CN102226717A - 紫外增强微型光纤光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外增强微型光纤光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光谱仪包含有：一SM905光纤接口6，一狭缝单元7；一光阑8，一准直反射镜11，一光栅9，一聚焦反射镜5，一CCD探测器3；所述准直反射镜11和聚焦反射镜5之间设置有挡光板10，所述狭缝单元7包含有石英基材，所述石英基材上镀有不透光的金属膜，所述金属膜光刻有一个5~100um宽的狭缝；所述光栅9为全息光栅，所述准直反射镜11、聚焦反射镜5和光栅9表面均镀有铝。本发明紫外增强微型光纤光谱仪，动态范围大，紫外响应效率和灵敏度高。

Description

紫外增强微型光纤光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其是涉及一种紫外增强微型光纤光谱仪，属于光电检测仪器领域。

背景技术

紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术之后发展起来的又一重要光电探测技术，已经广泛应用于军事、空间天文、环境检测、工业生产、医疗诊断等领域。紫外光谱分析是紫外探测技术中重要的分析手段，由于紫外光镜面反射能力和透射能力都很小，探测器件紫外响应效率低，从而造成了光谱仪系统对紫外光的敏感性很弱，需要复杂的处理电路完成信号调理和采集，这些都限制了紫外光谱仪器的广泛应用。

红外可见光纤光谱仪技术成熟，种类很多，在此基础上，人们已展开宽光谱响应、高分辨率和高灵敏度的紫外光谱仪的研究。在技术发达国家，已取得相当的成就，由于价格昂贵，主要应用于科研等高档设备中。国内也一直致力于寻找能够增强紫外响应的方法，提高光谱仪对紫外辐射的敏感性，如：通过改变探测器基材提高紫外响应效率等，紫外光谱仪性能有所提高，仍无法进行广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种动态范围大、紫外响应效率和灵敏度高的紫外增强微型光纤光谱仪。

本发明的目的是这样实现的：一种紫外增强微型光纤光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光谱仪包含有：一SM905光纤接口，通过光纤将光源的光束导入；一狭缝单元；一准直反射镜，对光束进行反射聚焦；一光栅，接收并使光束色散；一聚焦反射镜，对经光栅色散后的光束进行反射聚焦；一CCD探测器，对光束进行光电转换；

所述狭缝单元和准直反射镜之间设置有光阑；所述准直反射镜和聚焦反射镜之间设置有挡光板，所述狭缝单元包含有石英基材，所述石英基材上镀有不透光的金属膜，所述金属膜光刻有一个宽度为5~100um的狭缝；所述光栅为全息光栅，所述准直反射镜、聚焦反射镜和光栅表面均镀有铝；

所述光谱仪还包含有一前置放大电路，所述前置放大电路与CCD探测器相连；

所述光谱仪还包含有光学平台基座，所述光学平台基座上压置有一盖板，并构成一密闭腔体，所述SM905光纤接口穿接于该密闭腔体的侧壁上，所述狭缝单元、光阑、准直反射镜、光栅、聚焦反射镜、CCD探测器和前置放大电路均位于该密闭腔体内，所述密闭腔体内还设置有消杂散光板。

本发明一种紫外增强微型光纤光谱仪，所述光谱仪还包含有CCD信号处理装置，所述装置包含有USB微控制器，所述USB微控制器上连接有CPLD芯片、CCD视频信号处理芯片、RAM电路、电源切换电路和RS232\RS485电路，所述CCD视频信号处理芯片与前置放大电路相连，所述CPLD芯片与CCD探测器相连，所述USB微控制器可通过自带的USB接口或RS232\RS485电路与一上位机相连。

本发明一种紫外增强微型光纤光谱仪，所述USB微控制器的型号为CY7C68013-128，所述CPLD芯片的型号为ISPLSI1016-60，所述CCD视频信号处理芯片的型号为VSP3200Y。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将所述光学器件放置于密闭的光学平台基座内，免除了外界的影响，同时增加了光阑、挡光板和消杂散光板，改进了狭缝单元的构造，使得整个光学平台基座内杂散光小，进一步降低了背景噪声，提高了信噪比。

