CN103900694A - 一种近红外偏振干涉光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近红外偏振干涉光谱仪。包括沿光路方向依次设置的光源组、准直离轴抛物面镜、第一冷光镜、起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔组件、检偏棱镜、第二冷光镜、会聚离轴抛物面镜和探测器；光源组包括通过单模光纤直接耦合输出的卤钨灯和用于发射标定光源的He-Ne激光器；探测器包括硅探测器和InGaAs探测器。本发明提供了一种结构简单的近红外偏振光干涉光谱仪。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器领域，涉及近红外光谱技术，特别涉及一种近红外偏振干涉光谱仪。
背景技术
近红外光谱(780～2526nm)是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团C－H、O－H、N－H等振动的倍频和合频吸收，不同基团或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，所以近红外光谱包含了丰富的物质结构和成分信息。通过近红外光谱仪、化学计量软件和计算模型的有机结合可以快速、准确地对物质(包括固态、液态和气态)进行定量测试和分析。近红外光谱分析技术的核心是光谱仪，研究可靠、便携并且适用于在线分析和过程控制的新型光谱仪具有重要的理论和工程意义。目前，商业化的近红外光谱仪主要以迈克逊干涉仪和光栅为主要分光部件。迈克逊干涉光谱仪技术成熟，具有高通量、高分辨率等优点，但是其本身采用双支路结构且存在运动平面镜使得迈克尔逊干涉仪对外界振动非常敏感，对使用环境的要求过于苛刻，往往需要在结构设计上采取大量防震措施，致使整个系统过于庞大和复杂，因此价格昂贵、维护和使用成本也非常高，不利于近红外光谱分析技术在过程控制和在线测量中大规模应用。光栅光谱仪因为狭缝的存在，而导致光通量不足。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种能有效降低维护和使用成本并且结构简单的一种近红外偏振干涉光谱仪。
本发明的技术解决方案为：一种近红外偏振干涉光谱仪，其特殊之处在于：包括沿光路方向依次设置的光源组、准直离轴抛物面镜、第一冷光镜、起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔组件、检偏棱镜、第二冷光镜、会聚离轴抛物面镜和探测器；
上述光源组包括通过单模光纤直接耦合输出的卤钨灯和用于发射标定光 源的He-Ne激光器；
上述探测器包括硅探测器和InGaAs探测器；
上述卤钨灯发出的宽光谱近红外光束由准直离轴抛物面镜准直成为平行光并通过第一冷光镜与He-Ne激光器所发出的光束汇合；汇合后的光束沿光路方向依次通过起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔组件、检偏棱镜；其中近红外光束通过第二冷光镜让近红外光束透射，由会聚离轴抛物面镜会聚，经宽通滤光片后由InGaAs探测器接受并处理；He-Ne激光器所发射的光束通过第二冷光镜反射至窄带滤光片后，由硅探测器接收并处理。
上述He-Ne激光器为发射光束波长为632.8nm的激光器。
上述第一冷光镜、第二冷光镜的表面均镀有分光膜；
上述准直离轴抛物面镜和会聚离轴抛物面镜的离轴角均为90°,并在通光面上镀有反射膜；
上述扫描光楔组件包括固定光楔和用于改变扫描光楔沿光轴方向的厚度的移动光楔。
本发明的有益效果为：本发明是一种结构简单的近红外偏振光干涉光谱仪，该光谱仪卤钨灯为近红外光源,以偏振光干涉结合傅里叶变换原理，实现单一光路的光谱仪，因此抗震性和工艺性得到显著增强。因其结构简单，有利于实现小型化和轻量化，非常适合用于复杂的工业和野外环境，为其在过程控制和在线测量中的应用奠定了坚实的基础。
