CN101858785A - 用于提高微型光谱仪光谱质量的装置 - Google Patents

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朱大洲
陈立平
王成
毕昆
黄文江
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Abstract

本发明公开了一种用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，包括：黑盒，用于保护其内器件并构造暗室环境；光窗，其位于所述黑盒的前端并将所述黑盒密封；线性渐变滤光片，其被封装在所述黑盒内并置于所述光窗之后，用于过滤其带宽范围之外的光；检测器模块，其被封装在所述黑盒内并置于所述线性渐变滤光片之后，用于对耦合入其内的光进行图像采集。通过使用本发明的装置，可以改善微型光谱仪的分辨率和信噪比。

Description

用于提高微型光谱仪光谱质量的装置
技术领域
本发明涉及微型光谱仪领域，尤其涉及一种用于提高微型光谱仪光谱质量的装置。
背景技术
现代科学仪器微型化已经成为一种潮流，越来越来多的厂商致力于在不太影响原仪器测量精度、某些特殊应用场合的前提下推出各种微型便携的科学仪器，现代光谱仪也正紧随着微型化的潮流，市场上各种微型便携式光谱仪层出不穷，不同的厂商应用不同的技术手段制造微型光谱仪，采用光栅分光的光谱仪，为了缩小系统体积普遍使用对称式Czerny-Turner光学平台设计，这种分辨率一般低于20nm，但其受限于光学结构的影响，普遍存在较大的几何像差，信噪比不高。微型光谱仪也可以使用其他新型色散元件，例如微反射阵列(DMD)、声光可调(AOTF)等作为系统分光元件。这类新型分光元件，光学结构有别于基于光栅、棱镜分光的光谱仪，因此整体体积更为小巧，稳定性好，但其光谱分辨能力、信噪比相比于光栅分光的微型光谱仪没有实质性的提高。如使用声光可调(AOTF)分光系统的微型光谱仪，其光学结构简单，扫描速度快，无运动部件，信噪比较高，但其光学分辨率不高，一般为32nm。
目前为了改善微型光谱仪的信噪比和分辨率，一般采用两种方法：一种采用对现有光学系统进行重新设计，重新对像差等影响系统分辨率、信噪比的相关因素进行优化。另一种方法是采用对获取的光谱数据通过软件进行处理，以去除噪声，从而提高光谱的信噪比。
采用对现有光学系统进行重新设计、优化的方法，这种方法需要有经验的专业人士进行优化，成本高，并且效果不够稳定。采用软件处理提高信噪比的方法，可能会使某些有用的信息以噪声的形式被去除掉，尤其针对微弱信号的检测，软件处理方式的缺点明显。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是如何提高微型光谱仪的信噪比以及分辨率，保持微型光谱仪的小巧结构并且成本低。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提出了一种用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，包括：
黑盒，用于保护其内器件并购造暗室环境；
光窗，位于所述黑盒的前端并将所述黑盒密封；
线性渐变滤光片，封装在所述黑盒内并设置于所述光窗之后，用于过滤其带宽范围之外的光；
检测器模块，封装在所述黑盒内并设置于所述滤光片之后，用于将进入其内的经过过滤的光转换为电信号。
其中，在所述滤光片和所述检测器模块之间还设置有光纤面板，用于将从所述滤光片输出的光耦合入所述检测器模块。
其中，所述光纤面板的一个端面与所述滤光片的有效滤光区域光学胶合。
其中，所述有效滤光区域的形状与所述光纤面板与其胶合的端面形状相同。
其中，所述光纤面板的另一个端面与所述检测器模块的窗口光学胶合。
其中，所述光纤面板的另一个端面与所述检测器模块的窗口的形状相同。
其中，所述滤光片的带宽范围在所述检测器模块的响应范围之内。
其中，所述检测器模块包括检测器。
其中，所述检测器为CCD阵列探测器、PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像探测器阵列或InGaAs线性成像探测器阵列中的任意一种。
其中，所述用于提高微型光谱仪光谱质量的装置设置于所述光谱仪中的光栅和电信号处理模块之间。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：通过使用线性渐变滤光片以及光纤面板，改善了微型光谱仪的分辨率和信噪比，通过将线性渐变滤光片以及光纤面板光学胶合在一起，基本保持了微型光谱仪的微型体积，并且该装置简便，易于操作，还可用于其它需要图像增强的光电系统。
附图说明
图1为本发明的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置的示意图。
图2为在微型光谱仪中使用本发明的提高微型光谱仪光谱质量的装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
针对目前普遍使用的采用光栅分光的微型光谱仪，本发明提供了一种提高微型光谱仪的光谱质量的装置10，如图1所示，其包括一个黑盒1、线性渐变滤光片(LVF，linear viarable filter)2、光纤面板3、检测器模块4以及光窗5。
本发明的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置10的工作原理是：如图1和2所示，经微型光谱仪20的光栅7分光后并被准直的光束6通过黑盒1的光窗5，入射到LVF2，经过LVF滤波后的光束再输入光纤面板3，光纤面板3将光精确耦合入检测器模块4后，在检测器模块4上实现精确的曝光。
其中，黑盒1用于封装LVF2、光纤面板3以及检测器模块4，黑盒1的主要作用是去除杂散背景光，其优选采用对温度不太敏感的材料，并且内表面做涂黑处理，起类似暗室的作用，可以阻挡外部过多的杂散光进入检测器模块4上，经过涂黑处理后黑盒1还可吸收由LVF2、光纤面板3等表面反射回来的光，即消除那喀索斯效应(Narcissuseffect)，避免此类光通过盒壁多次反射后进入检测器模块4进行曝光。