2、采用薄型背照式CCD面阵探测器，且反射镜和全息光栅表面镀有铝，使得探测波长延伸到180nm以外，分辨率可以达到0.05nm以下，并且具有极高的紫外量子效率和动态范围。

3、CCD信号处理装置采用CPLD芯片代替传统的单片机或IC电路产生时序脉冲，不但简化了电路，且提高了性能的稳定性，降低了功耗，丰富了通讯接口，使用更为方便；专用的CCD视频信号处理电路具有可编程增益、高速16位的A/D转换，提高了动态范围。

附图说明

图1为本发明紫外增强微型光纤光谱仪的结构示意图。

图2为本发明紫外增强微型光纤光谱仪CCD信号处理装置的结构示意图。

其中：

光学平台基座1、前置放大电路2、CCD探测器3、消杂散光板4、聚焦反射镜5、SM905光纤接口6、狭缝单元7、光阑8、光栅9、挡光板10、准直反射镜11、密封圈12。

具体实施方式

参见图1，本发明涉及的一种紫外增强微型光纤光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光谱仪包含有：一SM905光纤接口6，通过光纤将光源的光束导入；一狭缝单元7，对光束的通过量进行限制，所述狭缝单元7包含有石英基材，所述石英基材上镀有不透光的金属膜，所述金属膜光刻有一个狭缝，狭缝宽度减小可以提高光谱分辨率，但是光通量减小，信号强度减弱；狭缝宽度增大可以提高光通量，但是分辨率就会降低，根据光通量和分辨率综合需求，因此狭缝宽度选择为5~100um；一光阑8，限制光束中视场外杂散光进入内腔；一准直反射镜11，把入射的发散光束聚焦反射，所述准直反射镜为一凹面镜，把入射的发散光束汇聚输出，使出射光束到达光栅时，光束刚好覆盖光栅，否则，光束太大就超越光栅面积而造成光能量浪费；光束太小则光栅部分区域不能利用，即利用效率低，相当于光栅刻线数减少，影响光谱分辨率；一光栅9，所述光栅9为全息光栅，接收并使光束色散；一聚焦反射镜5，用于聚焦反射经光栅9色散后的光束，刚好覆盖CCD探测器有效面积，所述聚焦反射镜的结构与准直反射镜类似，同样为一凹面镜，；一CCD探测器3，用于对光束进行光电转换，所述CCD探测器3选用新型的薄型背照式2080x20象元的CCD面阵探测器S9840，每个垂直列中14个有效象元累加在一起以增加灵敏度并提高信噪比，具有高量子效率、高紫外灵敏度等特点；一前置放大电路2，用于提高CCD视频输出信号抗干扰能力；

所述准直反射镜11、聚焦反射镜5和光栅9，均采用K9玻璃为基材，镀膜表面先进行超精细研磨，再进行离子清洗，然后镀铝，该铝的纯度至少要达到ASTM F1594-1995（2003）标准中3N8级（即99.98%）以上，铝在可见和紫外波段均具有较高的反射率，铝膜与K9基材附着良好，环境稳定性好。

所述准直反射镜11和聚焦反射镜5之间设置有挡光板10，

所述光谱仪还包含有光学平台基座1，所述光学平台基座1上通过密封圈12压置有一盖板，并构成一密闭腔体，所述SM905光纤接口6穿接于该密闭腔体的侧壁上，所述狭缝单元7、光阑8、准直反射镜11、光栅9、聚焦反射镜5、CCD探测器3和前置放大电路2均位于该密闭腔体内，所述密闭腔体内还设置有消杂散光板4，所述挡光板10和消杂散光板4表面涂有吸光材料，且其结构采用非对称式的结构，其表面设有锯齿形边缘，使得到达挡光板和消杂散光板的光尽可能在锯齿形边缘之间多次反射或散射，降低输出强度，

设置挡光板10和消杂散光板4的目的在于：前级设置光阑后可以限制视场以外的光进入内腔，但内腔镜面污染、麻点、寄生反射或衍射等都会产生非定向的杂散光，需要设置光陷阱降低杂散光。

