CN107024281A - 一种双通道辐射谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及放射性检测技术领域，一种双通道辐射谱仪具有两个光路，包括孔径光阑、复消色差透镜、光学暗箱、起偏器、视场光阑、准直透镜、分束器、平面镜I、透镜I、光电二极管I、跨阻抗放大器I、窄带输出信号、Lyot光阑、声光可调谐滤波器AOTF、透镜II、平面镜II、微波发生器、宽带信号输出、跨阻抗放大器II、光电二极管II、透镜III、平面镜III、CCD摄像机，进入光电二极管II的光未经过声光可调谐滤波器AOTF滤波，其在光电二极管II中转换成电压信号，通过跨阻抗放大器II放大后直接得到宽带信号输出；进入光电二极管I的光两次经过声光可调谐滤波器AOTF，其在光电二极管I中转换成电压信号，再通过跨阻抗放大器I放大后得到窄带输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及放射性检测技术领域，特别是一种窄谱信号和宽谱信号同时采集来进行热力学测量的一种双通道辐射谱仪。
背景技术
可调谐辐射谱仪在许多科学研究和工业生产过程中有应用，其中的主要元件可调谐带通光学滤波器可以用于扫描宽带不均匀光源的功率分布，比如各种有特制薄膜的干涉滤波器、基于Lyot-Ohman概念的可调谐液晶滤波器、光学单色仪、声光可调谐滤波器AOTF等。其中，声光可调谐滤波器AOTF是一种固体电调带通滤波器，利用了各向异性介质中的声光原理，以双折射量随角度的变化来补偿因角度变化所引起的动量失配，能够从入射光源中选择、透射出单一波长的光。声光可调谐滤波器AOTF的基本结构有声光介质、电-声换能器阵列和声终端三部分，当射频信号加到换能器上时，激励出超声波并耦合到声光介质中；当自然光以一定的入射角入射到该声光介质时，由于声光相互作用，入射光被衍射成两束正交的线偏振光，即寻常光(o光)和非寻常光(e光)，改变超声波频率，两偏振光波长也将相应改变。通过改变作用在AOTF电-声换能器上的射频信号来控制透射光的波长(被滤出的一级衍射光)，根据波长范围来改变载波频率，就能够得到全范围的光谱分析；通过调节射频信号的幅度，也能调节透射光(滤出光)强度。光谱分析系统的性能主要由波长调谐范围、光谱分辨率、旁瓣决定，由于光的衍射作用，光谱分析系统中探测到的在某个特定位置的光在频域表现为一个主频率的峰，除此之外在主频率的峰两侧还有一些次级小峰，这就是所谓旁瓣。现有技术的基于AOTF的辐射谱仪大多是以单通模式工作，其缺点是，由于有较强的衍射旁瓣存在，带外光的会影响单通AOTF辐射谱仪的工作，另外，现有技术的基于滤波器的辐射谱仪在进行热力学测量时需要有准确的校准值，因此实验较为复杂，所述一种双通道辐射谱仪能解决这一问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明涉及一种基于双通声光可调谐滤波器AOTF的辐射谱仪，用于高温计量学，确定1000至2500摄氏度范围内高温黑体的热动力学温度，测试的波长范围在可见光范围650nm至1000nm可调。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种双通道辐射谱仪，主要包括孔径光阑、复消色差透镜、光学暗箱、起偏器、视场光阑、准直透镜、分束器、平面镜I、透镜I、光电二极管I、跨阻抗放大器I、窄带输出信号、Lyot光阑、声光可调谐滤波器AOTF、透镜II、平面镜II、微波发生器、宽带信号输出、跨阻抗放大器II、光电二极管II、透镜III、平面镜III、CCD摄像机，所述复消色差透镜、起偏器、视场光阑、准直透镜、分束器、平面镜I、透镜I、光电二极管I、跨阻抗放大器I、Lyot光阑、声光可调谐滤波器AOTF、透镜II、平面镜II、跨阻抗放大器II、光电二极管II、透镜III、平面镜III、CCD摄像机位于所述光学暗箱内并组成辐射谱仪，所述辐射谱仪入口侧具有待测物体，所述微波发生器连接所述声光可调谐滤波器AOTF，所述孔径光阑直径30毫米、且位于所述光学暗箱入口处，所述视场光阑直径1毫米，进而能够决定所述待测物体上被探测的区域相对于所述辐射谱仪的立体角Ω，所述起偏器用于控制入射光的