电弧和/或火花蒸发少量的待分析样本。可选地，可利用激光诱导击穿光谱(LIBS)或辉光放电蒸发并激发发射样本。OES分析技术的概况可在Slickers所著的《AutomaticAtomic-Emission Spectroscopy》(1993年第二版)一书中找到，通过引用将该书并入本文中，如同本文阐述其全文一样。

为了确保通过测量(通常测试一小部分样本)推导出的成分代表整个样本的成分，需要尽量减小内含物、基体和表面杂质的影响，常规的做法是：将由数千个在测量的几秒钟内作用于100平方毫米大小的区域的弧/火花产生的光谱平均。

一些OES分析仪是计划用于实验室的大型、非便携式单元。其他OES分析仪是“便携式”的，这是由于它们能够被任意移动。然而，现有技术中能够识别钢铁中的碳或其他常见成分的“便携式”OES分析仪需要通过光纤/电缆互连的两个分离组件。例如，可从Spectro A.I.公司购得商品名称为Spectroport的分析仪，该分析仪包括手持式探针，该手持式探针通过10英尺长的电缆连接到手提箱大小、33磅重的分析单元。同样由Spectro A.I.公司生产的SpectroiSort分析仪包括通过电缆连接到位于10磅重的背包内的分析单元的手持式探针。

为了覆盖检测识别常见材料(如铸铁和各种合金)所必需的碳、磷、硫和其他元素所需要的光谱范围，现有技术中的这些分析仪在手持式探针中包括固定波长的探测器并在分析单元中包括光谱仪，所述探测器用于碳、磷、硫和铁，所述光谱仪用于其他元素。这种不灵活的两部分结构使得这些分析仪难以使用和任意移动。

可从新泽西州尤因市的Metorex购买商品名称为ARC-MET 8000MobileLab的两部分式分析仪，这种分析仪包括通过10英尺的电缆连接到滚动“主单元”的手持式“探针”。所述探针包含光谱仪，据广告称该光谱仪具有175-370nm的光谱范围；然而，需要滚动主单元为所述探针提供电力和冷却，并分析来自所述光谱仪的输出。至少一些用户会倾向于使用手持的完全自容式的OES分析仪。

同样由Spectro A.I.公司生产的Spectrosort分析仪是单件的、电池供电、手持式的分析仪。然而，这种分析仪中的光谱仪的光谱限制使得它不能探测碳、磷和硫，因此严重限制了这种分析仪的实用性。

自容式、手持式OES分析仪的用户会更倾向于使用能够探测碳和其他关键元素的分析仪，从而所述分析仪能够识别广泛的常见材料。然而，到目前为止，各种障碍阻碍了构建一种全范围、自容的、手持式分析仪。这些障碍之一是不能构建一种呈现在常规环境条件下进行上述分析所需的波长范围和温度稳定性的光谱仪，且该光谱仪的大小和重量适于手持式分析仪。

发明内容

本发明的一种实施方式提供了用于分析样本的一部分的成分的分析仪。所述分析仪包括手持的、自容式测试仪器。所述测试仪器包括用于激发所述样本的一部分的激发器，所述激发产生光信号和布置在手持式仪器的内第一色散元件，用于接收所述光信号并创建在第一平面内色散的中间光信号。布置在所述手持式仪器内的第二色散元件用于色散所述中间光信号，从而将第一分辨光学阶置于相应的第一复数个探测器元件上，并将第二分辨光学阶置于相应的第二复数个探测器元件上。处理器连接用于接收来自第一和第二复数个探测器元件的信号并被，该处理器还被编程以处理所述信号。电池为所述激发器和所述处理器供电。

置于相应的复数个探测器元件上的所述光学阶中的至少一个可延伸至波长小于大约193nm，或小于大约178nm，或波长至少与大约170nm一样短。

每组复数个探测器元件可被配置为接收置于复数个探测器元件上的分辨光学阶的连续光谱范围。置于第一和第二复数个探测器元件上的光谱范围共同至少延伸到大约178nm-大约400nm

所述仪器可包括界定孔的结构，所述中间光信号通过该孔。所述光信号可聚焦在该结构上。

所述激发器可包括用于保持相对于所述样本的一部分的电位差的电极和用于产生所述电极上的相对于所述样本的一部分的所述电位差的电压提供装置。所述激发器可包括激光。

所述第一色散元件可以是交叉色散棱镜。所述第二色散元件可以是衍射光栅，该衍射光栅可以是全息衍射光栅，用于在第一和第二分辨光学阶中提供可比效率。

第一复数个探测器元件与第二复数个探测器元件可以不共平面。所述测试仪器还包括位于第一和第二分辨光学阶之一的光路上的镜，该镜位于第二色散元件和相应的复数个探测器元件之间。

第一和第二色散元件及第一和第二复数个探测器元件固定连接到碳填充聚合物结构件上，该碳填充聚合物结构件可包括石墨填充的聚亚苯基硫化物，如由至少约40％石墨填充。

所述处理器被编程以基于观测到的光谱特征进行自动波长校准。

第二色散元件可提供至少大约5000或至少大约10000的分辨能力。

所述仪器可进一步包括连接至所述处理器的显示屏。所述显示屏可以是铰合的显示屏。

本发明的一种实施方式提供了用于分析样本的一部分的成分的分析仪。所述分析仪包括手持的、自容式测试仪器，该测试仪器包括用于激发所述样本的一部分的激发器。所述激发产生光信号。所述仪器还包括至少具有从大约178nm延伸到大约400nm的光谱范围的光谱仪，该光谱仪布置在所述分析仪内以接收所述光信号并运行以色散所述光信号，并且根据色散的光信号产生输出信号。所述仪器还包括连接到所述光谱仪并被编程以处理所述输出信号的处理器和为所述激发器、所述光谱仪和所述处理器供电的电池。

所述光谱仪可包括像素化的传感器，并且所述光谱仪在大约190nm时具有至少大约0.02nm每像素的分辨率。

所述光谱仪可包括在至少两个不同阶中具有可比效率的全息衍射光栅及被布置用于接收来自所述光栅的两阶色散光信号的传感器。所述光谱仪可以是交叉色散的。

所述光谱仪可包括结构件，该结构件包括碳填充聚合物，所述光谱仪的光学元件安装在所述碳填充聚合物上。

所述处理器可被编程以自动地根据观测的光谱特征波长校准所述光谱仪。

本发明的另一种实施方式提供了用于分析样本的一部分的成分的方法。该方法包括激发所述样本的一部分，并因此产生光信号和根据所述光信号生成光谱。将第一预定光谱特征与所述光谱的至少一部分匹配。基于所述第一预定光谱特征中相对于像素的位置，将波长与所述像素关联。分析所述光谱以确定所述样本的一部分中的至少一种组分。

