CN103162829B - 透射式及反射式光谱探测系统和应用该系统的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种透射式/反射式光谱探测系统，包括探测装置、多波长激光发生装置和耦合器，耦合器用于将转换出的电信号输入计算机，所述计算机用于处理从两个探测器输入的电信号。反射式光谱探测系统在透射式光谱探测系统的基础上增加三端口环行器以联通光路。本发明的传感器由作为敏感元件的被测光学器件和探测系统光学连接实现。这种光谱探测系统以多波长激光发生装置作为光源，实现了对串行式的被测光学器件进行光谱探测，并进一步的以被探测光学器件作为敏感元件，提出了基于这种光谱探测系统的传感器。

Description

透射式及反射式光谱探测系统和应用该系统的传感器

技术领域

本发明属于光学探测技术领域，具体涉及透射式及反射式被测光学器件的光谱探测系统和一种应用所述光谱探测系统的传感器。

背景技术

光谱特性是反映光学系统的重要参数之一。一个光学系统的光谱特性信息主要是由光学器件的内在性质决定，这里的光学仪器是指光学系统中的比如光源、光路传输媒介、耦合器以及被测物等器件。通常通过对光学器件的光谱特性分析就能获得由其它方法所不能获得的该器件的内在属性。因此在检测技术领域，光谱提取和光谱分析技术有着非常广阔的应用前景。近年来，随着光器件在生物、医学、能源、环境、航天航空以及军事等领域的快速发展，光学器件的单一使用已无法满足应用需求，越来越多的领域需要光器件的复用。例如，测量空间不同位置处的光学器件的光谱，就需要对光学器件的串联或并联复用。

在现有技术中，光谱探测都是在频域实现的，具体原理是光源产生的宽带连续光（指光源的带宽比较大并且是连续的）照射到被测光学器件上，并通过使被测光学器件在各个波长处移动，探测器探测通过被测光学器件的连续光在各个波长处的能量值并传输给信号处理单元PC分析处理，通过分辨各波长能量值的组成特征从而分辨出被测光学器件的光谱特征。

但是这种光学探测系统仅能在频域中实现对被测光学器件的光谱探测，对于诸如法-珀干涉仪等串联复用的被测器件无法适用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的光谱探测系统无法实现对诸如法-珀干涉仪等串联复用的被测光学器件无法适用的不足，提出了针对透射式及反射式被测光学器件的光谱探测系统和基于所述光谱探测系统的光学传感器。

本发明的技术方案是：一种透射式光谱探测系统，包括探测装置，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，其中探测器包括光学信号输入端和电信号输出端，用于将光学信号转换为电信号，其特征在于，所述探测系统还包括多波长激光发生装置和耦合器；其中，多波长激光发生装置与耦合器相连接，所述耦合器用于将多波长激光发生装置输出的光学信号分为两路分别输入第一探测器和透射式被测光学器件，透过被测光学器件的光学信号输入第二探测器，所述探测器的电信号输出端与信号处理单元连接，用于将转换出的电信号输入信号处理单元，所述信号处理单元用于处理从两个探测器输入的电信号。

进一步的，上述光谱探测系统的多波长激光发生装置包括至少两个多波长激光器和耦合器，所述耦合器包括多个输入端和一个输出端，所述输出端作为多波长激光发生装置的输出端，所述多波长激光器与耦合器的输入端一一对应连接，所述耦合器用于将由多个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

更进一步的，上述光谱探测系统还包括脉冲调制器，所述脉冲调制器包括输入端和输出端，所述输入端与多波长激光发生装置的输出端相连接，输出端与一端连接于第一探测器的耦合器相连接。

本发明还提出了一种反射式光谱探测系统，包括探测装置，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，其中探测器包括光学信号输入端和电信号输出端，用于将光学信号转换为电信号，其特征在于，所述探测系统还包括多波长激光发生装置、耦合器和三端口环行器；其中，多波长激光发生装置与耦合器相连接，所述耦合器用于将多波长激光器输出的光学信号分两路分别输入第一探测器和三端口环行器的第一端口，所述输入环行器第一端口的光学信号由环行器的第二端口输出并射向反射式被测光学器件，该光学信号经反射式被测光学器件反射后由环行器第二端口输入并经第三端口输出，所述环行器的第三端口与第二探测器的光学信号输入端相连接，用于向第二探测器输入经被测光学器件反射的光学信号，所述探测器的电信号输出端与信号处理单元连接，所述信号处理单元用于处理从两个探测器输入的电信号。