线性光学偏振的方向，所述CCD摄像机用于收集被所述起偏器折射的p偏振光，以对所述待测物体上被探测的区域进行成像，在所述声光可调谐滤波器AOTF的前侧面的所述Lyot光阑用于对辐射谱仪的调制传输函数进行过滤，以减少装置中的杂散光；本谱仪具有两个光路，在光路I中，所述待测物体发出的光依次经过所述孔径光阑、复消色差透镜、起偏器、视场光阑、准直透镜至分束器，一部分入射光通过所述分束器并经过Lyot光阑、到达所述声光可调谐滤波器AOTF并被折射形成第一次滤出光射出，所述第一次滤出光通过所述透镜II到达平面镜II、并被所述平面镜II反射后通过所述透镜II，再次进入所述声光可调谐滤波器AOTF中，经过第二次折射后其偏振方向不变并形成与原光束传播方向相对的第二次滤出光，所述第二次滤出光经过所述Lyot光阑到达所述分束器，所述分束器用于使得约20％的第二次滤出光发生偏转，并经所述平面镜I和透镜I进入所述光电二极管I；在光路II中，所述分束器将一部分所述待测物体发出的经过准直透镜到达其前侧面的光折射，并经所述平面镜III和透镜III进入所述光电二极管II；进入所述光电二极管II的光未经过所述声光可调谐滤波器AOTF滤波，其在所述光电二极管II中转换成电压信号，通过所述跨阻抗放大器II放大后直接得到所述宽带信号输出；进入所述光电二极管I的光两次经过所述声光可调谐滤波器AOTF，其在所述光电二极管I中转换成电压信号，再通过所述跨阻抗放大器I放大后得到所述窄带输出信号。
采用所述一种双通道辐射谱仪的实验步骤为：
一.将所述辐射谱仪置于特定位置，以使得所述孔径光阑与所述待测物体距离约为900毫米；
二.使用所述CCD摄像机观测所述待测物体上的被探测区域的像，所述待测物体上只有被探测区域发出的光能进入所述辐射谱仪中，被探测区域的面积为A；
三.通过移动所述辐射谱仪来对所述待测物体上的不同区域进行探测；
四.所述微波发生器输出的微波频率在某个固定值时，所述声光可调谐滤波器AOTF将光束中某个窄带频率范围的光过滤出来，以扫描的方式改变所述微波发生器输出的微波频率，以调控所述声光可调谐滤波器AOTF扫描过滤窄带光；
五.同时采集所述窄带输出信号U1以及所述宽带输出信号U2：
六.分别在所述待测物体温度T1和T2时，同时采集窄带输出信号U1以及宽带输出信号U2，并通过计算机分析得出S1，1、S1，2、S2，1、S2，2，并最终得到T1和T2的值。
由于典型的探测光功率较低，由光二级管产生的光电流需要通过高增益跨阻抗放大器转换成电压，一路输出电压信号U1即所述窄带输出信号，另一路输出电压信号U2即所述宽带输出信号，将所述两个信号结合就能够得到更为精确的热力学温度值，
其中，G1是所述跨阻抗放大器I增益，B1是所述光电二极管I的光通量相对于进入所述孔径光阑的光通量的比值，其中G2是所述跨阻抗放大器II增益，B2是进入所述光电二极管II的光通量相对于进入所述孔径光阑的光通量的比值，光在光学元件表面的反射会产生损耗，T2(λ，v0)是本发明的双通构型的所述声光可调谐滤波器AOTF在某个频率下的透射系数，SPD(λ)是光电二极管的光谱响应，φi(λ)是输入光通量密度，且其在进入辐射谱仪后取决于光源的光谱辐射L(λ)，φi(λ)＝Ω·A·L(λ)，λ代表波长。所述窄带输出信号U1以及宽带输出信号U2能够输入计算机计算。
本发明光路I中，光依次经过孔径光阑、复消色差透镜、起偏器、视场光阑、准直透镜、分束器、Lyot光阑、声光可调谐滤波器AOTF、透镜II、平面镜II、透镜II、声光可调谐滤波器AOTF、Lyot光阑、分束器、平面镜I、透镜I、光电二极管I；在光路II中，光依次经过孔径光阑、复消色差透镜、起偏器、视场光阑、准直透镜、分束器、平面镜III、透镜III、光电二极管II。
光路I的相对光谱响应S1(λ)＝R1(λ)/k1，光谱响应R1(λ)，k1为常数；光路II的相对光谱响应S2(λ)＝R2(λ)/k2，光谱响应R2(λ)，k2为常数。光路II的光谱响应仅由光电二极管的光谱响应决定，因此与光路I的光谱响应不同。
所述待测物体在T1温度时，使用本发明的谱仪进行测量，由所述窄带输出信号得到由所述宽带输出信号得到
所述待测物体在T2温度时，使用本发明的谱仪进行测量，由所述窄带输出信号得到由所述宽带输出信号得到其中，Lb(λ，T)为普朗克方程，进一步得到：