可基于像素集的期望线性光谱色散将波长与其他像素关联。

可将第二预定光谱特征与所述光谱的至少一部分匹配并基于所述第二预定光谱特征的相对于所述第一预定光谱特征位置的位置将波长与其他像素关联。

附图说明

结合附图参考下文中的具体实施方式的详细说明可以更加全面的理解本发明，附图中：

图1是根据本发明的一种实施方式的手持、自容式、电池供电的OES测试仪器的立体图；

图2是图1中的测试仪器的剖视图；

图3是根据本发明的一种实施方式的图1中的仪器的光谱仪的立体图；

图4是图3中的光谱仪的一部分的近距立体图；

图5示出了图1中的测试仪器的鼻部与样本表面接触；

图6是示出了根据本发明的一种实施方式的曲线图，示出了随时间绘制的的典型的电压和电流曲线，用于由图1的仪器生成的单个火花/弧；

图7包含两个曲线图，示出了根据本发明的一种实施方式的随时间绘制的典型的电压和电流曲线，用于由图1的仪器生成的火花/弧；

图8是由图1的测试仪器产生的分析间隙的近距示意图；

图9是根据本发明的一种实施方式的图3和图4的光谱仪的剖视立体图；

图10包含根据本发明的一种实施方式的两个图示，示出了投射到图1的仪器的传感器阵列上的光谱与选择***参数有关；

图11是示出了根据本发明的一种实施方式的两行传感器的示意图；

图12是根据本发明的一种实施方式的图11中两行传感器和相应的安装支架的立体图；

图13是根据本发明的一种实施方式的衍射光栅组件的分解图；

图14是根据本发明的一种实施方式的安装在光谱仪外壳内的图13中的衍射光栅组件的立体图；

图15是根据本发明的一种实施方式的用于图1的测试仪器的对齐设置的示意图；

图16是流程图，描述了根据本发明的一种实施方式的分析样本的成分的过程；

图17是根据本发明的一种实施方式的图1的测试仪器的主要组件的框图；

图18是根据本发明的一种实施方式的具有倾斜式屏幕的手持式的、自容测试仪器的立体图；

图19是示出了由传感器像素产生的两个谱峰和相应的信号的示意性曲线图；

图20和21描述了根据本发明的实施方式的用于传感器阵列的交错像素结构的两种实施方式；

图22是根据本发明的一种实施方式的传感器和光谱及撞击所述传感器的移谱；

图23是示出了已知光谱的曲线图；

图24是流程图，描述了根据本发明的实施方式的自动波长校准。

具体实施方式

根据本发明的实施方式，公开了使用手持、自容式、电池供电的测试仪器分析样本成分的方法和装置。所述测试仪器中的光谱仪的波长范围足够宽，从而使得所述测试仪器能够探测并确定碳、磷、硫、锰、硅、铁以及识别常见合金所需的其他元素的相对数量。所述测试仪器的设计和构建使得所述测试仪器能够在宽环境温度范围内提供准确的结果，而不加热或冷却所述光谱仪，因此节约了电力并延长了在电池需要再次充电之前所述测试仪器可运行的时间。

所述测试仪器激发样本的至少一部分，并由此产生光信号。由于样本的元素在波长特性上的光学发射，所述光信号包含识别样本中的元素的信息。光谱仪将所述光信号波长色散到传感器的集，其中，每个传感器接收所述光信号的窄范围波长。可为处理器编程以接收并处理来自所述传感器的信号和识别并定量样本中的元素。

手持、自容式、电池供电的测试仪器应该体积小、重量轻且耗电量小。本发明公开的实施方式使得可以构建展示这些属性的、基于光谱的分析测试仪器。在使用光发射光谱(OES)的分析技术和测试仪器的背景下论述这些实施方式；然而本申请的教导可应用于其他类型的使用光谱分析的分析测试仪器(包括使得光学吸收光谱的测试仪器)。此外，尽管公开的实施方式是在弧/火花激发的背景下论述的，但也可使用其他形式的激发(包括激光诱导击穿(LIB))。

一种实施方式的总体结构

图1是根据本发明的一种实施方式的手持的、自容式、电池供电的OES测试仪器100的立体图。仪器100包括鼻部102。在运行时，鼻部102的导电平面部分103被压在导电样本表面(未示出)上。从反电极104到所述样本的火花激发所述样本的一部分，并因此产生光信号。反电极104通过诸如绝缘盘(不可见)的装置与鼻部102的导电平面部分103之间电气绝缘。所述光信号进入上口(不可见)并通过一个或多个镜(不可见)反射到仪器100内部的光谱仪204。处理器(不可见)连接到光谱仪中的探测器(不可见)的集。为所述处理器编程以处理来自所述探测器的信号。所述处理器分析由光谱仪产生的至少一部分光谱，以识别和定量样本中的元素成分。

所述处理器在触摸屏110上显示分析的结果。可选择地，所述处理器可将分析的结果经由有线或无线连接(未示出)发送给外部设备(如计算机或显示器)。触摸屏110、扳机112和操作界面按钮114使得用户可与所述处理器互动。可拆离的、可再充电的电池116为所述处理器、触摸屏110、光谱仪204和连接到反电极104的火花发生器(不可见)提供电力。

图2是测试仪器100的剖视图，示出了火花发生器200、第一镜202和光谱仪204。镜202可以是具有氟化镁覆层和熔融石英基质的前表面镀铝镜。然而也可使用其他合适的镜。镜202可以是平面的，但是凹状(包括双曲线或抛物线)可提供更好的图像质量。

导电***物206界定了孔208，在该孔中布置有反电极104(图2中未示出)。***物206还提供了鼻部102的至少一部分导电平面部分103。火花发生器200电连接至反电极104及鼻部102的导电平面部分103，以当鼻部102的平面部分103与样本接触时，形成与所述样本的电气回路。鼻部102的大部分可以是金属或另一种热传导材料以耗散来自火花或来自火花发生器200的热量。虚线210示意性地示出了所述光信号通过的光路的一部分(大部分隐藏在鼻部102内)，所述光路从反电极104附近一直延伸到光谱仪204的入射狭缝处。

