CN101526397B - 一种光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及进行光谱分析的光谱仪，尤其涉及基于F-P标准具时序分光的光谱仪。本发明的光谱仪包括准直器、可调滤波器、探测器、控制采集系统和驱动系统，被测光通过准直器入射到可调滤波器上，由驱动系统驱动可调滤波器，使可调滤波器的透过波长时序地变化，从而使带检测光中的不同波长的光成分依次透过可调滤波器，最终照射到探测器上，探测器可以检测光信号，并转换为电信号反馈到控制采集系统。同时通过采用多腔的F-P标准具来制作可调滤波器，还可以满足较大范围内的光谱测量要求。本发明采用如上技术方案，具有结构简单合理的优点，不仅简化光路，且提高光谱分辨率。

Description

一种光谱仪
技术领域
本发明涉及进行光谱分析的光谱仪，尤其涉及基于F-P标准具时序分光的光谱仪。
背景技术
光谱仪是把成分复杂的光中分解开来后分别探测各成分的仪器。光谱仪有很多类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按照色散元件的不同，光谱仪可以分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪。另外，光谱仪与其它一些技术结合，还有拉曼光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪等。使用光谱仪，可以用来进行许多方面的研究和检测，比如物质分析就是目前常见的用途。
目前，光谱仪最常见的设计是使用光栅光谱仪，使用这种结构的光谱仪的优点在于光谱范围宽，而主要问题是结构较复杂、成本较高和易受环境影响。
发明内容
针对上述问题，本发明基于F-P(Fabry-Perot/法布里-珀罗)标准具的干涉滤波原理，提出了一种使用电光陶瓷F-P标准具的时序分光的光谱仪。本发明的技术方案是：
本发明的光谱仪包括准直器、可调滤波器、探测器、控制采集系统和驱动系统，被测光通过准直器入射到可调滤波器上，由驱动系统驱动可调滤波器，使可调滤波器的透过波长时序地变化，从而使带检测光中的不同波长的光成分依次透过可调滤波器，最终照射到探测器上，探测器可以检测光信号，并转换为电信号反馈到控制采集系统。
进一步的，所述的可调滤波器是镀有高反膜和导电膜的电光陶瓷的F-P标准具构成的可调滤波器。
更进一步的，通过所述的驱动系统驱动改变所述的导电膜的电压来改变电光陶瓷的折射率，使可调滤波器的透过波长时序地变化。
进一步的，所述的可调滤波器可以使用单腔的F-P标准具构成。或所述的可调滤波器可以使用多腔的F-P标准具构成。
本发明采用如上技术方案，具有结构简单合理的优点，不仅简化光路，且提高光谱分辨率。
附图说明
图1是本发明的光谱仪的原理框图；
图2是单腔的F-P标准具滤波器的结构示意图；
图3是双腔的F-P标准具滤波器的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的技术方案是使待检测光准直入射到由电光陶瓷F-P标准具组成的可调滤波器上，由驱动系统驱动可调滤波器，使滤波器的透过波长时序地变化，从而使带检测光中的不同波长的光成分依次透过滤波器，最终照射到探测器上。探测器可以检测光信号，并转换为电信号反馈到控制采集系统。把光信号和对应的波长综合起来，就得到了带检测光的光谱。
本发明的关键是电光陶瓷，电光陶瓷的电光响应速度快(可以达到亚微秒两级)，电光系数打，损耗小。由于电光效应，电光陶瓷的折射率可以随加在陶瓷上的电场一同变化。在一片电光陶瓷的两面镀上高反膜，就可以构成一个F-P标准具，这个标准具的透过光波长由陶瓷的折射率和厚度等参数一同决定，是周期出现的一系列的波长。在这样的标准具的两端再各镀上一层导电膜，并将这两层膜连接到电压驱动器的正负极上，就可以构成一个可调滤波器。使用电压驱动器来改变电光陶瓷上的电场时，电光陶瓷的折射率随之改变，从而标准具的透过光波长也会随之改变，实现可调滤波。使用标准具来进行滤波的优点主要在于透过率曲线中各个透过波长峰的线宽非常窄，使用这样的滤波器来制作的光谱仪的分辨率可以达到非常高。