LVF2是一种线性渐变效果的带通滤光片，根据其光谱范围的需要，通过在玻璃基底镀膜(在本发明的实施例中LVF采用JDSULVF400700-3A，实现了其光谱范围内的一定波长通过的线性带通滤光，在其波段范围(该波段范围至少在检测器所响应的范围之内)的波长可以顺利通过LVF，而其它波长的光谱经过LVF2时便会截止，LVF2主要起着滤光的作用，其过滤掉检测器件不需要曝光波长的杂散光，减少系统干扰，提高信噪比。本发明的实施例采用LVF2的波长范围为：400-700nm，波长斜率为30nm/mm、FWHM＜2％。
与LVF2的有效滤波区域光学胶合在一起的光纤面板3，由数千万根直径1-6um的单模光纤规则排列后经过加温、加压融合而成，具有光学上的零厚度(也就是，光学损耗和光学色散为零)，高收集光的能力、高分辨率、可以高保真的传送光束，LVF2的有效滤波区域和与其胶合的光纤面板3的端面相同，从而可以将LVF2输出的非平行光高效耦合入检测器模块，其主要作用是改善系统的光照均匀性并增强像质，在本发明的实施例中LVF2与光纤面板的胶合厚度为1-5毫米。
光纤面板3的另一个端面与检测器模块4的窗口光学胶合，光纤面板3的单模光纤应选取合适的数值孔径(NA＞1)等参数并且光纤面板3的端面应与检测器件模块的窗口具有相同的外形尺寸，确保光纤面板能精确将光耦合入检测器模块，从而提高光的利用率。本发明的实施例采用数值孔径＞1.0、热膨胀系数(20-300℃)α＝(89±2)×10-7/℃、真空气密性：≤1.33×10-11Pa·m3·He/s、剪切畸变：≤30μm、像畸变：≤40μm、像位移：≤100μm的长条形光纤面板；
与光纤面板3光学胶合在一起的检测器模块4，包括检测器及其相关的驱动电路。检测器可以为CCD阵列探测器、PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像探测器阵列以及InGaAs线性成像探测器阵列，该模块主要的作用是将从光纤面板耦合入的光信号转换成电信号，以将该电信号输入微型光谱仪中的电信号处理模块，从而进行后期处理，可以根据实际用途选择不同类型、不同波长响应范围的探测器，本发明的实施例采用Hamastu公司生产的S8377-256Q线阵CMOS探测器。
光纤面板将LVF2输出的光束精确耦合到检测器模块4上，实现精确曝光，并最大限度减少外界杂散光的影响，提高了检测器模块4对分光后不同波长的光曝光的准确性，提高了被照明区域光照度的均匀性，避免了被照明区域边界照明不足的现象，提高了光谱仪的信噪比。
LVF2、光纤面板3、检测器模块4之间的组合，全部采用光学胶合工艺，直接将LVF和光纤面板以及检测器进行光学胶合，胶合后三个部分形成一个整体，有利于系统的稳定性。
光窗5，由一块光学玻璃组成，其主要作用是保护黑盒内部器件，并根据需要过掉一些外部杂散光。本发明的实施例采用玻璃材质并镀增透膜、在检测器模块4的波长响应范围内具有高的透射率，而该波长响应之外的波长被截止。
所述光窗5与黑盒1之间的装配，也采用胶合工艺，边界非透光部分做涂黑处理。
如图2所示，在本发明中，该用于提高微型光谱仪光谱质量的装置10设置于微型光谱仪20中的光栅7和电信号处理模块(未示出)之间，将光栅输出的光进行滤光，并高效耦合入检测器模块，从而使检测器模块可以接收更有效的光信号，并将其转换成电信号，以输出到电信号处理模块中，从而提高了微型光谱仪的图像分辨率以及信噪比。
本领域的技术人员应理解的是：本发明提供的用于提高微型光谱仪的光谱质量的装置，除可用于微型光谱仪外，还可用于其它需要图像增强的光电系统。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，包括：
黑盒，用于保护其内器件并构造暗室环境；
光窗，位于所述黑盒的前端并将所述黑盒密封；
线性渐变滤光片，封装在所述黑盒内并设置于所述光窗之后，用于过滤其带宽范围之外的光；
检测器模块，封装在所述黑盒内并设置于所述滤光片之后，用于将进入其内的经过过滤的光转换为电信号。
2.如权利要求1所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，在所述滤光片和所述检测器模块之间还设置有光纤面板，用于将从所述滤光片输出的光耦合入所述检测器模块。
3.如权利要求2所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述光纤面板的一个端面与所述滤光片的有效滤光区域光学胶合。
4.如权利要求3所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述有效滤光区域的形状与所述光纤面板与其胶合的端面形状相同。
5.如权利要求3或4所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述光纤面板的另一个端面与所述检测器模块的窗口光学胶合。
6.如权利要求5所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述光纤面板的另一个端面与所述检测器模块的窗口的形状相同。
7.如权利要求6所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述滤光片的带宽范围在所述检测器模块的响应范围之内。
8.如权利要求1中所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述检测器模块包括检测器。
9.如权利要求8所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，所述检测器为CCD阵列探测器、PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像探测器阵列或InGaAs线性成像探测器阵列中的任意一种。
10.如权利要求1所述的用于提高微型光谱仪光谱质量的装置，其特征在于，其设置于所述光谱仪中的光栅和电信号处理模块之间。
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