假设：在每个波长条件下，在上述两个温度时，黑体的有效辐射系数是一样的，通过放宽单色条件来引入非线性；使用Sakuma-Hattori等式代入等式(A1)和(A2)，其中S为光谱响应，C为标量系数，c2为第二辐射常数，λx为有效波长，T为温度(以开尔文为单位)，等式(A1)和(A2)变为：
和
其中ri＝1或2，分别代表光路I和光路II，λ0，i是光谱响应的平均波长，σi是光谱响应的标准差，ri是相对带宽，用于表征不同光谱响应。对于合适的r1和r2值，特别是r2与r1差别较大时，等式(B1)和(B2)包含了足够的非线性，从而能够更精确地求解出T1和T2的值，而当光路II中的光是宽带光时，σ2相对较大，能够满足r1和r2之间的条件，因此，本谱仪必须的技术特征为能够用于收集宽带信号的光路II，这样，能够使用一个宽带输出信号，改善了T1和T2求解的精确度。
本发明的有益效果是：
所述一种双通道辐射谱仪，衍射旁瓣小，带外光的影响减弱；能够同时测量宽带和窄带信号，因此只需要相对的光谱响应，从而实验的复杂度降低，并提高了热力学温度测量的精度。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图。
图中，1.光源，2.孔径光阑，3.复消色差透镜，4.光学暗箱，5.起偏器，6.视场光阑，7.准直透镜，8.分束器，9.平面镜I，10.透镜I，11.光电二极管I，12.跨阻抗放大器I，13.窄带输出信号，14.Lyot光阑，15.声光可调谐滤波器AOTF，16.透镜II，17.平面镜II，18.微波发生器，19.宽带输出信号，20.跨阻抗放大器II，21.光电二极管II，22.透镜III，23.平面镜III，24.CCD摄像机。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，主要包括孔径光阑2、复消色差透镜3、光学暗箱4、起偏器5、视场光阑6、准直透镜7、分束器8、平面镜I 9、透镜I 10、光电二极管I 11、跨阻抗放大器I12、窄带输出信号13、Lyot光阑14、声光可调谐滤波器AOTF15、透镜II 16、平面镜II 17、微波发生器18、宽带信号输出19、跨阻抗放大器II 20、光电二极管II 21、透镜III22、平面镜III23、CCD摄像机24，所述复消色差透镜3、起偏器5、视场光阑6、准直透镜7、分束器8、平面镜I 9、透镜I 10、光电二极管I 11、跨阻抗放大器I 12、Lyot光阑14、声光可调谐滤波器AOTF15、透镜II 16、平面镜II 17、跨阻抗放大器II 20、光电二极管II 21、透镜III22、平面镜III23、CCD摄像机24位于所述光学暗箱4内并组成辐射谱仪，所述辐射谱仪入口侧具有待测物体1，所述微波发生器18连接所述声光可调谐滤波器AOTF15，所述孔径光阑2直径30毫米、且位于所述光学暗箱4入口处，所述视场光阑6直径1毫米，进而能够决定所述待测物体1上被探测的区域相对于所述辐射谱仪的立体角Ω，所述起偏器5用于控制入射光的线性光学偏振的方向，所述CCD摄像机24用于收集被所述起偏器5折射的p偏振光，以对所述待测物体1上被探测的区域进行成像，在所述声光可调谐滤波器AOTF15的前侧面的所述Lyot光阑14用于对辐射谱仪的调制传输函数进行过滤，以减少装置中的杂散光；本谱仪具有两个光路，在光路I中，所述待测物体1发出的光依次经过所述孔径光阑2、复消色差透镜3、起偏器5、视场光阑6、准直透镜7至分束器8，一部分入射光通过所述分束器8并经过Lyot光阑14、到达所述声光可调谐滤波器AOTF15并被折射形成第一次滤出光射出，所述第一次滤出光通过所述透镜II 16到达平面镜II 17、并被所述平面镜II 17反射后通过所述透镜II 16，再次进入所述声光可调谐滤波器AOTF15中，经过第二次折射后其偏振方向不变并形成与原光束传播方向相对的第二次滤出光，所述第二次滤出光经过所述Lyot光阑14到达所述分束器8，所述分束器8用于使得约20％的第二次滤出光发生偏转，并经所述平面镜I 9和透镜I 10进入所述光电二极管I 11；在光路II中，所述分束器8将一部分所述待测物体1发出的经过准直透镜7到达其前侧面的光折射，并经所述平面镜III23和透镜III22进入所述光电二极管II 21；进入所述光电二极管II 21的光未经过所述声光可调谐滤波器AOTF15滤波，其在所述光电二极管II 21中转换成电压信号，通过所述跨阻抗放大器II 20放大后直接得到所述宽带信号输出19；进入所述光电二极管I 11的光两次经过所述声光可调谐滤波器AOTF15，其在所述光电二极管I 11中转换成电压信号，再通过所述跨阻抗放大器I 12放大后得到所述窄带输出信号13。
