CN104160252A - 色散光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种色散光谱仪(2)包括一个波长色散元件(12)，位于一条入射辐射能路径(14)内；以及一个第一检测器(16)，被安置成用于检测由该色散元件(12)色散的入射辐射能。该光谱仪(2)进一步包括一个第二检测器(18)，该检测器被安置成用于记录未被色散的入射辐射的至少一部分的强度并且被配置成用于生成一个代表所记录的强度的信号，该第一检测器(16)被适配成使以积分时间和/或灵敏度增益为形式的操作参数响应于该信号而变化。

Description

色散光谱仪

本发明涉及一种色散型光谱仪，并且具体地涉及一种具有一个可寻址的检测元件阵列的光谱仪。

色散型光谱仪是本领域中众所周知的，并且通常通过在辐射能与材料交互后监测辐射能的取决于波长的强度变化来用于材料特性的调查。这些光谱仪通常包括一个波长色散元件，该元件位于入射辐射能路径内和一个检测器，该检测器被安置成用于检测由该色散性元件所色散的入射辐射能。

取决于该光谱仪的预期应用，入射辐射能将由电磁波谱的某一部分或者全部组成，该电磁波谱从(并且包括)紫外线到(并且包括)红外线，并且贯穿本文件，这将使用辐射能来指代。

该色散性元件通常为静态的或可移动的衍射光栅，该光栅本身可以是或者透射光栅或者反射光栅。

该检测器可以是任意已知被用于此类光谱仪中的光敏检测器，并且可以是例如光电倍增管、感光半导体器件、如可寻址的检测元件阵列(光电二极管阵列，例如，CMOS或NMOS阵列)、或电荷耦合器件。所有这些检测器的一个共同特征在于，它们具有操作参数(积分时间和/或灵敏度增益)，这些操作参数是可调整的以用于改变检测器的输出信号的多个特征，该输出信号是响应于所检测到的辐射能而生成的。

在光谱仪的操作过程中，为了对由于使用光谱仪所研究的材料的变化而引起的入射辐射能的强度变化进行校正，经常需要对上述操作参数进行调整。不管是采用手动还是自动方式，已知的调整程序通常遵循递归算法(通过该算法正在被调整的参数逐步变化一个已知量)、对材料进行的测量和在检测器处监测的信号、以及基于该信号做出的是否继续进行调整的决定。这一程序可以被重复多次，直到获得所希望的信号特征(通常为信噪比‘S/N’)。

这个已知的调整程序的一个问题在于，在该程序中不可以进行研究。当所研究的材料移动时，这是一个特殊问题，应该或者停止移动，或者将不对数量—通常是大量材料—进行研究。这种‘试错法’的另外一个问题在于，检测器可能不经意间变得饱和，这就导致需要一定的恢复时间，以便在可以继续进行调整程序前使得检测器恢复至可用状态。在当阵列的一个像素中的电荷超过饱和电平并且电荷开始填充相邻像素时发生‘高光溢出(blooming)’的情况下，这是可寻址阵列型检测器的一个特殊问题。当入射辐射能的强度相对低时会出现另一个问题，所色散的能量的强度会相应地甚至更低，这将导致需要更长的积分时间以及因此的进行研究的更大延迟。

本发明的目标是至少缓解上述这些问题。

相应地，在此提供了一种色散光谱仪，该光谱仪包括一个波长色散元件，位于一条入射辐射能路径内；一个第一检测器，被安置成用于检测由该色散元件色散的入射辐射能；以及一个第二检测器，被配置成用于记录该入射辐射中的未被色散的至少一部分、并且被配置成用于生成一个取决于所记录强度的信号，该信号在该光谱仪中被用来调整该第一检测器的一个或多个操作参数。以此方式，该第一检测器未被用于该调整程序中，并且因此在调整过程中使该第一检测器饱和的可能性被大幅降低，甚至被消除。此外，由于第二检测器在辐射能被色散、并且向前传播到该第一探测器之前检测该辐射能，该第一检测器可以基本上‘实时地’被调整，从而减少光谱仪在其操作过程中不能用于进行测量的时间。另外，色散前的测量在该第二检测器处提供了比在该第一检测器处大得多的辐射能强度，与已知光谱仪中所使用的色散后测量相比，提高了这些控制测量的灵敏度和速度。

通过考虑结合以下附图中的图进行的示例性实施例的以下描述，本发明的这些和其他优点将变得明显，其中：

图1：示出了根据本发明的光谱仪的示意性部分展示。

参见图1，示出了与理解本发明相关的色散光谱仪2的多个元件。提供了一个壳体4，其具有一个入口孔6和一个出口孔8。在本实施例中，入口孔6配备有一个连接件10(被展示为一个螺纹连接件)，该连接件用于将入口孔6连接至用于在入口孔6处提供辐射能的光纤(未示出)。

一个色散性元件(此处以固定透射光栅12为形式)被安置在通过壳体4的入射辐射能路径内(由带箭头的线14展示)。一个第一检测器连接至出口孔8，以便在光栅12对入射辐射能进行取决于波长的色散之后，对入射辐射能进行检测。一个第二检测器18被安置成用于记录色散前的入射辐射能的强度，并且生成一个代表此强度的输出信号。本实施例中的第二检测器18被安排在壳体4中，用于记录从光栅12反射的入射辐射能。将认识到，根据众所周知的菲涅耳方程，为了固定的几何形状，随着波长的变化，在光栅12处反射和透射的辐射能的相对量将有效地保持不变。在本实施例中，其中，光栅12形成在一个玻璃衬底上并且被安置成与来自入口孔6的入射辐射路径14成45°角，所反射的部分将大约为入射辐射能的10％。在一个替代性安排中(如图1中虚线构造所展示)，第二个检测器18可以被安置成用于监测来自光栅12的零级衍射信号(即，未色散的辐射能)。