图3是光谱仪204的立体图。光谱仪204外壳包括界定开口302的结构300，***物206(图3中未示出)***该开口302。图4是光谱仪204的一部分的近距立体图，示出了结构300和***物206的更多细节。如虚线所示，***物206界定了穿过***物206的壁的孔400。由样本产生的光信号通过孔400并被结构300中的第二镜402反射。第二镜402经由穿过结构300的第二孔404将光信号反射至第一镜202(未示出)。

结构中的第三孔406和***物中的对应孔(不可见)提供流体流通路径，可通过该路径将气体引导至反电极104附近，以清除反电极104附近的空气(至少清除一部分空气)，因为空气可减轻或阻止光信号中一些或全部波长的目标。安装在孔404上的窗(未示出)提供气密密封以防止气体从孔208逸出进入光谱仪208。所述窗优选地由β铝(β-Al₂O₃或“人造蓝宝石”)或另一种在所述光信号的波长上透明的材料。

环境

如图5所示，反电极104的尖端被布置在与样本表面500相隔大约2-3mm处，并因此形成分析间隙。反电极104的直径可大约为1/16-1/4英寸。优选地，反电极由敷钍钨制成，然而也可使用其他合适的材料，例如碳(石墨)或银。反电极104应该由激发后产生简单光谱(或至少是易于与样本500中的可能材料产生的光谱相区别的光谱)的材料制成。

惰性气体(如氩)可经由孔406被导入，从而用气体注满分析间隙。向手持式测试仪器提供气体的方法和装置在2007年2月17日提交的临时专利申请“Small Spot X-Ray Fluorescence(XRF)Analyzer”(申请号为：60/889,465)中公开，其中气体的来源包括来自直接连接到所述仪器(也可能密封在仪器的一部分中)的储气罐，通过引用将上述申请的内容并入本文中，如同本文阐述该申请的全文一样。应该选择不与样本500中的可能材料发生反应且当被激发时产生相对简单发射光谱(或至少是易于与样本500中的可能材料产生的光谱相区别的光谱)的气体。

火花生成

反电极104和样本表面500之间的电势击穿所述气体，使得电流(以火花或弧的形式，或以二者结合的形式)从反电极104流向样本表面500。火花加热所述气体并使样本的一小部分蒸发。蒸发的样本材料被高温气体激发并产生光学(尽管可能不可见)放电。

应当向反电极104提供单向正电流以防止侵蚀反电极104。火花发生器200包括二极管508(或等效电路)以向反电极104提供合适的单向电流。反电极104可使用电刷或通过改变电流方向并为使用的清洁样本产生火花/弧清除碎片累积。

在运行中，可快速并连续不断地生成一系列火花/弧。每个火花可击打样本表面500上略微不同的位置，这取决于样本表面500上由火花所致的点状侵蚀、表面500中的瑕疵和内含物等。一般而言，相比于低的火花重复率，高的火花重复率导致火花击打样本表面上的较小的区域。因此，通过控制火花重复率来控制样本区域是可能的。在每秒50-400次火花时，火花击打直径大约3mm的区域，而在每秒1000-2000次火花的情况下，放电区域的直径大约为1mm。避免(至少部分避免)小的放电区域(如直径为1mm的区域)是可取的，这是由于大多数金属并不是完全同质的，以至于当测试这样一片小区域时，不能产生精确的结果。抽样这样一片小区域产生的结果可由于小区域内成分而出现偏差。

当限制电力消耗时，应该控制提供给反电极104以产生火花/弧的信号的电压和电流(对时间)曲线(波形)以优化发生火花、使样本蒸发及加热气体。图6是曲线图，示出了对于单个火花/弧的、随时间绘制的典型的电压和电流曲线。如该曲线图所示，短期的、高电压的波峰600发出击穿反电极104和样本表面500之间的分析间隙的气体的火花。所述火花将样本的一部分侵蚀到分析气体中。随后，电压降低。所述火花是低电流火花，如电流曲线的部分602所示。然而，随后电流增加并达到波峰604而电压适度的高以维持弧，从而激发在分析间隙中被侵蚀的样本。被激发的材料发射表示被激发的材料的元素成分的光信号。随后，电流和电压降低。由于在火花/弧的过程中加到分析间隙的功率的大小不同，分析间隙的温度在火花/弧的存在期间内变化。

对于分析硬金属(如铁和镍)，可使用图7中位于上部的图(A)所示的电压曲线。该电压曲线示出了高能的预火花700，预火花700之后是高电流但低电压的弧702。对于分析软金属(如铝、镁或铜)，可使用图7中位于底部的图(B)所示的两相电压曲线。电压曲线示出了火花部分704、延迟706和分离的弧部分708。火花部分704可用于确定样本中的主要合金，弧708可用于确定样本中的微量元素。一般而言，位于下部的图(B)中的信号的电压比位于上部的图(A)中的信号的电压低。

在一种实施方式中，初始击穿电压大约为6000-10000伏特以击穿分析间隙中的氩或其他气体。在一种实施方式中，峰值电流大约为60-100安培。电压和电流的绝对值的重要性不如从火花/弧到火花/弧且避免在给反电极104的信号中成环的电压和电流的可重复性。电压和电流的振幅和曲线应该如实际中一样可重复。

火花发生器200在所述处理器的控制下运行。即，所述处理器可为火花发生器200指定重复率以及电压、电流和/或曲线。可选地，可在火花发生器200中预配置电压、电流和/或曲线。火花发生器200可以是任何合适的电路，如开关模式电源(SMPS)、产生上述电压和电流的大功率晶闸管及MOSFET电路。

为了防止意外地将用户暴露在火花电压下，鼻部102可包括一个或多个瞬时接触开关、压力转换器或其他必须由样本表面激活后才使火花发生器200产生火花信号的传感器。图1示出了这种安全的互锁***的一种实施方式。三个瞬时接触开关120、122和124安装在鼻部102上，从而仅当鼻部102的平面部分103完全与样本的表面接合时，开关102-124才被激活。

光收集

再次参考图5，应该注意的是光路502与样本表面500形成角504。图8是分析间隙的近距视图，示出了反电极104和样本表面500之间的放电区域800。区域800靠近样本表面500的部分温度(大约30000℃)比区域800靠近反电极104的部分的温度(大约1500℃)高。因此，来自诸如磷、硫和碳的元素的硬线发射802来自区域800温度较高的部分。相反的，来自诸如铝和铜的元素的软线发射804来自区域800中温度较低的部分。