综合运用宽光谱光纤耦合卤钨灯、离轴抛物面镜、冷光镜、双折射晶体和扫描光楔等新器件、新技术实现了近红外偏振干涉光谱仪设计。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中：1-卤钨灯，2-准直离轴抛物面镜，3-第一冷光镜，4-He-Ne激光器，5-起偏棱镜，6-补偿晶体，7-扫描光楔组件，7-1固定光楔，7-2移动光楔，8-检偏棱镜，9-第二冷光镜，10-会聚离轴抛物面镜，11-窄带滤光片，12-宽通滤光片，13-硅探测器，14-InGaAs探测器。
具体实施方式
参见图1，一种近红外偏振干涉光谱仪，包括沿光路方向依次设置的光源 组、准直离轴抛物面镜2、第一冷光镜3、起偏棱镜5、补偿晶体6、扫描光楔组件7、检偏棱镜8、第二冷光镜9、会聚离轴抛物面镜10和探测器；光源组包括通过单模光纤直接耦合输出的卤钨灯1和用于发射标定光源的He-Ne激光器4；探测器包括硅探测器13和InGaAs探测器14；卤钨灯1发出的宽光谱近红外光束由准直离轴抛物面镜2准直成为平行光并通过第一冷光镜3与He-Ne激光器4所发出的光束汇合；汇合后的光束沿光路方向依次通过起偏棱镜5、补偿晶体6、扫描光楔组件7、检偏棱镜8；其中近红外光束通过第二冷光镜9让近红外光束透射，由会聚离轴抛物面镜10会聚，经宽通滤光片12后由InGaAs探测器14接受并处理；He-Ne激光器4所发射的光束通过第二冷光镜9反射至窄带滤光片12后，由硅探测器13接收并处理；He-Ne激光器4为发射光束波长为632.8nm的激光器。第一冷光镜3、第二冷光镜9的表面均镀有分光膜；准直离轴抛物面镜和会聚离轴抛物面镜的离轴角均为90°,并在通光面上镀有反射膜。扫描光楔组件7包括固定光楔7-1和用于改变扫描光楔沿光轴方向的厚度的移动光楔7-2。
本发明所涉及的近红外光谱仪是一种适用于近红外光谱波段的光谱测试设备。基于偏振光干涉和傅里变换原理，结合化学计量软件、计算模型可以快速、准确地对物质进行非接触式定量测试和分析。
一种近红外偏振干涉光谱仪，沿光路方向依次近红外光源、He-Ne激光器、冷光镜A、准直离轴抛物面镜、起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔、检偏棱镜、冷光镜B、会聚离轴抛物面镜、探测器。
光源包含卤钨灯1和He-Ne激光器4两种，其中卤钨灯为宽光谱近红外光源，其光谱范围为通过单模光纤直接耦合输出以便于准直。He-Ne激光器为标定光源，其波长为632.8nm。
准直离轴抛物面镜2的口径为Φ25.4mm,离轴角为90°,是将卤钨灯1光纤耦合输出端位于离轴抛物面镜的前焦点，将所发出的宽光谱近红外光束准直成为平行光。
冷光镜A3为平面石英玻璃，其表面镀有特殊膜层，且与Y轴呈顺时针45°角，可将红外光透过而可见光反射，使近红外光束和632.8nm激光合束和分束，使两种光源实现同轴。
起偏棱镜5的光轴方向与X轴呈顺时针45°角，通光口径为Φ25.4mm，将入射的近红外平行光和632.8nm激光同时转换为线偏振光。
补偿晶体6将起偏棱镜所获的线偏振光分解成两束振动方向相互垂直，存在固定相位差的线偏振光，其光轴方向与Y方向平行。
扫描光楔7由两只倾斜角30°倾角的晶体光楔组成，其中一只固定不动，另一只可借助运动机构沿着其斜边方向移动，通过移动使扫描光楔沿光轴方向的厚度不断地改变。晶体光轴方向与X轴平行。
检偏棱镜8与起偏棱镜5采用同一规格的器件，光轴摆放方向与起偏棱镜5呈90°。
冷光镜B9与冷光镜A3规格和性能一致，其入射表面与光轴呈逆时针45°角。光束入射后，让近红外光透射，并由会聚离轴抛物面镜10会聚，之后通过带通滤光片12，该滤光片为Φ16mm平面玻璃，使800～1700nm光透过，最终由InGaAs探测器14接收并将光信号转换为电信号。632.8nm光则经冷光镜B9反射至632.8nm窄带滤光片11，并由硅探测器13接收转换为电信号。
硅探测器13和InGaAs探测器14所产生的电信号采用USB数据采集卡进行采集。硅探测器上接收的是632.8nm单色光，随着扫描光楔7的扫描，按时间序列呈周期性变化，每到零点时则触发USB数据采集卡采集InGaAs探测器14上所产生的电信号，并将扫描过程中的时间波形传输到计算中，由计算机对波形进行傅里叶变换，从而得到光谱图样。
