CN103048046B - 双光束光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双光束光谱仪，包括用于发出参考光和探测光的光源，以及光谱仪主机，还设有：第一光纤，用于将来自光源的参考光输送至光谱仪主机；第二光纤，用于将来自光源的探测光输送至样品；第三光纤，用于将来自样品的已带有样品信息的探测光输送至光谱仪主机；所述光谱仪主机包括沿光路依次布置的狭缝片、准直镜、平面光栅、成像镜、柱面镜和面阵探测器；所述第一光纤和第三光纤的出射光线均进入所述狭缝片。本发明将参考光和探测光同时显示并接收，有效消除了光源波动、杂散光、电噪声的影响。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量领域，涉及一种可以同时显示和分析参考光和探测光的双光束光谱仪。
背景技术
光谱仪是进行光谱研究和分析的基本光学检测仪器，通过对透射、反射、吸收光谱的测量来实现对光成分的分析、材料属性的分析、物质成分的鉴定等。目前，光谱仪广泛应用于光学检测、生物化学分析、冶金工业、环境检测、大气遥感、天文研究等领域，对于光谱测量的准确性要求也越来越高。
光谱仪按照其仪器的光路结构通常可以分为单光束光谱仪和双光束光谱仪两类。单光束光谱仪采用单束复色光分别两次测量参考光和探测光来进行光谱测量和分析。该种光谱仪无法同时显示和测量参考光和探测光，其光路结构无法抵消光源波动带来的误差，同时由于需要取放被测样品会导致光束采集系统的机械位置变动而进一步引入测量误差；但是单光束光谱仪结构简单，体积可以做的很小，便于携带，并且由于是采用单束光照明被测样品，光强相比较双光束光谱仪的强，信噪较高，仪器灵敏度高，价格较低。双光束光谱仪运用两束单色光同时测量和显示参考光和探测光，可以一定程度上抵消光源波动、杂散光和电路噪声带来的影响，在用于定点测量时，具有更好的光度准确度。双光路光谱仪内部运用机械转动机构来对单色波长进行扫描致使测量速度大大受限，另外双光束的机构是将同一束光分成两束降低了参考光的光强致使信噪比下降，这类仪器结构复杂，价格昂贵。
国际上对于光谱仪中单光束和双光束的优劣看法不一：一种认为双光束光谱仪可以抵消一部分杂散光、电路噪声、光源波动对光谱仪稳定性的影响，光谱测量的结果准确性更高；另一种则认为由于光谱预处理算法的发展，单光束光谱仪的可靠性可以用软件来进行补偿，其性噪比高、体积小、测量快速、价格低廉的特点使其更有优势。
发明内容
为克服传统单光束光谱仪和双光束光谱仪存在的问题和不足，本发明提供了一种能快速测量、具有双光路结构的双光束光谱仪，其内部没有转动机械部件，采集面阵探测器同时采集参考光和探测光，实现对光谱的准确、快速测量。
一种双光束光谱仪，包括用于发出参考光和探测光的光源，以及光谱仪主机，其特征在于，还设有：
第一光纤，用于将来自光源的参考光输送至光谱仪主机；
第二光纤，用于将来自光源的探测光输送至样品；
第三光纤，用于将来自样品的已带有样品信息的探测光输送至光谱仪主机；
所述光谱仪主机包括沿光路依次布置的狭缝片、准直镜、平面光栅、成像镜、柱面镜和面阵探测器；所述第一光纤和第三光纤的出射光线均进入所述狭缝片。
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤组成双芯光纤，该双芯光纤具有贴近光源的第一双芯端口，以及靠近狭缝片的第二双芯端口。
采用双芯光纤可以有效的将光源光分成两束，形成参考光和探测光，并最后同时由光谱仪探测器接收。这种光纤连接的模式，结构紧凑，成本低，有效避免了开放光路装调的困难，适应了系统微型化的需求。
