CN105092027B - 产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，包括：宽谱段光源，其用于发出连续光谱的光；准直装置，其对准宽谱段光源设置，用于准直耦合进宽谱段光源发出的光；法布里佩罗标准具，其对准准直装置设置，以使从准直装置平行入射的光发生等倾干涉，并滤出满足透射条件的多个等频率间隔的不同波长的窄带光；聚焦镜，其对准法布里佩罗标准具设置，以将窄带光汇聚至聚焦镜的出射小孔，形成光谱成分为窄带的梳状光。本发明能提供高分辨率、高密度的梳状光谱信号，可一次获取均匀间隔的多个单色通道的光谱校准数据，且特征波长数及分布均匀性均优于传统汞氩灯光源，特别适合于多项式拟合校准的光栅光谱仪的校准。

Description

产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置

技术领域

本发明涉及一种在光学仪器校准检测领域。更具体地说，本发明涉及一种产生用于光谱仪光谱校准的高分辨率的梳状光谱的光源装置。

背景技术

高光谱技术以其精细的光谱分辨力可以获取物体丰富的本征信息，在国防军事、环境检测、大气探测、食品工业、赝品识别等领域发挥了越来越重要的作用。根据各种光谱数据识别物质的成分是研发光谱分析仪器最终目的，其中关键技术之一是光谱仪的校准。光谱仪的校准主要包括光谱校准和辐射校准。其中，光谱校准将探测器像元的输出信号转化为波长信号，不仅是确定系统光谱特性指标的重要手段和提高光谱测量数据可信度的重要依据，还是仪器的辐射校准、确定仪器光谱范围、检测光谱分辨力等性能指标的前提，因此光谱仪的光谱校准非常重要。校准光源、谱线中心位置计算、校准曲线拟合是影响波长校准精度的主要因素。

光谱仪光谱校准的目的旨在确定各光谱通道的中心波长及光谱分辨率。光谱仪光谱校准的校准光源通常选用光谱谱线灯和单色仪：光谱谱线灯具有操作简单、易实现的优点，但是在其光谱范围内只有有限的分立光谱线且分布不均匀，由于CCD等探测器离散像元大小的影响，对高分辨率光谱仪波长校准精度影响较大，无法实现光谱仪全波段中心波长的标定及对应光谱分辨率的标定，仅适用于全波段中心波长为线性关系的光谱仪中心波长的标定，适用范围窄，而多数光谱仪全波段并非线性关系，多采用多项式拟合校准，该方法需要较多的而且分布相对均匀的特征谱线；传统单色仪能在较宽的波段范围内输出任意波长的单色光，能够得到每个光谱通道的光谱响应曲线，通过光谱响应曲线可获得光谱仪每一光谱通道的中心波长及光谱分辨率，具有校准精度高、全波段校准及适用范围广等优点，但由于每次只能校准一个波长，受时间、波长扫描机构和环境等外在因素的影响，每次引入的误差不一样，单色仪输出单色光的波长会发生漂移，不能保证单色光的准确度，也就不能保证光谱仪光谱校准的精度，当校准高分辨率光谱仪时需校准较多谱线，花费时间长操作麻烦且易受光源稳定性的影响。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种提供高分辨率、高密度的梳状光谱光信号样的梳状光谱光源系统，其能够对光谱仪光谱校准时不需要单色仪的波长扫描即可一次获取均匀光谱间隔的多个单色通道的光谱校准数据。

本发明还有一个目的是通过利用法布里佩罗标准具进行透射光谱的选通，透射的波段、光谱分辨率、自由光谱范围均可根据需求设计，可提高梳状光谱光源系统的适用性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，包括：

宽谱段光源，其用于发出连续光谱的光；

准直装置，其对准所述宽谱段光源设置，用于准直耦合进所述宽谱段光源发出的光；

法布里佩罗标准具，其对准所述准直装置设置，以使从所述准直装置平行入射的光发生等倾干涉，并滤出满足透射条件的多个等频率间隔的不同波长的窄带光；

聚焦镜，其对准所述法布里佩罗标准具设置，以将所述窄带光汇聚至所述聚焦镜的出射小孔，形成光谱成分为窄带的梳状光。

优选的是，其中，还包括：入射光纤，其连接于所述宽谱段光源，传输耦合进所述入射光纤的光，所述入射光纤的光纤芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口。

优选的是，其中，还包括：出射光纤，其连接于所述聚焦镜，以使所述窄带光耦合进所述出射光纤输出光谱成分为窄带的梳状光，所述出射光纤的芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口。