为了便于对近红外光谱仪光学系统的安装固定和调节，设置了相应的机械结构。
卤钨灯1经单模光纤耦合由采用螺纹固定光纤支架15的光纤头16输出近红外光谱。准直离轴抛物面镜2通过卡口固定于准直镜调节架17上，可实现二维调节。冷光镜A3置于冷光镜镜座18的相应凹槽内，两侧用压块拧紧固定。He-Ne激光器4采用螺纹固定于激光器支架19上，保证其光轴与主光轴垂直且位于同一平面。起偏棱镜5通过螺纹连接在起偏棱镜调节架21上，该调节架可实现起偏棱镜5沿其光轴进行精确的旋转调节，调节范围达360°，并有刻度显示。补偿晶体6通过边缘粘硅胶固定于补偿晶体调节架22内镜槽内，该调节架可实现起偏棱镜5沿其光轴进行精确的旋转调节，调节范围达 360°，具有刻度显示功能。扫描光楔7，由固定光楔7-2和移动光楔7-1组成，固定光楔7-2通过压块24固定于固定光楔座23上。移动光楔通过压块26固定于移动光楔支架25上。移动光楔支架25上通过螺钉固定于电控位移台20上，随着电控平移平台7的往返移动，移动光楔7-1可沿其斜边反复运动，从而使扫描光楔7沿光轴方向的厚度产生变化，实现光谱扫描。检偏棱镜调节架27之后,冷光镜置于冷光镜镜座28的凹槽内并用小压板侧压。冷光镜与光轴呈45°角，可使632.8nm光反射至硅探测器13，为了滤除杂散光，632.8nm11窄带滤光片通过光敏胶粘合于硅探测器的通光窗口上，然后采用螺纹固定于硅探测器固定架31上。冷光镜B9使近红外光透过，经过石英样品池29,样品池具有良好的透过性，可以用于呈放液体实测样品。光束透过后，再由卡口固定于会聚镜调节架30内的会聚离轴抛物面镜10会聚，由于会聚离轴抛物面镜的离轴角为90°,故能使光束经反射后实现90°的偏折，并透过宽通滤光片12会聚到InGaAs探测器14上，InGaAs探测器将近红外光通过光电效应转换为电信号。其中宽通滤光片采用光敏胶粘合于InGaAs探测器前段的透光窗口上。InGaAs探测器采用螺纹固定于InGaAs探测器固定架32上。
光纤支架15，准直镜调节架17，冷光镜镜座18，激光器支架19，电控位移台20，起偏棱镜调节架21，补偿晶体调节架22，固定光楔座23，移动光楔支架25，冷光镜镜座28，石英样品池29，会聚镜调节架30，硅探测器固定架31和InGaAs探测器固定架32均采用螺钉固定于上。通过M6螺钉35采用外罩34固定于基板33上，实现系统保护和杂散光屏弊，并预留数据和电源接口。
Claims (5)
1.一种近红外偏振干涉光谱仪，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的光源组、准直离轴抛物面镜、第一冷光镜、起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔组件、检偏棱镜、第二冷光镜、会聚离轴抛物面镜和探测器；
所述光源组包括通过单模光纤直接耦合输出的卤钨灯和用于发射标定光源的He-Ne激光器；
所述探测器包括硅探测器和InGaAs探测器；
所述卤钨灯发出的宽光谱近红外光束由准直离轴抛物面镜准直成为平行光并通过第一冷光镜与He-Ne激光器所发出的光束汇合；汇合后的光束沿光路方向依次通过起偏棱镜、补偿晶体、扫描光楔组件、检偏棱镜；其中近红外光束通过第二冷光镜让近红外光束透射，由会聚离轴抛物面镜会聚，经宽通滤光片后由InGaAs探测器接受并处理；He-Ne激光器所发射的光束通过第二冷光镜反射至窄带滤光片后，由硅探测器接收并处理。
2.根据权利要求1所述的近红外偏振干涉光谱仪，其特征在于：所述He-Ne激光器为发射光束波长为632.8nm的激光器。
3.根据权利要求1或2所述的近红外偏振干涉光谱仪，其特征在于：所述第一冷光镜、第二冷光镜的表面均镀有分光膜。
4.根据权利要求1或2所述的近红外偏振干涉光谱仪，其特征在于：所述准直离轴抛物面镜和会聚离轴抛物面镜的离轴角均为90°,并在通光面上镀有反射膜。
5.根据权利要求4所述的近红外偏振干涉光谱仪，其特征在于；所述扫描光楔组件包括固定光楔和用于改变扫描光楔沿光轴方向的厚度的移动光楔。
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