使用这样的一个F-P滤波器有一个缺点就是波长范围不够宽，大概只有几十个纳米。这样的范围如果用在光通信领域是足够的，但是如果用在其它的一些领域可能就不够了，比如常见的可见光波段的光谱仪光谱范围通常都有几百个纳米。要满足这么大的光谱范围，使用单腔的F-P滤波器就不够了，就需要使用多腔的滤波器。多腔的F-P滤波器有多个以上描述的单腔滤波器组成，并且这多个单腔滤波器的透过波长出现的周期各不相同，使得多腔滤波器的综合透过波长的周期为这几个单腔滤波器的周期的最小公倍数，从而达到几百纳米甚至更高范围的光谱测量。
参阅图1所示，待检测光106进入光谱仪100后，首先进入准直器101变成准直光107。控制采集系统104控制驱动系统105对可调滤波器102进行控制，改变可调滤波器102的透过波长。准直光107在经过可调滤波器102之后，只有与可调滤波器102的透过波长相同波长的光108才能透过。透过可调滤波器102的光108入射到探测器103上，探测器103将光信号转换为电信号反馈到控制采集系统104。当控制采集系统104通过驱动系统105控制可调滤波器102的透过波长在一定波段范围内扫描时，控制采集系统104就可以依次检测得到待检测光106中各波长的光信号。把全范围内的光信号与波长综合起来，就得到了带检测光的光谱。
如图2所示的为单腔F-P标准具滤波器200的结构示意图，其中201为两面都有高反膜的电光陶瓷F-P标准具，202和203为导电膜。当两层导电膜202和203上加上不同的电压时，电光陶瓷片201中的电场也会发生变化，其折射率也会随之变化，这样就可以改变通过该滤波器200的透过光波长。一束包含多种波长(这些波长的范围应小于滤波器200的透过波长周期)的准直复合光204入射到滤波器200上时，只有波长与滤波器200的透过光波长相同的光成分205才能透过。当电光陶瓷片201中的电场被控制时序地发生变化时，滤波器200的透过光波长也会时序地发生变化，因此可以达到把入射光204时序分光的效果。
如图3所示为双腔F-P标准具滤波器300的结构示意图，其中双腔F-P标准具滤波器300包含两个单腔F-P标准具滤波器301和302，单腔F-P标准具滤波器301和302应具有不同的透过波长周期。当一束包含多种波长的准直复合光303(这些波长的范围应小于两个单腔滤波器301和302的透过波长周期的最小公倍数)入射到双腔滤波器300时，首先由单腔滤波器301进行滤波，一级透射光304中可能会包含多个波长的光成分。一级透射光304接下来入射到单腔滤波器302，由于两个单腔滤波器301和302的透射波长周期不同，因此可以控制单腔滤波器302使一级透射光304中的多个波长只有一个可以透射，即二级透射光305。如果通过对这两个单腔滤波器301和302的电场进行控制，就可以实现在一个很大波长范围内的时序分光。
如果使用三腔或更多腔的F-P标准具滤波器，还可以达到更大的波长范围的时序分光。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光谱仪，其特征在于：包括准直器、可调滤波器、探测器、控制采集系统和驱动系统，被测光通过准直器入射到可调滤波器上，由驱动系统驱动可调滤波器，使可调滤波器的透过波长时序地变化，从而使带检测光中的不同波长的光成分依次透过可调滤波器，最终照射到探测器上，探测器可以检测光信号，并转换为电信号反馈到控制采集系统。
2.如权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：所述的可调滤波器是镀有高反膜和导电膜的电光陶瓷的F-P标准具构成的可调滤波器。
3.如权利要求2所述的光谱仪，其特征在于：通过所述的驱动系统驱动改变所述的导电膜的电压来改变电光陶瓷的折射率，使可调滤波器的透过波长时序地变化。
4.如权利要求1或2或3所述的光谱仪，其特征在于：所述的可调滤波器使用单腔的F-P标准具构成。
5.如权利要求1或2或3所述的光谱仪，其特征在于：所述的可调滤波器使用多腔的F-P标准具构成。
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