CN104913846A - 扫描型分光光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描型分光光谱仪，包括由入射狭缝、可转动的色散元件、出射狭缝、探测器和信号处理模块组成的分光通道；其特征在于：所述光谱仪还包括可置放在所述分光通道中的光学平板、可选择地使参考光和测量光通过所述入射狭缝的控制装置，所述信号处理模块包括检测模块、存储模块和触发模块。本发明结构简单、性能好、定标容易。

Description

扫描型分光光谱仪

技术领域

本发明涉及分光光谱仪，特别涉及扫描型分光光谱仪。

背景技术

分光光谱仪中应用最广泛的是傅立叶变换型光谱仪与光栅型分光光谱仪。

傅立叶变换型光谱仪采用双光束干涉原理，使相干光束间的相位差连续变化，同步记录下条纹的光强变化曲线即干涉图，然后对干涉图进行傅立叶变换而获得光谱图。傅立叶变换型光谱仪具有波长间隔小、波长重复性好等优点，但有体积笨重、信噪比较差等缺点。

光栅分光型光谱仪是采用光栅的色散分光原理把多色光在空间上分开，将入射狭缝成像于出射狭缝上，在出射狭缝上获得光谱图。

美国专利US4969739公开了一种扫描型分光光谱仪，如图1所示，具体技术方案为：电机带动光栅高速转动，通过与光栅连接的编码器对光栅的位置进行定位，并反馈对电机进行控制。该光谱仪可以每秒获得近2次光谱，信噪比较好；但也有如下不足：1、结构较复杂，需要使用编码器、反馈装置、光栅定位装置去定位所述光栅；2、性能较差，编码器的性能决定了光谱仪的一些性能，由于编码器的光栅定位装置的机械要求高，结果造成光谱仪的性能较差，如最小波长间隔较大、波长重复性较差；同时，引入的机械变化也降低了波长的准确性；3、定标麻烦，由于其采样的间隔点是光栅的机械位置决定的，所以还必需通过机械与光学的关系决定波长点，需要多个标准波长点才能较准确的定标波长。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的上述不足，提供了结构简单、性能较好、定标容易的扫描型分光光谱仪。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种扫描型分光光谱仪，包括由入射狭缝、可转动的色散元件、出射狭缝、探测器和信号处理模块组成的分光通道；所述光谱仪还包括可置放在所述分光通道中的光学平板、可选择地使参考光和测量光通过所述入射狭缝的控制装置，所述信号处理模块包括检测模块、存储模块和触发模块。

作为优选，所述光学平板置放在所述入射狭缝之前。

本发明的基本原理是：利用参考光在光学平板中发生多光束干涉得到etalon条纹(如，两个峰间波数相差1/2nL，n为光学平板的折射率，L为光学平板的厚度)，利用波形中包含相对波数信息的特征点(如周期性出现的点)去触发测量光信号的采集，从而获得波数等间隔的测量光谱。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、结构简单，无需编码器、反馈控制及机械定位装置；

2、性能较好，测量光谱的采样间隔直接由波长特性决定，而采样间隔可通过改变光学平板的厚度来实现，无需机械与光学关系的转化，受机械稳定性影响小，保证了高度的准确性与重复性；

3、定标容易，由于获得的测量光谱是测量光强度与相对波数间的对应关系，因此，只需用一个波长点即可完成对波长域的标定。

附图说明

图1是一种现有的光谱仪的结构示意图；

图2是本发明的一种光谱仪的结构示意图；

图3是本发明的另一种光谱仪的结构示意图；

图4是本发明的光谱仪获得的参考信号、光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详尽描述。

实施例1：

一种扫描型分光光谱仪，应用在样品的近红外光谱分析测量中。如图2所示，所述光谱仪包括由光学平板11、控制装置51、入射狭缝12、可转动的凹面光栅31、出射狭缝13、探测器14和信号处理模块组成的分光通道，其中，所述光学平板11可安装在所述入射狭缝12前，而所述控制装置61安装在所述光学平板11后(也可以在光学平板11之前)，用于可选择地使参考光或测量光通过所述入射狭缝12；所述信号处理模块包括检测模块、存储模块、触发模块、采样模块和微处理器。

在工作过程中，光源发出的光通过光纤41引出，之后再分出两束光42、43，其中一束参考光经光纤42传输到所述光谱仪前；另一束测量光经光纤43照射到被测样品上，在样品上产生的漫反射光被收集后通过光纤44传输到所述光谱仪前。

本发明还揭示了一种获得测量光谱的方法，也即获得上述漫反射光的光谱的方法，包括以下步骤：

a、参考光通过光纤42传输准直透镜45前，经准直后穿过光学平板11，再经透镜46会聚在光纤47中，经光纤47传输控制装置61，如光开关，光开关61使参考光通过(测量光不通过)，再经光纤48传输到所述入射狭缝12前，经过入射狭缝12、凹面光栅31、出射狭缝13后被所述探测器14接收；随着凹面光栅31转动一个周期，从而得到包含相对波数信息、具有周期性的参考信号51；也即，参考光经过光学平板11时发生多光束干涉，从而形成etalon条纹，如图4所示，相邻峰的波数间隔为1/2nL，n为光学平板11的折射率，L为光学平板11的厚度，因此，可以通过调整光学平板11的厚度L去调整所述波数间隔；