所述光谱仪还包含有CCD信号处理装置，所述装置包含有USB微控制器，所述USB微控制器上连接有CPLD芯片、CCD视频信号处理芯片、RAM电路、电源切换电路和RS232\RS485电路，所述CCD视频信号处理芯片与前置放大电路2相连，所述CPLD芯片与CCD探测器3相连，所述USB微控制器可通过自带的USB接口或RS232\RS485电路与一上位机相连；所述USB微控制器的型号为CY7C68013-128，所述CPLD芯片的型号为ISPLSI1016-60，所述CCD视频信号处理芯片的型号为VSP3200Y；

工作时：

光源的光束经光纤从SM905光纤接口6导入，经狭缝单元7、光阑8、准直反射镜11、光栅9和聚焦反射镜5由CCD探测器3接收，随后接收到的信号由CCD信号处理装置开始分析处理；

所述CCD信号处理装置采用CPLD（ISPLSI1016-60）产生CCD探测器驱动脉冲信号P1V、P1H、P2V、P2H和RG，CCD视频信号处理同步脉冲信号CK1、CK2和ADCCK,USB微控制器同步采集时钟信号DCLK；采用专用CCD视频信号处理芯片VSP3200Y，具有单通道双采样功能，有效消除电平漂移，通过读写寄存器选择采样通道、设置通道偏置电压和增益调整，提高信号采集准确性和动态范围；USB微控制器选择CY7C68013-128，DCLK信号触发该控制器按顺序从VSP3200Y中读取每个CCD象元信号量化值，并存储于FIFO寄存器中，最后使用标准的USB2.0与上位机进行高速数据传输，也可以使用RS485与上位机进行远距离传输，满足不同环境需求。

所述上位机驱动及通讯软件包括USB2.0接口驱动程序、接口协议、动态链接库和DEMO软件，方便用户进行二次开发。

Claims (3)

1.一种紫外增强微型光纤光谱仪，依照光路经过该光谱仪各元件的次序，该光谱仪包含有：一SM905光纤接口（6），通过光纤将光源的光束导入；一狭缝单元（7）；一准直反射镜（11），对光束进行反射聚焦；一光栅（9），接收并使光束色散；一聚焦反射镜（5），对经光栅（9）色散后的光束进行反射聚焦；一CCD探测器（3），对光束进行光电转换； 

其特征在于：所述狭缝单元（7）和准直反射镜（11）之间设置有光阑（8）；所述准直反射镜（11）和聚焦反射镜（5）之间设置有挡光板（10），所述狭缝单元（7）包含有石英基材，所述石英基材上镀有不透光的金属膜，所述金属膜光刻有一个宽度为5~100um的狭缝；所述光栅（9）为全息光栅，所述准直反射镜（11）、聚焦反射镜（5）和光栅（9）表面均镀有铝；

所述光谱仪还包含有一前置放大电路（2），所述前置放大电路（2）与CCD探测器（3）相连；

所述光谱仪还包含有光学平台基座（1），所述光学平台基座（1）上压置有一盖板，并构成一密闭腔体，所述SM905光纤接口（6）穿接于该密闭腔体的侧壁上，所述狭缝单元（7）、光阑（8）、准直反射镜（11）、光栅（9）、聚焦反射镜（5）、CCD探测器（3）和前置放大电路（2）均位于该密闭腔体内，所述密闭腔体内还设置有消杂散光板（4）。

2.如权利要求1所述一种紫外增强微型光纤光谱仪，其特征在于：所述光谱仪还包含有CCD信号处理装置，所述装置包含有USB微控制器，所述USB微控制器上连接有CPLD芯片、CCD视频信号处理芯片、RAM电路、电源切换电路和RS232\RS485电路，所述CCD视频信号处理芯片与前置放大电路（2）相连，所述CPLD芯片与CCD探测器（3）相连，所述USB微控制器可通过自带的USB接口或RS232\RS485电路与一上位机相连。

3. 如权利要求2所述一种紫外增强微型光纤光谱仪，其特征在于：所述USB微控制器的型号为CY7C68013-128，所述CPLD芯片的型号为ISPLSI1016-60，所述CCD视频信号处理芯片的型号为VSP3200Y。

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