基于上述透射式光谱探测系统或反射式光谱探测系统，本发明还提出了一种传感器，包括上述透射式或者反射式光谱探测系统，其特征在于，还包括透射式或者反射式被测光学器件，其中透射式光谱探测系统与透射式被测光学器件对应，反射式光谱探测系统与反射式被测光学器件对应，所述被测光学器件与光谱探测系统光学连接，由多波长激光发生装置产生的激光可到达被测光学器件并经被测光学器件后到达光谱探测系统的第二探测器，所述被测光学器件用作所述传感器的敏感元件。

本发明的有益效果：本发明提供了一种光谱探测系统以及基于该光谱探测系统的传感器，这种光谱探测系统以多波长激光发生装置作为光源，实现了对串行式的被测光学器件进行光谱探测，并进一步的以被探测光学器件作为敏感元件，提出了基于这种光谱探测系统的传感器。

附图说明

图1为实施例1的系统原理图；

图2为反射式被测光学器件示意图；

图3为实施例8的系统原理图；

图4为实施例8的多波长激光发生装置频率合成示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种透射式光谱探测系统，包括探测装置，这里的探测装置包括两个探测器和信号处理单元，探测器包括光学信号输入端和电信号输出端，用于将光学信号转换为电信号，所述探测系统还包括多波长激光发生装置和耦合器；其中，多波长激光发生装置与耦合器相连接，该耦合器用于将多波长激光发生装置输出的光信号分为两路分别输入探测器A和透射式被测光学器件，透过被测光学器件的脉冲激光直接输入探测器B，所述探测器A和探测器B的电信号输出端与信号处理单元PC相连接，所述PC用于处理从两个探测器输入的电信号。

实施例2：

如图3所示，为了提高上述光谱探测系统的精度，本实施例在上述实施例中将多波长激光发生装置设计为2个多波长激光器（多波长激光器A和多波长激光器B）和一个耦合器A构成，其中耦合器A包括2个输入端和一个输出端，这个输出端同时作为多波长激光发生装置的输出端，多波长激光器A与多波长激光器B分别与耦合器A的2个输入端相连接，耦合器A用于将由2个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

实施例3：

本实施例与实施例2类似，其不同点在于本实施例中的多波长激光发生装置包括3个多波长激光器和一个耦合器构成，与之对应，耦合器包括3个输入端和一个输出端，3个多波长激光器分别与耦合器的3个输入端相连接。

上述实施例2和实施例3所公开的包含2个或3个多波长激光器的技术方案为本发明的两种具体实施形式，本领域的普通技术人员可以根据情况采用不少于2个的任意数量的多波长激光器实现本发明的方案，这些方案均包含于本发明的保护范围之内。

实施例4：

为了进一步提高实施例1或实施例2中的光谱探测系统的探测效果，本实施例在系统中加入脉冲调制器，所述脉冲调制器包括输入端和输出端，所述输入端与多波长激光发生装置的输出端相连接，输出端与一端连接于第一探测器的耦合器相连接，所述脉冲调制器可以将来自多波长激光发生装置的光学信号调制成能量更强的的脉冲信号。

实施例5：

如图2所示为本实施例的反射式光谱探测系统中的被测光学器件示意图，本实施例的探测系统与实施例1类似，所不同的是本实施例的探测系统还包括三端口环行器，如图3所示；耦合器A用于将多波长激光器输出的光学信号分两路分别输入探测器A和三端口环行器的端口1，输入环行器端口1的光学信号由环行器的端口2输出并射向反射式被测光学器件，该光学信号经反射式被测光学器件反射后由环行器端口2输入并经端口3输出，所述环行器的端口3与探测器B的光学信号输入端相连接，用于向探测器B输入经被测光学器件反射的光学信号，所述探测器A和探测器B的电信号输出端与信号处理单元PC连接，所述PC用于处理从两个探测器输入的电信号。