Claims (1)
1.一种双通道辐射谱仪，主要包括孔径光阑(2)、复消色差透镜(3)、光学暗箱(4)、起偏器(5)、视场光阑(6)、准直透镜(7)、分束器(8)、平面镜I(9)、透镜I(10)、光电二极管I(11)、跨阻抗放大器I(12)、窄带输出信号(13)、Lyot光阑(14)、声光可调谐滤波器AOTF(15)、透镜II(16)、平面镜II(17)、微波发生器(18)、宽带信号输出(19)、跨阻抗放大器II(20)、光电二极管II(21)、透镜III(22)、平面镜III(23)、CCD摄像机(24)，所述复消色差透镜(3)、起偏器(5)、视场光阑(6)、准直透镜(7)、分束器(8)、平面镜I(9)、透镜I(10)、光电二极管I(11)、跨阻抗放大器I(12)、Lyot光阑(14)、声光可调谐滤波器AOTF(15)、透镜II(16)、平面镜II(17)、跨阻抗放大器II(20)、光电二极管II(21)、透镜III(22)、平面镜III(23)、CCD摄像机(24)位于所述光学暗箱(4)内并组成辐射谱仪，所述辐射谱仪入口侧具有待测物体(1)，所述微波发生器(18)连接所述声光可调谐滤波器AOTF(15)，所述孔径光阑(2)直径30毫米、且位于所述光学暗箱(4)入口处，所述视场光阑(6)直径1毫米，进而能够决定所述待测物体(1)上被探测的区域相对于所述辐射谱仪的立体角Ω，所述起偏器(5)用于控制入射光的线性光学偏振的方向，所述CCD摄像机(24)用于收集被所述起偏器(5)折射的p偏振光，以对所述待测物体(1)上被探测的区域进行成像，在所述声光可调谐滤波器AOTF(15)的前侧面的所述Lyot光阑(14)用于对辐射谱仪的调制传输函数进行过滤，以减少装置中的杂散光；所述待测物体(1)发出的光依次经过所述孔径光阑(2)、复消色差透镜(3)、起偏器(5)、视场光阑(6)、准直透镜(7)至分束器(8)，一部分入射光通过所述分束器(8)并经过Lyot光阑(14)、到达所述声光可调谐滤波器AOTF(15)并被折射形成第一次滤出光射出，所述第一次滤出光通过所述透镜II(16)到达平面镜II(17)、并被所述平面镜II(17)反射后通过所述透镜II(16)，再次进入所述声光可调谐滤波器AOTF(15)中，经过第二次折射后其偏振方向不变并形成与原光束传播方向相对的第二次滤出光，所述第二次滤出光经过所述Lyot光阑(14)到达所述分束器(8)，所述分束器(8)用于使得约20％的第二次滤出光发生偏转，并经所述平面镜I(9)和透镜I(10)进入所述光电二极管I(11)；所述分束器(8)将一部分所述待测物体(1)发出的经过准直透镜(7)到达其前侧面的光折射，并经所述平面镜III(23)和透镜III(22)进入所述光电二极管II(21)，
其特征是：本谱仪具有两个光路，进入所述光电二极管II(21)的光未经过所述声光可调谐滤波器AOTF(15)滤波，其在所述光电二极管II(21)中转换成电压信号，通过所述跨阻抗放大器II(20)放大后直接得到所述宽带信号输出(19)；进入所述光电二极管I(11)的光两次经过所述声光可调谐滤波器AOTF(15)，其在所述光电二极管I(11)中转换成电压信号，再通过所述跨阻抗放大器I(12)放大后得到所述窄带输出信号(13)。
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2017
- 2017-05-04 CN CN201710341345.7A patent/CN107024281A/zh active Pending
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