所述第一光纤和第二光纤的输入端组成所述的第一双芯端口，第一光纤和第三光纤的输出端组成第二双芯端口，所述第二光纤的输出端为第一单芯端口，所述第三光纤的输入端为第二单芯端口；所述的第一双芯端口、第二双芯端口、第一单芯端口和第二单芯端口均为SMA905接口，其出射或接收的光数值孔径(NA)为0.22。SMA905和NA0.22为光谱仪器中最为常用的光纤接口方式和数值孔径，使用该种接口和数值孔径可以保证双芯光纤与光谱仪主机的连接。
第二光纤和第三光纤之间依次设有第一光纤准直镜、样品架和第二光纤准直镜，第一光纤准直镜用于将第二光纤出射的光束准直后照射到样品上，第二光纤准直镜用于将带有样品信息的探测光聚焦到第二单芯端口并耦合进入第三单芯光纤。上述的第一光纤准直镜和第一光纤准直镜可以是单透镜、双胶合消色差透镜、双分离消色差透镜或自聚焦透镜。
所述光源包括发光灯泡，以及用于将光束聚焦到第一双芯端口端面的光束整形透镜。发光灯泡根据测量波段可以选取氘灯(紫外可见波段)、卤钨灯(可见近红外波段)或者氙灯(紫外可见近红外波段)。
所述第一双芯端口和第二双芯端口的两个纤芯直径相同，且两个纤芯沿端面直径方向对称排列。第一双芯端口中两个相同直径纤芯，可以保证从光源接收到同等光强的光用作参考光(第一光纤)和照明光束(第二光纤)。第二双芯端口中两个相同直径的纤芯，其中一个纤芯为第一光纤，另一个纤芯(第三光纤)必须保证与第一光纤纤芯相同，保证在无样品情况下第一光纤与第二、三光纤两路光路的能量同等传输。
双芯光纤的设计中，纤芯的直径需要与两纤芯中心距离相配合。纤芯的直径决定了探测器像面上成像点的大小，纤芯的中心距离决定了两束光(第一光纤和第三光纤)在探测器上成像点的距离。如果两者设置不当，会造成两束光成像的串扰，无法再探测器上分辨两束光的光强。本发明选用了100um纤芯的光纤配合中心距离800um，可以很清晰的在探测器上分辨出参考光和探测光。纤芯的中心距离不可以过大，否则也会影响成像质量，考虑到实际加工的工艺，纤芯和纤芯距离必须是偶数，故所述纤芯的直径为100um或200um，所述两个纤芯中心距离为600um、800um、1000um、1200um或1400um。
所述狭缝片设置为单缝或双缝；所述单缝位于狭缝片中芯，其缝宽10um～100um；所述双缝位于狭缝片的中心，且竖直排列，其缝宽10um～100um。狭缝的缝宽与光谱仪的分辨率有关，缝宽越小分辨率越高采集到的光能也就越小，光谱仪的分辨率要求与测量要求有关。本实例选取了25um宽的狭缝片来构建光谱仪。单缝结构：狭缝长度需要不影响双芯端口两个纤芯的通光，本发明狭缝长度设置为1mm；双缝结构：单缝的长度需要确保双芯端口的单个纤芯的通光，本发明将单缝长度设置为400um。
所述面阵探测器CCD、CMOS或者PDA器件。CCD(Charge-CoupledDevice)中文全称：电荷耦合器件。CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)中文全称：互补金属氧化物半导体。PDA(Photo-Diode Arrary)中文全称：光电二极管阵列。针对目前主流的商品化成像器件，本实例选取了成像质量更好，噪声更小的CCD器件作为光谱仪的光电探测器。
本发明的优点是：
(1)双光束光谱仪同时用面阵探测器接收并显示参考光和探测光，有效消除了光源波动、杂散光、电噪声的影响，避免了单光束光谱仪需要两次测量带来的测量误差；
(2)本发明的双光束光谱仪不包含机械扫描转动结构，测量速度快，体积小，成本低，可以适合于各种条件下的光谱测量。
附图说明
图1为本发明双光束光谱仪的光学结构示意图。
图2为本发明的双芯光纤和狭缝片连接示意图。
图3为本发明的面阵探测器成像结果示意图。
图4为本发明的双芯端口和单芯端口示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的双光束光谱仪作进一步的说明。