实施例6：

本实施例与实施例2相比，所不同的是本实施例的光谱探测系统应用于反射式被测光学器件，并相应的增加一个三端口环行器。三端口环行器与系统其他组件的连接关系与实施例5相同，目的在于提高实施例5所公开的技术方案的探测精度。

实施例7：

本实施例是在实施例6的基础上参照实施例3的方案增加脉冲调制器，其中环行器和脉冲调制期的接入关系分别参考实施例5（6）和实施例4。目的在于进一步提高实施例5或实施例6中的光谱探测系统的效果。

实施例8：

如图3所示，本实施例公开一种传感器，包括实施例7所示的光谱探测系统和图2所示的反射式被测光学器件。其中被测光学器件用作传感器的敏感元件，所述传感器应用于能够使敏感元件改变其光学特性的场合。具体的，本实施例中多波长激光发生装置包括多波长激光器A和多波长激光器B，并包括包含有两个输入端的耦合器A，耦合器A的两个输入端分别与多波长激光器A和多波长激光器B连接，输出端与脉冲调制器连接，脉冲调制器输出端与耦合器B连接，耦合器B的两个输出端分别连接探测器A的光信号输入端和环行器的端口1，环行器的端口2与被测光学器件（敏感元件）连接，端口3与探测器B的光信号输入端连接，探测器A和探测器B的电信号输出端与信号处理单元PC连接。其中环行器能够实现使自端口1入射的光由端口2射出，自端口2入射的光由端口3射出。

实施例9：

本实施例公开一种传感器，包括所述反射式光谱探测系统和反射式被测光学器件，所述反射式被测光学器件与该反射式光谱探测系统光学连接，由多波长激光发生装置产生的激光可到达反射式被测光学器件并经该反射式被测光学器件后到达光谱探测系统的第二探测器，所述反射式被测光学器件用作所述传感器的敏感元件。

以下提供对实施例8的传感器中的光信号路径描述及原理进行详细描述：如图4所示，假设多波长激光器A的起始频率为f₀、间隔Δf₁，多波长激光器B的起始频率为f₀、间隔为Δf₂，经过耦合器A后得到一个对应不同光学波长的拍频信号，该拍频信号可以被探测器探测，然后通过FFT变换后得到FFT频谱，频谱不同差频频率处的幅度即可代表拍频所在的光学波长的光强，将所有频率组合起来即可得到一定波长范围的光谱。其起始频率为Δf₂-Δf₁，其中或Δf₂（即Δf₁或Δf₂≥10（Δf₂-Δf₁）），频率间隔为Δf₂-Δf₁；其中频率Δf₂-Δf₁对应波长λ₀、2（Δf₂-Δf₁）对应波长λ₁、λ₂类推，n（Δf₂-Δf₁）对应波长λ_n。将其送入脉冲调制器，其中脉冲持续时间τ满足公式τ>1/(Δf₂-Δf₁)，继而将此脉冲信号光打入被测光学器件中，然后经过反射或透射后进入探测器，同样经过FFT变换得到FFT频谱，频谱不同拍频频率处的幅度即可代表拍频所在的光学波长的光强，从而在时域上实现对被测光学器件的光谱信息的探测。对于反射型器件，可以放置在光路上不同位置，测得不同空间位置反射光脉冲的时域信息即可得到不同位置器件的光谱特征，从而能对串行复用的被测光学器件进行光谱探测。

根据以上实施例的具体陈述不难看出，实施例1中的透射式被测光学器件及多波长激光发生装置等方案同样可以应用于实施例7涉及的本发明的传感器方案中形成新的实施例，同样的理由，实施例2至实施例6以及其任一等同替换的实施例同样可以应用于实施例7所涉及的本发明的传感器方案中形成新的实施例，以上实施例均包含于本发明的保护范围内。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种透射式光谱探测系统，包括探测装置，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，其中，探测器包括光学信号输入端和电信号输出端，用于将光学信号转换为电信号，所述探测系统还包括多波长激光发生装置和耦合器；其中，多波长激光发生装置与耦合器相连接，所述耦合器用于将多波长激光发生装置输出的光学信号分为两路分别输入第一探测器和透射式被测光学器件，透过被测光学器件的光学信号输入第二探测器，所述探测器的电信号输出端与信号处理单元连接，用于将转换出的电信号输入信号处理单元，所述信号处理单元用于处理从两个探测器输入的电信号其特征在于，所述多波长激光发生装置包括至少两个多波长激光器和耦合器，所述耦合器包括多个输入端和一个输出端，所述输出端作为多波长激光发生装置的输出端，所述多波长激光器与耦合器的输入端一一对应连接，所述耦合器用于将由多个多波长激光器输入的光学信号合成拍频信号。

