CN105738081A - 用于光路准直和相对光谱透过率检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光路准直和透光性检测的装置及其检测方法，该装置包括照明装置和光电检测装置，所述照明装置发出的光通过光电检测装置进行检测，所述照明装置包括光束准直器、热辐射光源、薄透镜光纤耦合器、单模光纤和光澜，所述热辐射光源通过薄透镜光纤耦合器将平行光汇聚到单模光纤，单模光纤发出的光送到光束准直器，光束准直器发出的光通过光澜照射到光电检测装置。本发明装置结构简单，性能可靠，可用于光路准直和光学系统的光谱响应测试，也能用于单个光学器件的光谱特性测试。基于本发明装置的测试步骤少，方法简单可靠，能够很容易的得出被测光学系统的光谱相对透过率曲线。

Description

用于光路准直和相对光谱透过率检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种实验室光学系统的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置及其检测方法，属光学工程领域。

背景技术

在光学实验研究和应用中的很多领域，用户经常会根据实际需要，自己采购光学元器件，组装光学测试系统或者联用两套甚至多套光学测试系统。比如，自己组装各种类型的光学显微镜，或者将显微镜与拉曼光谱仪联用组成显微拉曼光谱系统，或者将显微拉曼系统与原子力显微镜联用组成近场光学测试系统等。在组装或者联用光学测试系统的时候，光学系统的光路准直和光谱透过率是人们常常关注的两个重要特性。人们在调节光路准直的时候，一般使用一台氦氖激光或者其他类型的激光光源辅助光路调节，但是目前还没有测量光学系统光谱透过率特性的简易设备。而光学测试系统的光谱透过率特性，往往会显著地影响光学系统的测试表征能力。例如，在显微拉曼、近场拉曼和高光谱成像等应用中，较低的光谱透过率会影响光学系统的灵敏度，而不规则的光谱透过率更好影响测试结果的定量分析。因此，急需构建一套简易的光学系统检测设备，具有较宽的发光光谱，而且具有优良的准直效果。本发明提出的一种用于光学系统光路准直和通光性能的检测设备，可以利用宽光谱特性检测光学系统的光谱透过率，也可利用准直性辅助光路调节。

目前与本发明最接近的现有技术有方案有两种。

第一种是一种用于遥感仪器光学系统光谱定标的自校准方法，中国专利公开号CN1546957A。该方法使用标准探测器，通过校准镜，分别对单色仪、耦合光学系统及校准镜进行测量，经过严格的换算，计算出耦合光学系统、单色仪、光源的相对光谱。该发明是建立在特殊的耦合光学系统的基础上，测量精度高，对于高精度的光谱定标有实用价值。

第二种中国专利公开号CN104122245A，公开了一种高度集成、封闭光路系统便携式拉曼光谱仪校准光路标准光源引入方法。该方法设计制造一种光路通道关键部件，使其连接拉曼光谱仪样品台和固定支撑标准光源。该关键部件带有磁性粒珠的下端与拉曼光谱样品台的凹槽垂直结合，标准光源插入该部件上端的羽翼处，而且光源与关键部件的光路入口准直，标准光能稳定地通过光路通道关键部件的圆孔，准直进入校准光路，从而将标准光源引入拉曼光谱校准光路，实现对便携式拉曼光谱仪的校准。

第一种方案主要针对光学遥感测试系统。为了对遥感系统进行光谱定标，该发明利用单色仪从卤钨灯获得单色点光源，然后通过一个光束扩束器形成准直光束，模拟遥感中被测目标的发射光，进入遥感测试系统。在遥感测试系统的接收端，用一个光谱响应已知的硅探测器测量接收到的光信号。使用单色仪可以在一定范围内选定波长的光，从而获得光学遥感系统对该波长的光谱响应。但是该方法缺乏一定的灵活性，而且体积较大，不太适合普通实验室中光学测试系统的光谱响应标定。而且，光源处使用单色仪的方法，获得光线较弱，不利用精确导入光学系统。