优选的是，其中，所述宽谱段光源的光谱范围为：360-2500nm，输出功率为7W，色温为3000K。

优选的是，其中，所述准直装置为准直镜或者成像镜，所述准直镜和所述反射镜均采用同参数的离轴抛物反射镜，所述离轴抛物反射镜为无色差反射镜，焦距为25.4mm，口径为Φ25.4mm，离轴角为30°。

优选的是，其中，所述法布里佩罗标准具波长为750-1050nm，空气隙厚度为0.333mm，自由光谱范围，平面度λ/80，精细度F≥30，通光孔径Φ20mm。

优选的是，其中，所述聚焦镜的出射小孔的孔径为Φ0.2mm。

优选的是，其中，所述宽谱段光源为卤钨灯光源、氙灯或者白光激光器。

优选的是，其中，所述宽谱段光源的出光口可置于所述准直装置的焦点处形成紧凑型配置对光耦合进入所述准直装置进行准直。

本发明至少包括以下有益效果：

1、由于利用法布里佩罗标准具进行透射光谱的选通，透射的波段、光谱分辨率、自由光谱范围均可根据需求设计，因此能够提高梳状光谱光源系统的适用性；

2、由于通过本发明光源装置提供高分辨率、高密度的梳状光谱光信号，因此，其能够对光谱仪光谱校准时不需要单色仪的波长扫描即可一次获取均匀光谱间隔的多个单色通道的光谱校准数据；

3、本发明的光源装置的特征波长数及分布均匀性指标均优于传统光谱校准用的汞氩灯光源，特别适合于采用多项式拟合校准的光栅光谱仪的校准使用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置的结构示意图；

图2说明的是产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置产生的梳状光谱谱线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明/发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了根据本发明产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置的一种实现形式，其中包括：

宽谱段光源1，其用于发出连续光谱的光；

准直装置3，其对准所述宽谱段光源1设置，用于准直耦合进所述宽谱段光源1发出的光；

法布里佩罗标准具4，其对准所述准直装置3设置，以使从所述准直装置3平行入射的光发生等倾干涉，并滤出满足透射条件的多个等频率间隔的不同波长的窄带光；

聚焦镜5，其对准所述法布里佩罗标准具4设置，以将所述窄带光汇聚至所述聚焦5的出射小孔，形成光谱成分为窄带的梳状光。

其中，所述出射小孔设置在所述聚焦镜的镜面上。

在另一种实例中，宽谱段连续光源发出的光耦合进入射光纤后经过准直镜进行准直，平行入射到法布里佩罗标准具上发生等倾干涉后滤出满足透射条件的等频率间距的不同波长的窄带光透过标准具后经聚焦镜汇聚至出射小孔处，耦合进出射光纤，则出射光纤处即可得到光谱成分为窄带梳状的光，得到的窄带梳状的光可输入到光栅光谱仪的狭缝处对光谱仪进行光谱校准。该装置利用法布里佩罗标准具进行透射光谱的选通，透射的波段、光谱分辨率、自由光谱范围均可根据需求设计，配合相应谱段的宽波段光源，能够提供高光谱分辨率、高密度的梳状光谱光信号，对光谱仪光谱校准时不需要单色仪的波长扫描即可一次获取均匀光谱间隔的多个单色通道的光谱校准数据，且特征波长数及分布均匀性指标均优于传统光谱校准用的汞氩灯光源，特别适合于采用多项式拟合校准的光栅光谱仪的校准使用。

在另一种实例中，还包括：入射光纤2，其连接于所述宽谱段光源1，传输耦合进所述入射光纤2的光，所述入射光纤2的光纤芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求根据校准的设备的不同而选择不同光源的实施态样。

在另一种实例中，还包括：出射光纤6，其连接于所述聚焦镜5，以使所述窄带光耦合进所述出射光纤6输出光谱成分为窄带的梳状光，所述出射光纤6的芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求根据校准的光谱设备的不同或者形成的梳状的光谱线的不同而选择不同的出射光纤和不同参数的实施态样。

如图2示出了本发明产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置产生的梳状光谱谱线示意图，所产生的梳状光谱谱线分辨率高，密度大，分布均匀，无需单色仪，即可一次获取均匀光谱间隔的多个单色通道的光谱校准数据。