来自被测物的发射应该从分析间隙的量来采样，其中被测物是电离的。硬线发射802应该从大约1-5°的角度观测，然而软线发射804应该从大约3-15°的角度观测。大约3°的角度提供了一种合适的折衷方案，这种方案使得能够同时观测硬线发射802和软线发射804。再次参考图5，角度504可以是大约3°，然而也可使用其他小的角度。此外，多条光路(可能每条都具有不同的角度)可从分析间隙提供并可被重组成接近光谱仪204。应当使用遮挡物806以避免观测到来自反电极104的热尖端的发射或来自样本表面500的发射。

如上所述，高能和低能火花和/或弧的组合可用于一系列激发中，有助于在不同的火花/弧期间探测样本的硬金属和软金属。在一种实施方式中，可以利用第一脉冲分析样本中的主元素，而利用第二脉冲分析样本中的微量元素。

在火花/弧中，来自一些元素的发射比来自其他元素的发射更晚到达峰值。类似地，“背景”发射(如来自样本表面500和反电极104的尖端发射)可比来自样本中的一些元素的发射更早地到达峰值。例如，来自铅的发射到达峰值晚，且是在大部分背景发射消散后才到达峰值的。光信号的时间分辨分析可通过当来自特定元素的发射到达峰值时分析这些发射的光谱而提供较好的信噪比。光信号的时间分辨分析在下述专利申请中有详细论述：2007年2月23日提交的临时专利申请“Time-Resolved Spectroscopy with Sensor Array”(申请号为：60/891,320)和Denis Baiko等人于2008年2月22日提交的美国专利申请“Fast and Precise Time-Resolved Spectroscopy with Linear Sensor Array”(申请号为：12/035,477)，上述专利申请的内容通过引用并入本文中，如同本文阐述其全文一样。

光谱仪

为了保持光谱仪的精确性，保持光谱仪的光学组件的物理联系(如距离和方向)是必要的。在传统的光谱仪中，光学组件(如界定入射狭缝的结构、衍射光栅和一个或多个传感器)被固定地安装在由铸铁或殷钢(FeNi)所制成的结构件上，并且控制光谱仪的温度以限制所述结构件的热膨胀或收缩。传统上，通过将光谱仪加热到一个统一和恒定的温度来实现温度控制，然而一些光谱仪是被冷却而不是被加热。不论哪种状况，都要消耗能量以加热或冷却光谱仪。有时，电风扇被用于在光谱仪内或环绕光谱仪使空气流通，以维持统一的温度。加热光谱仪可需要在光谱仪内选择温度不敏感的传感器或冷却传感器以避免在传感器中产生热致噪声。

手持式测试仪器中的光谱仪应该体积小、重量轻且消耗的电力少。图9是根据本发明的一种实施方式的光谱仪204的剖视立体示意图(为了简明，移除了壳罩)。光谱仪204的各个方面(包括其交叉色散设计)都是为了使其体积缩小、重量减轻且能耗降低。

光谱仪204的结构组件(如盒900和壳罩(为了简明，将其移除))由轻量材料(例如石墨填充聚苯硫醚(PPS))，所述轻量材料在可使用所述测试仪器的情况下的预计环境温度范围内具有小的热膨胀系数(CTE)。小的CTE降低或消除了在保持光谱仪204的精度时对光谱仪204的温度控制的需求，并因此节约了电力。此外，PPS是黑色的，这有助于吸收光谱仪204内的漫射光。PPS可由机器或注塑(或二者的结合)成形以产生光谱仪204的结构组件。

PPS可以是从德州的Woodlands的Chevron Phillips公司购得商品名称为Ryton PPS的产品。优选地为填充有大约40％的石墨的聚苯硫醚。这种材料可从德州(77023)休斯敦的Hoerbiger America Rings & Packing公司购得，名称为IPC-1834，或者可从德州Shiner的Boedeker Plastics公司购得，名称为“Bearing Grade”。也可以使用其他呈现或被修正成(例如通过填充碳或另一种合适的填充物)在预计环境温度时具有小CTE的聚合物、高碳复合材料、玻璃填充型聚合物或液晶聚合物。

光信号210由镜202反射到入射狭缝901。入射狭缝901可大约为5μm宽。棱镜902垂直地色散入射光，如904所示。棱镜902位于距离入射狭缝901大约60mm处。棱镜902优选地由β铝或另一种在目标的波长上透明的材料。

棱镜902附着在场阑(内部挡板)906上。在图9中，场阑906和棱镜902被放大并从***物的另一个角度示出。棱镜902应该安装在其最小偏向角上，以尽量减少像散。在一种实施方式中，棱镜902以大约6.8°的角度反射光，因此棱镜902倾斜的角度大约是该角度的一半，从而来自棱镜902(朝向光栅910)的输出的轴与光谱仪盒900的底部905平行。场阑的后部907成一角度，以合适地倾斜棱镜902。

场阑906界定了大约1/4英寸宽的缝隙908，垂直色散的光通过该缝隙908。正如所描述的，火花击打样本表面500发生在小区域，而未必在表面上的某个点上。为了调节火花的这种“游离”状态，火花的图像在入射狭缝901处在某种程度上被散焦；作为替代的是，所述图像被聚焦到内部挡板906处。

来自棱镜902的垂直色散的光904射到凹全像光栅910上。光栅910大约1/2英寸厚且直径为大约50-75mm。内部挡板906屏蔽了分析间隙的放电量的边缘，因此防止了来自反电极104或来自样本表面500的光信号到达光栅910。光栅910水平地色散光。水平色散的光射到传感器912的阵列上。光栅910被构建成具有在两个不同(尽管不一定连续)的阶上具有可比效率。每个阶可以是正的或负的。

光栅910在传感器912上产生两个不同的光谱，它们在下文中被称为一阶光谱914和二阶光谱916。二阶光谱916可比一阶光谱914具有更高分辨率。这是由于棱镜902垂直地色散入射光900。垂直色散的光中长波长和短波长的光以不同的角度射到光栅910上。这种角度差异导致了传感器912上一阶光谱914和二阶光谱916之间的垂直位移918。在一种实施方式中，垂直位移918大约为2mm。传感器912可包括两行传感器，一行传感器用于光谱914而另一行传感器用于光谱916，传感器912的替代实施方式在下文中有所描述。

阶分离

各种***参数影响垂直位移918的程度。如果垂直位移918不足够大，两个阶光谱914和916就会部分地或全部地彼此重叠在传感器912上。根据传感器像素的高度，这种重叠可使传感器不能在传感器的每个集上得到清晰的光谱。图10中的上半部分示意性的描绘了如同在传感器912(图9)上成像的两个阶光谱1000和1002，这两个光谱1000和1002显著地重叠在一起，这可能阻碍在传感器的每个集上得到清晰的图像。