2.根据权利要求1所述的一种透射式光谱探测系统，其特征在于，所述多波长激光发生装置包括2个多波长激光器和一个耦合器构成，其中耦合器包括2个输入端和一个输出端，所述输出端同时作为多波长激光发生装置的输出端，第一多波长激光器与第二多波长激光器分别与耦合器的2个输入端相连接，耦合器用于将由2个多波长激光器输入的光学信号合成拍频信号。

3.根据权利要求1所述的一种透射式光谱探测系统，其特征在于，所述多波长激光发生装置包括3个多波长激光器和一个耦合器构成，其中耦合器包括3个输入端和一个输出端，所述输出端同时作为多波长激光发生装置的输出端，第一多波长激光器与第二多波长激光器分别与耦合器的3个输入端相连接，耦合器用于将由3个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种透射式光谱探测系统，其特征在于，所述光谱探测系统还包括脉冲调制器，所述脉冲调制器包括输入端和输出端，所述输入端与多波长激光发生装置的输出端相连接，输出端与一端连接于第一探测器的耦合器相连接。

5.一种反射式光谱探测系统，包括探测装置，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，其中，探测器包括光学信号输入端和电信号输出端，用于将光学信号转换为电信号，所述探测系统还包括多波长激光发生装置、耦合器和三端口环行器；其中，多波长激光发生装置与耦合器相连接，所述耦合器用于将多波长激光器输出的光学信号分两路分别输入第一探测器和三端口环行器的第一端口，所述输入环行器第一端口的光学信号由环行器的第二端口输出并射向反射式被测光学器件，该光学信号经反射式被测光学器件反射后由环行器第二端口输入并经第三端口输出，所述环行器的第三端口与第二探测器的光学信号输入端相连接，用于向第二探测器输入经被测光学器件反射的光学信号，所述探测器的电信号输出端与信号处理单元连接，所述信号处理单元用于处理从两个探测器输入的电信号，其特征在于，所述多波长激光发生装置包括至少两个多波长激光器和耦合器，所述耦合器包括多个输入端和一个输出端，所述输出端作为多波长激光发生装置的输出端，所述多波长激光器与耦合器的输入端一一对应连接，所述耦合器用于将由多个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

6.根据权利要求5所述的一种反射式光谱探测系统，其特征在于，所述多波长激光发生装置包括2个多波长激光器和一个耦合器构成，其中耦合器包括2个输入端和一个输出端，所述输出端同时作为多波长激光发生装置的输出端，第一多波长激光器与第二多波长激光器分别与耦合器的2个输入端相连接，耦合器用于将由2个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

7.根据权利要求5所述的一种反射式光谱探测系统，其特征在于，所述多波长激光发生装置包括3个多波长激光器和一个耦合器构成，其中耦合器包括3个输入端和一个输出端，所述输出端同时作为多波长激光发生装置的输出端，第一多波长激光器与第二多波长激光器分别与耦合器的3个输入端相连接，耦合器用于将由3个多波长激光器输入的光学信号合成频率较高的拍频信号输出。

8.一种传感器，包括权利要求1或5所述的透射式或者反射式光谱探测系统，其特征在于，还包括透射式或者反射式被测光学器件，其中，透射式光谱探测系统与透射式被测光学器件对应，反射式光谱探测系统与反射式被测光学器件对应，所述被测光学器件与光谱探测系统光学连接，由多波长激光发生装置产生的激光可到达被测光学器件并经被测光学器件后到达光谱探测系统的第二探测器，所述被测光学器件用作所述传感器的敏感元件。