在本实施例中，并且仅举例来讲，光谱仪2旨在用于监测入射近红外线辐射。第一检测器16为一个可寻址阵列，此处为NMOS检测器元件16a...16n的可单独寻址的线性阵列。该阵列的每一个元件或‘像素’可以被认为是一个能够保持电荷的单独电容器，该电容器的大小取决于入射辐射的强度和电容器放电前允许电荷建立的时间。此时间可以被认为是第一检测器16的‘积分时间’。在光谱仪2的本配置中，阵列16a...n中的每一个元件暴露于已经被元件12波长色散的入射辐射能的一个不同的窄波长带下。

该第二检测器是一个IR检测器，如硅检测器，该检测器被配置成用于生成与所记录的辐射能强度成比例的一个输出信号，在本示例中为具有一个与辐射成线性比例的频率的信号。然而，应认识到，对第一和第二检测器的选择取决于光谱仪预期用途。

在此提供一个控制器20作为光谱仪2的元件，该光谱仪可操作地连接到第一检测器16和第二检测器18上，以接收来自第二检测器18的输入，并且响应于此输入生成一个输出，以用于对第一检测器16的操作进行控制，具体地对与第一检测器16相关的操作参数进行控制以及对本实施例中检测器阵列16a...n的积分时间进行控制。将认识到，其它实施例可以配置有控制器20，该控制器被适配成用于基于接收自第二检测器18的输入来对检测器16的除了积分时间以外或其替代事物还有增益进行控制。

在本实施例中，控制器20包括一个数据处理部分22和一个存储器部分24，该存储器部分是可以被该数据处理部分22访问的，并且该存储器部分保存了一种算法用于使第二检测器18所记录的辐射能强度与第一检测器16的一个工作参数的一个取决于强度的所希望的值相关联。这种算法可以例如代表一个使这两者相关联的数学方程式，或者可以代表一个用于保持在存储器部分24中的数据的‘查找’算法，该数据代表根据强度值而标引的多个希望值。在本实施例中，该算法代表一个方程式，该方程式使输入强度与一个希望的积分时间以反比线性关系(在第二检测器16处所记录的强度越大，积分时间越小)相关联。

数据处理部分22被适配成用于接收来自第二检测器18的输出，并且从此中提取出一个代表检测器18所记录的辐射能强度的值。在本实施例中，这可以是一个指示来自检测器18的信号频率的值。然后，数据处理部分22运行来将存储在存储器部分24中的算法应用于所提取的值，以便为第一检测器16确定所希望的积分时间，该积分时间随后被用于对第一检测器16进行控制。在本实施例中，控制器20周期性地生成一个输入到第一检测器16的控制信号，该控制器进而通过发起阵列16a...n中的每一个像素元件的放电(或者排空)来进行响应。生成周期被设置成与如在数据处理部分22中从如上所述的所记录的辐射能强度确定的所希望的积分时间相对应。

Claims (9)

1.一种色散光谱仪(2)，包括一个波长色散元件(12)，位于一条入射辐射能路径(14)内；以及一个第一检测器(16)，被安置成用于检测由该色散元件(12)色散的入射辐射能，其特征在于，该光谱仪(2)进一步包括一个第二检测器(18)，被安置成用于记录该入射辐射中的未被色散的至少一部分的强度，并且被配置成用于生成一个代表所记录的强度的信号；并且其特征在于，该第一检测器(16)被适配成响应于该信号而使多个操作参数变化。

2.如权利要求1所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该第一检测器(16)被适配成使该检测器的一个积分时间或一个灵敏度增益之一或两者作为这些操作参数而变化。

3.如权利要求2所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该第一检测器(16)包括一个光敏二极管阵列(16a...n)，该光电二极管阵列，被适配成用于使这些阵列元件(16a...n)的积分时间发生变化。

4.如权利要求3所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该第一检测器(16)包括一个NMOS光电二极管阵列。

5.如权利要求1所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该色散元件(12)是一个透射衍射光栅；并且其特征在于，该第二检测器(18)被配置成用于记录由该色散元件(12)反射的该入射辐射能的一部分。

6.如权利要求1所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该色散元件(12)是一个衍射光栅；并且其特征在于，该第二检测器(18)被配置成用于记录零级衍射强度入射辐射能的一部分。

7.如以上任何一项权利要求所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该色散光谱仪进一步包括：一个控制器(20)，被适配成用于接收来自该第二检测器(18)的信号并且具有一个电子存储器(24)，该电子存储器保持一种算法用于使由该第二检测器(18)记录的一个强度与至少一个操作参数的一个取决于强度的所希望的值相关联；以及一个数据处理器(20)，被适配成用于将该算法应用到所接收的信号上以确定所希望的该值并且从其中生成一个控制信号来操作该第一检测器(16)，从而使该相关操作参数变成所希望的该值。

8.如权利要求7所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该电子存储器(24)中所保持的该算法使该强度与一个所希望的积分时间相关联。

9.如权利要求7所述的色散光谱仪(2)，其特征在于，该电子存储器(24)中所保持的该算法使该强度与一个所希望的增益相关联。