第二种方案，主要设计了拉曼光谱仪校准光的引入方法。该方案设计的接口系统可以将汞灯标准灯发出的特征光线耦合进入光谱仪，而且能够阻挡外界杂散光进入光谱仪，避免了外界杂散光的干扰。但是该方案一般只用于标定光谱仪的波长，无法对光路系统的灵敏度进行标定。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出用于光路准直和相对光谱透过率检测装置及其检测方法，通过使用了光纤准直系统，结构紧凑，与照明的光源分离，可以很方便的放置在光学测试系统中，方便用户根据实际需要灵活调整。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，该装置包括照明装置和光电检测装置，所述照明装置发出的光通过光电检测装置进行检测，所述照明装置包括光束准直器、热辐射光源、薄透镜光纤耦合器、单模光纤和光澜，所述热辐射光源通过薄透镜光纤耦合器将平行光汇聚到单模光纤，单模光纤发出的光送到光束准直器，光束准直器发出的光通过光澜照射到光电检测装置。

所述照明装置还包括三维位移平台，所述单模光纤的输出端、光束准直器和光澜固定在三维位移平台上。所述单模光纤输入端和输出端分别固定在光纤夹持器，所述单模光纤输出端的光纤夹持器固定在三维位移平台上。所述的光束准直器包括凸透镜和凹透镜。所述光电检测装置包括汇聚透镜、光纤夹持器、多模光纤和光纤光谱仪，汇聚透镜将被测光束汇聚进入多模光纤，光束经过光纤导入光纤光谱仪，并转换为电信号供电脑采集保存。

一种用于光路准直和相对光谱透过率检测装置的检测方法，该方法在相对光谱透过率检测时，先用光电检测装置，测量照明装置发射的准直光的光谱，获得整个发明装置自身的光谱响应曲线；再将照明装置发射的准直光引入被测光学系统，将透过光学系统的出射光导入光电检测装置，获得新的光谱曲线；最后得到被测光学系统的相对光谱透过率。被测光学系统的相对光谱透过率。在检测光路准直时，调整照明装置中的光阑，获得直径约5毫米左右的准直光束，使用该光束作为光路调整中的准线。

本发明有益效果是:本发明公开的一种用于光学系统的光路准直和通光性能检测的设备，建立在光纤耦合系统和光纤光谱仪的基础上。其中的照明部分，使用了光纤准直系统，结构紧凑，与照明的光源分离，可以很方便的放置在光学测试系统中，方便用户根据实际需要灵活调整。该装置具有较宽的发光光谱，其光谱特性可根据实际需要通过调整电源的辐射温度调整，而且具有优良的准直效果。该装置可实现两种功能，既可以利用宽光谱特性检测光学系统的光谱透过率，也可利用准直性辅助光路调节。本发明对于实验光路的组建和自检具有很强的实用价值，也适用于光学工程的其他领域，比如遥感光学系统的光谱特性检查等。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明具体实施方式的照明装置结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的光电检测部分结构示意图；

图3为本发明具体实施方式的光谱响应自测的示意图；

图4为本发明具体实施方式的被测光学系统光谱响应测量的示意图；

图5为本发明具体实施方式的典型拉曼光谱光路测试所得的试验效果图；

图6为本发明具体实施方式的被测光学系统的相对光谱透过率图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

该装置包括照明装置和光电检测装置，照明装置可发射一个连续的宽光谱白光，通过光电检测装置对透过被检测光路的光进行检测，所述照明装置包括光热辐射光源、薄透镜光纤耦合器、单模光纤、束准直器和光澜，所述热辐射光源通过薄透镜光纤耦合器将平行光汇聚到单模光纤，单模光纤发出的光送到光束准直器，光束准直器发出的光通过光澜调整输出平行光束的直径，然后照射到光电检测装置。