回到图9，传感器912上的两个光谱914和916之间垂直位移918的大小取决于(部分取决于)棱镜902引起的色散904的大小，色散904的大小转而取决于棱镜902的材料的折射率和棱镜902的顶角。然而，大顶角导致厚的棱镜，这可进一步削弱光信号(尤其是在紫外线范围内)。

垂直位移918还取决于(部分取决)聚焦***的线性放大(如凸光栅910的放大)、取决于棱镜902和光栅910之间的距离、取决于光栅910和传感器912之间的距离。光栅910是聚焦元件，因此减小间距920增加了位移918。在一种实施方式中，凸光栅910的线性放大率大约为-1。

在一种实施方式中，棱镜902被布置在尽可能靠近光栅910的位置，但不阻塞分析目标的任一阶光谱914或916的任意部分的光路(光栅910和传感器912之间)。在这种实施方式中，棱镜902的这种布置使得狭缝901到棱镜902之间的距离大约为60mm。图10的下半部分是在传感器912(图9)上成像的两个阶光谱1004和1006的示意图。这两个光谱是通过布置上述的具有8°顶角的β铝棱镜形成的。正如图10的下半部分所示，两个光谱1004和1006不重叠并提供光谱1004和1006之间大约2mm的垂直位移，然而位移可随波长变化。在一种实施方式中，位移在目标的波长范围内从大约6mm变化到大约3mm。

对于识别铁和其他常见金属，来自分析间隙的具有大约170nm和大约140nm的光学发射是有意义的。在一种实施方式中，光栅910(图9)按如下目标构建：尽管第一和二阶的高效率部分中的一些可能会重叠，但使得一阶的光栅的效率对于波长在大约247nm和大约410nm的范围内相对较高，而在此范围外效率则相对较低，并且，使得二阶的光栅的效率对于波长在大约170nm和247nm之间的范围内相对较高，而在此范围外效率则相对较低。光栅910的设计、由棱镜902和光栅910的组合提供的交叉色散以及两行传感器912使得光谱仪204能够在相对较小的空间内分析相对较宽的波长范围。在一些实施方式中，在传感器912上的一阶光谱914和二阶光谱916之间可能有谱隙或重叠。

一阶光谱914和二阶光谱916之间的垂直位移918可不足以排列两行共平面的传感器912。在这种情况下，两行传感器中的一行可在垂直于图9所述的传感器阵列的平面中被定向。图11示意性的示出了这种布置的侧视图，图12示出了这种布置的立体图(稍微向上看，且从侧面观测)。参考图11，镜1100将一阶光1102反射到朝下的传感器行1104。二阶光1106直接射(如没经过反射)到朝前的传感器行1108。在目标的波长上，镜反射长波长的光比反射短波长的光更有效。例如，低于大约240nm，大约20％的光信号由于利用镜反射信号而丢失。主要由不能被镜有效反射的波长组成的阶应该直接射到朝前的传感器行1108。在一种实施方式中，如所述，二阶光(范围从大约107nm到大约250nm)直接射到朝前的传感器行1108。图12示出了用于将镜和两行传感器1104和1108安装到壳体900的底部905的安装支架1200。

光谱分辨率一般被定义为光谱仪能够分辨的两个最接近谱峰之间的光谱分离。对于包括分辨两个谱峰的相邻像素的集的数字传感器而言，这两个谱峰之间的至少一个像素应当接收比其相邻像素低的信号，如图19示意性的示出的一样。如果谱峰落在传感器上，以致具有最大信号的像素彼此相邻，那么光谱仪/传感器组合可能不会分辨出这两个谱峰。

光谱仪带通(BP)指定了能在给定的波长位置能看到多大的光谱带宽。由于带通限制了光谱仪分离谱峰的能力，因此，通常将BP称为光谱仪的光谱分辨率。BP可由光谱仪中的色散元件的输出图像宽度和逆线性色散计算得出。逆线性色散表明光谱的宽度分布在焦平面(如上文中描述的传感器912)上的1mm的距离上。逆线性色散(随波长变化)的单位是nm/mm，并通常被列为主要仪器规格。衍射光栅的逆线性色散主要取决于光栅刻线的间距。

在光谱仪204的一种实施方式中，衍射光栅910具有大约5nm/mm的逆线性色散，并且入射狭缝901的宽度大约为5μm。因此，在一种实施方式中，衍射光栅910提供的分辨能力至少大约在5000，在另一种实施方式中，分辨能力至少大约在10000。在光谱仪204的一种实施方式中，每个传感器1004和1008具有大约7μm的有效像素间距。因此，在二阶光谱916中分辨率大约为0.2nm每像素，在一阶光谱914中分辨率大约为0.04nm每像素。

每个传感器1104和1108可合并两行或更多行的像素，其中，这些像素水平交错，这增加了设备的有效光学分辨率。图20和21描绘了两个交错的像素配置。典型的像素2000包括感光区域2002和围绕的感光区域2004。在典型的分光镜应用(如火花OES)中，镜片被配置为将长窄狭缝图像2006或2100加到探测设备上。通过制造具有两行或更多行的像素的设备，每行具有X的水平分辨率，其中，其他行的像素偏移X/2的距离，***的有效分辨率提高到X/2。这种方法转而允许使用更窄的入射狭缝，从而有效的提升***的分光镜分辨率。

本发明的一种实施方式运行在提供给棱镜902信号是非准直光信号的情况下。尽管非准直信号可导致在投射在传感器1104和1108上图像少量畸变，图像的任何“拖尾”通常发生在与长方形像素的长边的方向一致的方向。因此，这些畸变不会对光谱仪的分辨率产生负面影响。此外，利用来自光栅910的低阶(如一阶或二阶)衍射信号可最小化一些畸变。

本文描述的光谱仪不仅可用于手持式分析仪器中，也可用于其他应用中。例如，光谱仪可用于台式分析仪、望远镜、电信设备等等。

动态波长校准

在一种实施方式中，每行传感器1104和1108包括大约4096个像素；然而，在其他实施方式中，可使用其他数量的像素。包括比需要成像光谱所需的像素更多的像素的传感器会带来好处。图22是传感器2200和射到传感器2200上的光谱2202的立体示意图。传感器2200包含一行(2204)传感器像素，例如像素2206、2208和2210。如果像素2204行仅仅够宽以捕捉分析目标的光谱，然后当传感器安装在光谱仪上时，传感器2200(或另一组件，如光栅)的位置可能需要仔细的调整，以使得整个光谱被成像(如射在像素2204的行上的整个图像)。