如图1所示，一种双光束光谱仪包括光源1、第一光纤7、第二光纤6、第三光纤14和光谱仪主机17，光谱仪主机17包括沿光路依次布置的狭缝片18、准直镜19、平面光栅20、成像镜21、柱面镜22和面阵探测器23。
光源1包括发光灯泡2和光束整形透镜3；光束整形透镜3用于将发光灯泡2发出的探测光和参考光聚焦到光纤端面上，有效提高了光源效率和光纤耦合效率。
第一光纤7、第二光纤6和第三光纤14组成双芯光纤4和双芯光纤15，双芯光纤4具有贴近光源1的第一双芯端口5，双芯光纤15具有靠近狭缝片18的第二双芯端口16；第一双芯端口5包括第一光纤7的输入端和第二光纤6的输入端，第二双芯端口16包括第一光纤7的输出端和第三光纤14的输出端；第二光纤6的输出端为第一单芯端口8，第三光纤14的输入端为第二单芯端口13。
如图2所示，第一双芯端口5和第二双芯端口16的两个纤芯直径相同，可以为75um、100um或200um；且两个纤芯沿端面直径方向对称排列，纤芯中心距离可以是600um、800um或1400um，本发明优选为100um纤芯的光纤配合中心距离为800um。
第一单芯端口8和第二单芯端口13具有单个光纤纤芯，纤芯位于端面中心，纤芯直径可以为75um、100um或200um。
第一光纤7、第二光纤6和第三光纤14的纤芯通光波段为200～1100nm，且纤芯为普通多模光纤。
第二光纤6和第三光纤14之间依次设有第一光纤准直镜9、样品架10和第二光纤准直镜12，第一光纤准直镜9用于将第二光纤6出射的光束准直后照射到样品11上，第二光纤准直镜12用于将带有样品信息的探测光聚焦到第二单芯端口13并耦合进入第三光纤14。
第一光纤准直镜9和第二光纤准直镜12可以是单透镜、双胶合消色差透镜、双分离消色差透镜或自聚焦透镜。
光谱仪主机17为尔尼特纳光学结构，第二双芯端口16紧贴狭缝片18，如图3所示，狭缝片18的缝可以为单缝30或双缝29。若采用单缝30的狭缝片18，单缝30应位于狭缝片中心，缝宽10um～100um，狭缝长度1mm；若采用双缝29的狭缝片，双缝29的两个狭缝位于狭缝片的中心，竖直排列，缝宽10um～100um，单缝长度400um。狭缝的宽度与光谱仪的分辨率有关，缝宽的选取取决于光谱测量的分辨率要求。
准直镜19为球面发射镜；成像镜21可以是球面反射镜，也可以是校正慧差的抛物面反射镜，且成像镜表面镀铝，具有较高的能量利用率。
平面光栅20可以是平面刻划光栅或平面全息光栅；本发明优选为平面全息光栅，其具有更好的色散效率和更低的杂散光。
由于面阵探测器23接收到的是色散后的狭缝像(长条形)，必须使用柱面镜22会聚光谱仪非色散方向的光，将长条形的像斑会聚到一点，提高光能利用率并保证参考光和探测光不会在面阵探测器23上相互重叠和串扰。该柱面镜22可以是普通柱面镜、楔形柱面镜或者自由曲面柱面镜，其材料可以是石英玻璃或K9玻璃。
面阵探测器23可以是CCD、CMOS或者PDA器件，面阵探测器23光谱范围可以是紫外、可见、近红外波段范围。本发明采用SONY公司的ICX285AL(黑白)探测器，具有较好的分辨率和灵敏度。面阵探测器23的光敏元表面24如图4所示，认为该面阵探测器23接收到的上半部分光谱31均为色散后的探测光，下半部分光谱32均为色散后的参考光。
上述的装置工作过程如下：
发光灯泡2发出的参考光和探测光在光束整形透镜3作用下，经第一双芯端口4分别进入第一光纤7和第二光纤6，参考光从第二双芯端口16出射至狭缝片18，探测光经第一单芯端口8出射并通过第一光纤准直镜9作用后照射到样品11上，第二光纤准直镜12将来自样品11的且带有样品信息的探测光聚焦到第二单芯端口12并耦合进入第三光纤14传输，然后带有样品信息的探测光经第二双芯端口16出射至狭缝片18，参考光和探测光沿狭缝长度方向竖直排列，两束光经过准直镜19后平行入射到平面光栅20上，平面光栅20将两束光色散后由成像镜21成像，柱面镜22将两束光在非色散方向聚焦，并在面阵探测器23的光敏元表面24上同时成像为参考光谱27和探测光谱28。