本发明的主要特点为照明装置，照明装置包括大功率宽谱光源、薄透镜光纤耦合系统、单模光纤共同构成光纤式宽谱光源。

宽谱光源的光谱强度可通过调节光源灯的类型和功率控制，可使用性能稳定的卤钨灯做光源，通过调节灯的温度获得所需的光谱输出特性。

单模光纤根据实际所需的光谱范围选择合适的光纤材料，一般可选择石英玻璃的光纤，纤芯直径10微米左右，数值孔径约0.2。

单模光纤的输出端固定在1个光纤夹持器上。夹持器后面是一个光束扩束系统，用于将单模光纤输出的光扩束为准直光。该扩束系统由薄凹透镜和薄凸透镜组成，透镜一般使用石英材料，可根据需要的光谱范围，选择一定的表面镀膜，增强其透光本领。

扩束系统后是一个固定在二维镜架上的光阑，用于调整准直光的大小。

光纤夹持器、光束扩束系统和光阑被固定在1个微型五维手动位移台上。水平和上下2个方向调整该位移台，可调节准直光与被测光路系统的相对位置，另外三个维度的调节主要用于调节准直光的三个方向角。综合调整五维位移台，可以使准直光与被测试光路的光轴达到精确重合。

准直光用于调整光路准直时，可事先调整准直光的输出高度和方向角并固定。固定后的准直光作为被测光路的准线，用于校准调节被测光学系统的各个光电元器件的相对位置，实现光路准直。使用宽谱光源作为光路准直的准线，其优点是可降低各光学器件自身光谱特性的影响，能够用于大部分光学器件的调节。

光电检测装置包括1个薄凸透镜，用于聚焦通过被测光路系统的准直光线。

1根多模光纤的输入端固定在薄透镜的焦点处，用于接收薄透镜收集的光信号。为了提高光的接受本领，多模光纤的纤芯一般选择200微米左右。

多模光纤的输出端接入小型光纤光谱仪，用于光电转换，并将电信号输入到电脑保存。

为了有效将光信号输入光纤光谱仪，多模光纤的数值孔径要求与光纤光谱仪的数值孔径匹配。

图1给出了本发明的照明装置的示意图，图中的带箭头的直线代表光线。按照光线输出方向，从右到左的顺序依次为，热辐射光源1，是一个高稳定平行卤钨灯光源（型号CEL-HTL500），其光谱范围300-2000nm；薄透镜光纤耦合器2的数值孔径为0.2，将卤钨灯的平行光汇聚进入一根纤芯直径为10微米的单模光纤4的输入端；单模光纤4的输入端固定在光纤夹持器3上；光纤4的输出端固定在光纤夹持器5上；光纤4的输出光通过一个由凹透镜6和凸透镜7组合而成的光束准直器，形成一个直径约20毫米的准直光束；该准直光束通过一个圆形窗口的光澜8，获得直径和功率可调的准直光；光纤夹持器5、凹透镜6、凸透镜7和光澜8被固定在一个微型的五维位移平台9上；调整这个五维位移台可以在一定范围内调控准直光束的高度和方向角。

图2给出了本发明的光电检测装置的示意图。按照光线传输方向，从右到左依次为会聚薄透镜10、光纤夹持器11、多模光纤12、光纤光谱仪13。数值孔径为0.2的汇聚透镜将被测光束汇聚进入纤芯直径为200微米的多模光纤，光束经过光纤导入型号为QE65000的光纤光谱仪，并转换为电信号供电脑采集保存。

一种用于光路准直和相对光谱透过率检测装置的检测方法，该方法包括步骤一、先用光电检测装置测量照明装置发射的准直光的光谱，获得整个发明装置自身的光谱响应曲线；步骤二、用光电检测装置测量添加了被测光路的整个系统的光谱响应曲线；步骤三、根据上述两个步骤获得和，计算得出被测光路的光谱相对响应曲线。