在另一种实例中，所述宽谱段光源的光谱范围为：360-2500nm，输出功率为7W，色温为3000K。

其中，该光源覆盖可见光到近红外全谱段，能满足所有可见光、近红外光谱仪的光谱校准使用，根据所需要校准的设备的光谱范围，该光源参数可以调整。

在另一种实例中，所述准直装置为准直镜或者成像镜，所述准直镜和所述反射镜均采用同参数的离轴抛物反射镜，所述反射镜为无色差反射镜，焦距为25.4mm，口径Φ25.4mm，离轴角为30°。反射式准直镜无色差，无需额外的消色差设计，能满足极宽谱段范围的无色差应用。如设备只在一定谱段范围内，如可见光400-700nm，对光谱仪进行光谱校准，也可选用消色差透镜，但其色差不能像反射镜一样完全消除。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求根据校准的光谱设备的不同而选择不同准直装置以及设置不同的参数的实施态样。

在另一种实例中，所述法布里佩罗标准具波长为750-1050nm，空气隙厚度为0.333mm，自由光谱范围Δv_FSR＝15cm^-1，平面度λ/80，精细度F≥30，通光孔径Φ20mm。其自由光谱范围为与光谱仪光谱分辨率匹配设计参数，要求其自由光谱范围低于光谱仪的光谱分辨率，才可以被光谱仪所分辨；平面度与精细度参数受工艺成本的限制；通光孔径与准直镜、成像镜匹配。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求根据校准的光谱设备的不同或者工艺的限制而选择不同的法布里佩罗标准具和不同参数的实施态样。

在另一种实例中，所述聚焦镜的出射小孔孔径为Φ0.2mm。使其略大于光纤芯径。

在另一种实例中，所述宽谱段光源为卤钨灯光源、氙灯或者白光激光器。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求根据校准的设备的不同而选择不同光源的实施态样。

在另一种实例中，所述宽谱段光源的出光口可置于所述准直装置的焦点处形成紧凑型配置对光耦合进入所述准直装置进行准直。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，根据本发明，由于利用法布里佩罗标准具进行透射光谱的选通，透射的波段、光谱分辨率、自由光谱范围均可根据需求设计，因此能够提高梳状光谱光源系统的适用性；由于通过本发明光源装置提供高分辨率、高密度的梳状光谱光信号样的梳状光谱光源系统，因此，其能够对光谱仪光谱校准时不需要单色仪的波长扫描即可一次获取均匀光谱间隔的多个单色通道的光谱校准数据；梳状光谱光源系统所得到的梳状光谱谱线的特征波长数及分布均匀性指标均优于传统光谱校准用的汞氩灯光源，特别适合于采用多项式拟合校准的光栅光谱仪的校准使用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，包括：

宽谱段光源，其用于发出连续光谱的光；

准直装置，其对准所述宽谱段光源设置，用于准直所述宽谱段光源发出的光；

法布里佩罗标准具，其对准所述准直装置设置，以使从所述准直装置平行入射的光发生等倾干涉，并滤出满足透射条件的多个等频率间隔的不同波长的窄带光；

聚焦镜，其对准所述法布里佩罗标准具设置，以将所述窄带光汇聚至所述聚焦镜的出射小孔，形成光谱成分为窄带的梳状光；

入射光纤，其连接于所述宽谱段光源，传输耦合进所述入射光纤的光，所述入射光纤的光纤芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口；

其中，所述法布里佩罗标准具波长为750-1050nm，空气隙厚度为0.333mm，自由光谱范围Δν_FSR＝15cm^-1，平面度λ/80，精细度F≥30，通光孔径Φ20mm。

2.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置源系统，其特征在于，还包括：出射光纤，其连接于所述聚焦镜，以使所述窄带光耦合进所述出射光纤输出光谱成分为窄带的梳状光，所述出射光纤的芯径为105μm，数值孔径NA＝0.22，光纤接口为SMA905光纤接口。

3.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，所述宽谱段光源的光谱范围为：360-2500nm，输出功率为7W，色温为3000K。

4.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，所述准直装置为准直镜，所述准直镜和所述聚焦镜均采用同参数的离轴抛物反射镜，所述离轴抛物反射镜为无色差反射镜，焦距为25.4mm，口径为Φ25.4mm，离轴角为30°。

5.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，所述聚焦镜的出射小孔的孔径为Φ0.2mm。

6.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，所述宽谱段光源为卤钨灯光源、氙灯或者白光激光器。

7.如权利要求1所述的产生用于光谱仪光谱校准的梳状光谱的光源装置，其特征在于，所述宽谱段光源的出光口可置于所述准直装置的焦点处形成紧凑型配置对光耦合进入所述准直装置的光进行准直。