本发明的双光束光谱仪，参考光和探测光的光能损耗不一致，即在光路中不放置样品11时，面阵探测器23接收到的两路光能信号27和28不相等，所以，在进行样品透过率计算时需要进行补偿，补偿系数η定义为：
式中，表示不放置样品11时光谱仪接收的探测光的光谱分布，表示同一时间参考光的光谱分布。最终计算样品透过率光谱分布需要将加上该补偿系数η：
式中，Isample(λi)表示带有样品信息的探测光的光谱分布，Iref(λi)表示参考光的光谱分布；样品测量之前需要对光谱仪进行波长定标。
本发明最终可以将参考光和探测光同时显示并接收，有效消除了光源波动、杂散光、电噪声的影响，并解决了单光束光谱仪需要两次测量的不便和误差。本发明的光谱仪不包含机械扫描转动结构，测量速度快。本发明结合一般单光束光谱仪和双光束光谱仪特点的同时解决了两者的技术缺陷，可以快速精确进行光谱测量。
Claims (9)
1.一种双光束光谱仪，包括用于发出参考光和探测光的光源，以及光谱仪主机，其特征在于，还设有：
第一光纤，用于将来自光源的参考光输送至光谱仪主机；
第二光纤，用于将来自光源的探测光输送至样品；
第三光纤，用于将来自样品的已带有样品信息的探测光输送至光谱仪主机；
所述光谱仪主机包括沿光路依次布置的狭缝片、准直镜、平面光栅、成像镜、柱面镜和面阵探测器；所述第一光纤和第三光纤的出射光线均进入所述狭缝片；
所述第一光纤、第二光纤和第三光纤组成双芯光纤，该双芯光纤具有贴近光源的第一双芯端口，以及靠近狭缝片的第二双芯端口。
2.如权利要求1所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述第一光纤和第二光纤的输入端组成所述的第一双芯端口，第一光纤和第三光纤的输出端组成第二双芯端口，所述第二光纤的输出端为第一单芯端口，所述第三光纤的输入端为第二单芯端口；所述的第一双芯端口、第二双芯端口、第一单芯端口和第二单芯端口均为SMA905接口，其出射或接收的光数值孔径为0.22。
3.如权利要求2所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述第一双芯端口和第二双芯端口的两个纤芯直径相同，且两个纤芯沿端面直径方向对称排列。
4.如权利要求3所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述纤芯的直径为100um或200um。
5.如权利要求4所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述两个纤芯中心距离为600um、800um、1000um、1200um或1400um。
6.如权利要求5所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述光源包括发光灯泡，以及用于将光束聚焦到第一双芯端口端面的光束整形透镜。
7.如权利要求6所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述狭缝片设置为单缝或双缝。
8.如权利要求7所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述单缝位于狭缝片中芯，其缝宽10um～100um，狭缝长度1mm；所述双缝位于狭缝片的中心，且竖直排列，其缝宽10um～100um，单缝长度400um。
9.如权利要求8所述的双光束光谱仪，其特征在于，所述面阵探测器CCD、CMOS或者PDA器件。
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