b、通过检测模块去提取所述参考信号51中的特征点，如周期性出现的点，图4中的黑点，参考信号51中的点与转动中的光栅31所处位置对应，光栅31的所处位置对应于其转动时间，所述存储模块存储所述特征点对应的光栅31的转动时间；

c、测量光通过光纤44传输到所述控制装置61，控制装置61使测量光通过(参考光不通过)，测量光再经过光纤48传输到所述入射狭缝12，之后被所述凹面光栅31分光，之后穿过所述出射狭缝13被探测器14接收，所述凹面光栅31开始一个新的转动周期，当所述凹面光栅31的转动时间等于所述特征点对应的光栅的转动时间时，通过所述触发模块触发测量光信号的采集，从而得到信号光强度与相对波数(相邻采样点间的波数差相等)对应的测量光谱52；

d、为了获得测量光强度与绝对波数对应的测量光谱，还需对步骤c中的测量光谱进行标定：将一标定光源如高压汞灯连接到入射狭缝处，标定光经过所述入射狭缝12、凹面光栅31、出射狭缝13后被接收，随着凹面光栅的转动，获得标定光信号53，使用信号中的特征谱线，如v＝9682cm^-1，对步骤c中的测量光谱进行定标，从而得到测量光强度与绝对波数对应的测量光谱。

在上述方法中，可将所述光学平板的厚度变小，进而得到波数间隔小的参考信号，进而得到采样点较密的测量光谱。

实施例2：

一种扫描型分光光谱仪，应用在样品的近红外光谱分析测量中。如图3所示，所述光谱仪包括第一分光通道和第二分光通道，所述第一分光通道由第一入射狭缝21、可转动的凹面光栅31、第一出射狭缝22、第一探测器23和信号处理模块组成，第二分光通道由光学平板11、第二入射狭缝12、所述可转动的凹面光栅31、第二出射狭缝13、第二探测器14和所述信号处理模块组成，其中，所述光学平板11可安装在所述第二入射狭缝13前，所述信号处理模块包括检测模块、触发模块、采样模块和微处理器。

在测量过程中，光源发出的光通过光纤41引出，之后分为两束42、43，其中一束参考光经光纤42传输到所述光谱仪前；另一束测量光经光纤43照射到被测样品上，在样品上产生的漫反射光被收集后通过光纤44传输到所述光谱仪前。

本发明还揭示了一种获得测量光谱的方法，也即获得上述漫反射光的光谱的方法，包括以下步骤：

a、参考光通过光纤42传输准直透镜45前，经准直后穿过光学平板11，再经透镜46会聚在光纤47中，经光纤47传输到所述第二入射狭缝12前，经过第二入射狭缝12、凹面光栅31、第二出射狭缝13后被所述第二探测器14接收；随着凹面光栅31的转动，从而将逐步得到包含相对波数信息、具有周期性的参考信号51；也即，参考光经过光学平板11时发生多光束干涉，从而形成etalon条纹，如图4所示，相邻峰的波数间隔为1/2nL，n为光学平板11的折射率，L为光学平板11的厚度，因此，可以通过调整光学平板11的厚度L去调整所述波数间隔；

测量光穿过所述第一入射狭缝21后被所述转动的凹面光栅31分光，之后穿过所述第二出射狭缝22并被第二探测器23接收；

b、通过检测模块去检测逐步得到的参考信号51中的特征点，如周期性出现的点，参考信号51中的黑点，当检测到有特征点出现时，所述触发模块去触发测量光信号的采集，从而得到信号光强度与相对波数(相邻采样点间的波数差相等)对应的测量光谱52；

c、为了获得测量光强度与绝对波数对应的测量光谱，还需对步骤b中的测量光谱进行标定：将一标定光源如高压汞灯连接到入射狭缝处，标定光经过所述第一入射狭缝21、凹面光栅31、第一出射狭缝22后被接收，随着凹面光栅31的转动，获得标定光信号，使用信号中的特征谱线，如v＝9682cm^-1，对步骤b中的测量光谱进行定标，从而得到测量光强度与绝对波数对应的测量光谱。

在上述方法中，可将所述光学平板的厚度变小，进而得到波数间隔小的参考信号，进而得到采样点较密的测量光谱。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。如实施例中特征点是利用参考信号中周期性出现的点，当然也可以是非周期性出现的点，如参考信号中一阶导数是零的点，一阶导数是极值的点，等等。本发明的关键是，利用参考光在光学平板中发生多光束干涉得到etalon条纹(如，两个峰间波数相差1/2nL，可通过改变光学平板的厚度L调整波数差)，利用波形中包含相对波数信息的特征点(如周期性出现的点)去触发测量光信号的采集，从而获得波数等间隔的测量光谱。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种扫描型分光光谱仪，包括由入射狭缝、可转动的色散元件、出射狭缝、探测器和信号处理模块组成的分光通道；其特征在于：所述光谱仪还包括可置放在所述分光通道中的光学平板、可选择地使参考光和测量光通过所述入射狭缝的控制装置，所述信号处理模块包括检测模块、存储模块和触发模块。

2.根据权利要求1所述的分光光谱仪，其特征在于：所述光学平板置放在所述入射狭缝之前。