然而，如果像素2204的行比光谱2202长且宽(如图22所示)，传感器2200可在较低定位精度的情况下安装，只要整个光谱2202落在像素2204的行的某处即可。实质上，增加的像素(如超出成像整个光谱2202所需的像素数量的那部分像素数量)提供了公差，可在该公差范围内安装传感器2200。一旦安装了传感器2200，传感器2200或所述处理器(未示出)可确定哪些像素被光谱照亮，并且如果需要，可指定像素数量或光谱2202的一端开始的像素的地址。如果光谱2202在传感器2200上移动位置，如光谱2212所示，由于(例如)光谱仪组件或仪器内部的其他位置的热膨胀或收缩，传感器2200或所述处理器可通过重新编号像素或读取来自不同像素集(对应于光谱2212移动的位置)的数据补偿。

在一种实施方式中，光学***和传感器按如下方式配置：传感器探测从大约246.9nm延伸到大约410nm的一阶光谱，且传感器探测从大约170nm延伸到246.9nm的二阶光谱。在这两个光谱之间应该有一些重叠部分(如246.9nm)。

像素2204的行可以是通过测试具有已知成分的样本并使光谱中期望谱峰与经历相应的高照明值的像素联系起来波长校准的，如像素可以与波长关联。在一种实施方式中，所述处理器通过使观测到的光谱特征与存储的特征原型集中的一个匹配来自动地波长校准像素2204的行。实质上，所述处理器将观测到的特征的格局与已知格局相匹配。

格局可包括波峰、波谷或其他光谱特点之间相对间距以及波峰、波谷等的相对高度。例如，图23示出了一种已知的光谱。该光谱包含清晰的对应不同元素的波峰。一个或多个存储的特征原型存储在所述处理器可访问的存储器中。特征原型不需要包括关于物质的整个光谱的信息，该原型可包括仅仅关于选择的波峰的信息，等等。

原型可基于期望样本中的期望的“基体”元素，这是因为这些元素可能会在每个样本暴露中具有强烈的表现。例如，对于钢铁样本而言，可使用包括关于元素铁(Fe)的信息的原型，对于铝合金而言，可使用包含关于元素铝(A1)的信息的原型。

在仪器执行读取操作后，所述处理器搜索由传感器提供的数据以匹配一个或多个存储的原型。应该注意的是来自传感器的数据可包括增加的物质的标记，所述增加的物质被包括在测试样本中但并不存在于原型中。所述原型可按如下方式选择：使得原型的格局在样本中的其他可能的材料之间容易被探测到。对于初始波长校准，已知的标准可作为样本。

一旦所述处理器识别到原型格局与观测到的数据匹配，所述处理器将一个或多个像素与和原型数据一起存储的相应波长关联，其中，原型的一个或多个特征被观测到。在一种实施方式中，所述处理器根据观测到的和匹配的特征将波长或波长范围与一个像素关联，并基于期望的线性光谱色散(该线性光谱色散基于光谱仪的几何设计)将其他波长或范围指定给其他像素。

在另一种实施方式中，如上所述，所述处理器将波长或范围与一个像素关联，并基于观测到的和匹配的特征之间的相对间距计算在传感器上观测到的实际线性光谱色散，并基于计算的线性光谱色散将波长或范围与其他像素关联。

波长校准可创建像素编号和波长之间的映射。色散不一定在探测器的长度上恒定。因此，识别更多的波峰允许使用更高阶的映射功能。例如，识别一个波峰允许0阶“移动”校正，识别两个波峰允许1阶线性校正，等等。

图24是描述自动波长校准的流程图。在步骤2400，执行读取操作(例如来自样本的光谱射到传感器上)，且处理器读取至少一些传感器。在步骤2402，执行搜索观测到的光谱和存储的光谱特征格局，以找出与观测到的光谱的至少一部分匹配的格局。在步骤2404，波长或波长范围(在本文中，以下统称为波长)与一个像素(如传感器阵列的第一像素)关联，这种关联是基于位于第一观测到的光谱特征(如匹配的原型之中的特征)的中心位置的第二像素和关于光谱特征格局的信息(如波长)之间的对应关系。这种信息可存储在存储器中。

在一种实施方式中，其他波长基于期望线性光谱色散被分配给其他像素，该线性光谱色散基于光谱仪的几何设计。

在另一种实施方式中，在步骤2406，基于下列信息计算传感器上的线性光谱色散：位于第二观测到的光谱特征的中心位置的另一个像素和关于第二光谱特征的信息(如波长)之间的对应关系，在观测到的特征中心的两个像素之间的像素的数目(或距离)。在步骤2408，波长与其他像素关联，这种关联是基于与在步骤2404中与像素关联的波长和计算出的线性光谱色散。

步骤2404和2406的操作可共同将波长与传感器的全部像素关联。另一方面，这些操作可只将波长与一部分像素关联。在那种情况下，如步骤2410所示，可对其他像素群组重复必要的操作。

因此，公开的仪器可以更容易地组装并随后调校，而不需要对传感器进行高精度的位置校准。此外，根据观测到的光谱特征，仪器可在下列情况下维持其精度：时间的推移、温度诱导的尺寸变化、游离火花源的瑕疵图像、机械振动、物理冲击和由动态波长校准自身所引起的类似情况。这种波长自校准可在每个样本运行时、运行一定次数后、其他自动确定的时间(如在火花之间、在加速计探测到物理冲击之后或仪器内的电热调节器改变温度时)或为了响应用户输入的命令而自动地执行。

衍射光栅底座组件

图13示出了衍射光栅组件1300的分解图。在衍射光栅组件1300中，衍射光栅910位于压缩环1301和衍射光栅底座1302之间。紧随光栅910之后的是薄(大约1/32英寸厚)弹性垫1304，该弹性垫1304可由软木或另一种合适的材料制成。光栅加压板1306被布置在弹性垫1304和衍射光栅底座1302之间。压缩环1301、加压板1306和衍射光栅底座1302优选地由与光谱仪204的盒900的材料相同的材料制成。压缩环1301通过两个螺丝(其中之一示为1307)附着在衍射光栅底座1302上，这两个螺丝通过压缩环1301的洞1308和1310并***衍射光栅底座1302上的相应洞(其中之一示为1312)中。压缩环1301沿衍射光栅910的周界施加均匀压力，弹性垫1304使得衍射光栅910能免随着温度变化而膨胀和收缩，而不会扭曲衍射光栅910。