用于相对光谱透过率检测时：先用本发明的光电检测装置，测量照明装置发射的准直光的光谱，获得整个发明装置自身的光谱响应曲线；再将本发明照明装置发射的准直光引入被测光学系统，将透过光学系统的出射光导入光电检测装置，获得新的光谱曲线；最后通过简单的数学计算，可以得到被测光学系统的相对光谱透过率。

用于光路准直时：需调整照明装置中的光阑，获得直径约5毫米左右的准直光束。使用该光束作为光路调整中的准线，用户可以很方便地安装调试自己的光学系统。由于使用了宽光谱光源，在可见光范围内都会有一定强度的光输出，本发明适合含有带通滤光片的光路准直调整。

当需要检测一个光学系统的光谱相对透过率曲线时，首先按照图3给出示意图，对本发明的装置进行标定。在没有被测光学系统的情况下，使用本发明设计的光电检测装置2测量光源照明装置1发射的光谱特性，得到本发明的光谱相对响应曲线。然后按照图4给出的示意图，测量加入被测光学系统后的光谱相对响应曲线。最后，根据上述步骤测量得到的和，经过简单的数学运算，可以得到被测光学系统的光谱相对透过率。

当需要检验光学系统的准直性时，可将图1中的光澜缩小到约5毫米左右，同时加大光源的强度。该光束可用作调整被检测光学系统中各个部件相对位置的准线，方便对光路系统进行微调。

使用该装置测试了我们实验室搭建的拉曼光信号收集系统的相对光谱透过率如图5所示，其中的两条光谱响应曲线分别为上文提到的和，图6给出了计算所得的被测光学系统的相对光谱透过率。

照明装置使用的单模光纤和光束扩束镜可以根据实际需要选用一定的商用光学器件组成；本发明采用单模光纤传导，能更好地保持输出光线的准直效果，减少杂散光；该系统的光束准直部分被整体安装在一个微型五维位移台上，其尺寸可根据透镜等光学器件的尺寸确定，一般可控制在50～100毫米。该装置可比较容易地置入被测光路中，占用的空间小，方便灵活。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，其特征在于，该装置包括照明装置和光电检测装置，所述照明装置发出的光通过光电检测装置进行检测，所述照明装置包括光束准直器、热辐射光源、薄透镜光纤耦合器、单模光纤和光澜，所述热辐射光源通过薄透镜光纤耦合器将平行光汇聚到单模光纤，单模光纤发出的光送到光束准直器，光束准直器发出的光通过光澜照射到光电检测装置。

2.根据权利要求1所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，其特征在于，所述照明装置还包括三维位移平台，所述单模光纤的输出端、光束准直器和光澜固定在三维位移平台上。

3.根据权利要求2所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，其特征在于，所述单模光纤输入端和输出端分别固定在光纤夹持器，所述单模光纤输出端的光纤夹持器固定在三维位移平台上。

4.根据权利要求1所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，其特征在于，所述的光束准直器包括凸透镜和凹透镜。

5.根据权利要求1所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置，其特征在于，所述光电检测装置包括汇聚透镜、光纤夹持器、多模光纤和光纤光谱仪，汇聚透镜将被测光束汇聚进入多模光纤，光束经过光纤导入光纤光谱仪，并转换为电信号供电脑采集保存。

6.一种用于光路准直和相对光谱透过率检测装置的检测方法，其特征在于，该方法在相对光谱透过率检测时，先用光电检测装置，测量照明装置发射的准直光的光谱，获得整个发明装置自身的光谱响应曲线；再将照明装置发射的准直光引入被测光学系统，将透过光学系统的出射光导入光电检测装置，获得新的光谱曲线；最后得到被测光学系统的相对光谱透过率。

7.根据权利要求1所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置的检测方法，其特征在于，被测光学系统的相对光谱透过率。

8.根据权利要求1所述的用于光路准直和相对光谱透过率检测装置的检测方法，其特征在于，在检测光路准直时，调整照明装置中的光阑，获得直径约5毫米左右的准直光束，使用该光束作为光路调整中的准线。