如图14所示，衍射光栅组件1300安装在衍射外壳900上。调整螺丝1400和1402可用于倾斜衍射光栅组件1300。壳体900的底部上的阱1404提供用于压缩环1301的底部的间隙。优选地，衍射光栅910从正常状态向后朝着壳体900的底部倾斜大约4°。来自棱镜902的光以向上的角度射到衍射光栅910。向后倾斜衍射光栅910导致色散的光沿着大体上平行于壳体900的底部的路径射到传感器912上。

测试仪器对齐

可能有必要对齐测试仪器100的镜片。镜202可利用图15所示的设置对齐。反电极104被从测试仪器100中移除，填块1500可从鼻部102的后部***以临时取代反电极组件。管状遮挡物1502(如图15的***图中的前视图和俯视图所示)***鼻部102前部的开口。紫外(UV)光源1504***鼻部102前部的开口并***遮挡物1502，使得大约4mm长的UV光源1504暴露在鼻部102前部的开口内。管状遮挡物150的大小适应于UV光源1504的外直径和鼻部102前部的开口的内直径。增加的防护层1506可用于尽可能减少UV泄漏。镜202然后被调整以尽可能地放大到达光谱仪204(未示出)的信号1508。

可选地或此外，可将可见的或不可见的激光束引入光谱仪204，且位于传感器912附近并通过光谱仪204将其向后投射到火花隙。光谱仪204的壳体900中可具有一个口(未示出)以方便引入激光束。可直到在鼻部102前部的开口处(期望在此处产生分析发射)探测到激光束才调整光谱仪204和镜的光学组件。可基于激光束的波长计算激光束通过光谱仪的期望路径。应该注意的是，激光束朝着衍射光栅910的路径可与由衍射光栅910色散的朝向探测器912的一些波长的光信号所通过的路径不一致，这是由于激光束的波长和衍射光栅910以这个波长上反射光的角度所致。因此，传感器912可除去将激光束引入光谱仪204的口。

进一步的对齐可通过在鼻部102前部的开口处(沿光路向回)将激光束反射到光谱仪204。可选地或此外，可在鼻部102前部的开口处引入激光束并将该激光束沿着光路导向光谱仪204。

图16是流程图，描述了分析样本成分的过程。在步骤1600，创建样本待分析的一部分所处的环境。创建这种环境可包括清除样本待分析的那部分的空气。可使用惰性气体(如氩)来清除空气。

在步骤1602，激发样本的一部分。可利用电火花/弧、激光、辉光放电或另一种合适的机制来激发样本。如果使用电火花/弧，在反电极和样本之间会产生火花隙。反电极和样本电连接至火花源，该火花源产生具有合适波形的适当电位。反电极和样本之间的电位差击穿分析间隙中的气体，并将样本的一部分侵蚀到分析间隙。电位可降低而电流可增加以电离分析间隙中的样本材料。电离的样本材料发射光信号。

在步骤1604，收集光信号。光信号经由光路发射到光谱仪。在步骤1606，光信号被波长色散。光信号可以是交叉色散的。在步骤1608，色散的光信号的强度以目标的波长被测量。可使用一个或多个传感器阵列测量色散的光信号的强度。如果光信号是交叉色散的，传感器的一个集可布置在与传感器的其他集有一段距离的位置，这取决于交叉色散的量。在步骤1610，强度测量值被处理以确定样本的成分。处理可通过处理器执行存储在存储器中的指令来执行。对于一系列的测量，可重复处理的过程，如步骤1612所示。可以将来自一系列测量的数据平均和/或激发的参数(1602)可对和重复过程中的每一次都不同。

图17是测试仪器100的主要组件的框图。用于处理器1700的指令和光谱特征原型可存储在存储器1702中。样本的分析结果也可存储在存储器1702中，并在触摸屏110上展示和/或通过有线或无线数据端口1704提供给外部设备。此外，存储器1702可存储已知材料(如合金)的成分表格以将其与测试样本的成分相比较，这种比较的结果可以显示在屏110上和/或通过端口1704提供。

参考图1，当测试仪器100在大多数方向时，触摸屏110是可读的。然而，在一些情况下，触摸屏可能难以读取。在一些OES、X射线荧光(XRF)或其他手持的、自容式测试仪器中可使用铰合的(上仰)屏幕。这种上仰的屏幕的一种实施在图18中以1800示出。使用灵活的带状电缆和其他合适的软线将屏幕1800连接到测试仪器100内的处理器或其他电路。

尽管描述了具有大约170nm到大约410nm的波长范围的光谱仪，但根据本发明的光谱仪可具有其他波长。

本文描述了一种手持的、自容式的电池供电的测试仪器，该测试仪器包括由存储在存储器中的指令控制的处理器。存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)，闪存或任何其他适于存储控制软件或其他指令和数据的存储器(或这些存储器的组合)。由所述测试仪器执行的一些功能已经参考流程图进了描述。本领域技术人员应该容易领会到：流程图中的每个块的全部或一部分或块的组合的功能、运行、判断等可由计算机程序指令、软件、硬件、固件或这些的结合来实施。本领域技术人员还应该容易领会到定义了本发明的功能的指令和程序可以以任何形式发送给处理器，这些形式包括但不限于：永久存储在不可写入的存储介质(如计算机内的只读存储设备，如ROM或由计算机I/O附件可读的设备，如CD-ROM或DVD光盘)的信息、可改动地存储在写入式存储介质中(如软盘、移动闪存和硬盘驱动器)的信息或者通过传输介质传送给计算机的信息，所述传输介质包括有线或无线计算机网络。此外，当本发明可以以软件的方式实施时，实施本发明的所必要的功能可以可选地部分或全部概括使用固件和/或硬件组件实现，所述固件和/或硬件组件例如组合逻辑、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他硬件或硬件、软件和/或固件组件的一些组合。

虽然通过上述的示例性实施方式描述了本发明，但本领域一般技术人员应该理解可在不脱离本文所公开的本发明的概念的情况下对描述的实施方式进行修饰、改变。此外，公开的方面，或这些方面中的部分可以上述未列出的方式结合。例如，上述的光谱仪可用于其他情况，如地球内或外天文学，包括结合望远镜和卫星使用，或者在望远镜和卫星内部使用。因此，本发明不应该被视为限制性的。

Claims (44)

1、一种用于分析样本的一部分的成分的分析仪，包括：

手持的、自容式测试仪器，该仪器包括：

用于激发所述样本的一部分的激发器，所述激发产生光信号；

布置在手持式仪器的内第一色散元件，用于接收所述光信号并创建在第一平面内色散的中间光信号；

布置在所述手持式仪器内的第二色散元件，用于色散所述中间光信号，从而将第一分辨光学阶置于相应的第一复数个探测器元件上，并将第二分辨光学阶置于相应的第二复数个探测器元件上；

处理器，该处理器连接并用于接收来自第一和第二复数个探测器元件的信号并被编程以处理所述信号；及

为所述激发器和所述处理器供电的电池。

2、如权利要求1所述的分析仪，其中，置于相应的复数个探测器元件上的所述光学阶中的至少一个延伸至波长小于大约193nm。

3、如权利要求1所述的分析仪，其中，置于相应的复数个探测器元件上的所述光学阶中的至少一个延伸至波长小于大约178nm。

4、如权利要求1所述的分析仪，其中，置于相应的复数个探测器元件上的所述光学阶中的至少一个延伸至波长至少与大约170nm一样短。

5、如权利要求1所述的分析仪，其中，每组复数个探测器元件被配置为接收置于复数个探测器元件上的分辨光学阶的连续光谱范围。

6、如权利要求5所述的分析仪，其中，置于第一和第二复数个探测器元件上的光谱范围共同至少延伸到大约178nm至大约400nm。

7、如权利要求1所述的分析仪，进一步包括界定孔的结构，所述中间光信号通过该孔。

8、如权利要求7所述的分析仪，其中，所述光信号聚焦在所述结构上。

9、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述激发器包括：

电极，用于保持相对于所述样本的一部分的电位差；及

电压提供装置，用于产生所述电极上的相对于所述样本的一部分的所述电位差。

10、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述激发器包括激光。

11、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述第一色散元件包括交叉色散棱镜。

12、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述第二色散元件包括衍射光栅。

13、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述第二色散元件包括全息衍射光栅，用于在第一和第二分辨光学阶中提供可比效率。

14、如权利要求1所述的分析仪，其中，

第一复数个探测器元件与第二复数个探测器元件不共平面；及

所述测试仪器还包括位于第一和第二分辨光学阶之一的光路上的镜，该镜位于第二色散元件和相应的复数个探测器元件之间。

15、如权利要求1所述的分析仪，其中，第一和第二色散元件及第一和第二复数个探测器元件固定连接到碳填充聚合物结构件上。

16、如权利要求15所述的分析仪，其中，所述碳填充聚合物包括石墨填充的聚亚苯基硫化物。

17、如权利要求15所述的分析仪，其中，所述碳填充聚合物包括由至少约40％石墨填充的聚亚苯基硫化物。

18、如权利要求1所述的分析仪，其中，所述处理器被编程以基于观测到的光谱特征进行自动波长校准。

19、如权利要求1所述的分析仪，其中，第二色散元件提供至少大约5000的分辨能力。

20、如权利要求1所述的分析仪，其中，第二色散元件提供至少大约10000的分辨能力。

21、如权利要求1所述的分析仪，进一步包括连接至所述处理器的显示屏。

22、如权利要求1所述的分析仪，进一步包括连接至所述处理器的铰合的显示屏。

23、一种用于分析样本的一部分的成分的分析仪，包括：

手持的、自容式测试仪器，该仪器包括：

用于激发所述样本的一部分的激发器，所述激发产生光信号；

至少具有从大约178nm延伸到大约400nm的光谱范围的光谱仪，该光谱仪布置在所述分析仪内以接收所述光信号并运行以色散所述光信号，并且根据色散的光信号产生输出信号；

处理器，该处理器连接到所述光谱仪并被编程以处理所述输出信号；及

为所述激发器、所述光谱仪和所述处理器供电的电池。

24、如权利要求23所述的分析仪，其中，所述光谱仪包括像素化的传感器，并且所述光谱仪在大约190nm时具有至少大约0.02nm每像素的分辨率。

25、如权利要求23所述的分析仪，所述光谱仪包括：

在至少两个不同阶中具有可比效率的全息衍射光栅；及

传感器，所述传感器被布置用于接收来自所述光栅的两阶色散光信号。

26、如权利要求25所述的分析仪，其中，所述光谱仪是交叉色散的。

27、如权利要求23所述的分析仪，其中，所述光谱仪包括结构件，该结构件包括碳填充聚合物，所述光谱仪的光学元件安装在所述碳填充聚合物上。

28、如权利要求23所述的分析仪，其中，所述处理器被编程以自动地根据观测的光谱特征波长校准所述光谱仪。

29、一种用于分析样本的一部分的成分的方法，包括：

激发所述样本的一部分，并因此产生光信号；

根据所述光信号生成光谱；

将第一预定光谱特征与所述光谱的至少一部分匹配；

基于所述第一预定光谱特征中相对于像素的位置，将波长与所述像素关联；

分析所述光谱以确定所述样本的一部分中的至少一种组分。

30、如权利要求29所述的方法，进一步包括基于像素集的期望线性光谱色散将波长与其他像素关联。

31、如权利要求29所述的方法，进一步包括：

将第二预定光谱特征与所述光谱的至少一部分匹配；及

基于所述第二预定光谱特征的相对于所述第一预定光谱特征位置的位置，将波长与其他像素关联。

32、一种用于安装光学元件的方法，包括：

提供包括碳填充聚合物的光学底座；及

将所述光学元件附加在所述光学底座上。

33、如权利要求32所述的方法，其中，所述碳填充聚合物包括石墨填充的聚亚苯基硫化物。

34、如权利要求32所述的方法，其中，所述碳填充聚合物包括由至少约40％碳填充的聚亚苯基硫化物。

35、如权利要求32所述的方法，其中所述光学元件包括透镜。

36、如权利要求32所述的方法，其中，所述光学元件包括光学分级器。

37、如权利要求32所述的方法，其中，所述光学元件包括衍射光栅。

38、如权利要求32所述的方法，其中，所述光学元件包括棱镜。

39、如权利要求32所述的方法，其中，所述光学元件包括镜。

40、如权利要求32所述的方法，其中，所述光学元件包括遮挡物。

41、一种光谱仪，包括：

碳填充聚合物结构件；

安装在所述结构件上的光色散元件；及

传感器，所述传感器安装在所述结构件上并被定向为接收来自所述光色散元件的色散光。

42、如权利要求41所述的光谱仪，其中，所述碳填充聚合物包括由至少约40％碳填充的聚亚苯基硫化物。

43、如权利要求41所述的光谱仪，进一步包括：

输入；及

布置在所述输入和所述光色散元件之间的分级器。

44、如权利要求43所述的光谱仪，进一步包括界定孔的结构，该孔被布置在所述分级器和所述光色散元件之间。

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