CN109060683A - 双波长光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双波长光谱仪，包括沿光路顺次相接的强光光源、光路结构部和光谱仪主机，光路结构部通过双芯端口与光谱仪主机相接；光路结构部包括Y型入射光纤及由该Y型入射光纤分出的第一光路和第二光路，第一光路依次设置有第一分光片、传输光纤、样品池和出射光纤，第二光路依次设置有第二分光片、传输光纤、样品池和出射光纤，Y型入射光纤的入射端口与所述强光光源相接；光谱仪主机包括沿光路依次设置的狭缝片、凹面光栅和面阵探测器。本发明结构简单，可在不移动样品池的情况下，一次测得同一样品在不同波长条件下的吸收光谱，消除了误差，提高了检测精度；且能够在面阵探测器上同时成像，检测更便捷，降低了处理难度。

Description

双波长光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，特别涉及一种双波长光谱仪，属于光谱测量领域。

背景技术

光谱仪是用来物质检测和光谱分析的基本光学仪器，主要利用物质在发射、吸收、反射时得到的光谱，来实现对物质组成的分析、材料的检定和物质成分的分析等。目前，光谱仪的应用领域较广，包括光学检测、生物化学分析、宇宙探索、环境保护等。随着光谱仪应用领域的扩展，对光谱仪测量时效性及测量精度的要求也越来越高。在进行溶液的浓度测量时，由于溶液中的每一种物质在不同浓度下具有不同的光谱吸收特性，因此，溶液中物质的含量多少可以通过分析吸收光谱的波长范围和强度进行判断。郎伯-比尔定律描述了物质浓度与光强吸收量之间的关系，是光谱分析技术的基础。当一束平行光通过具有一定厚度的溶液时，由于溶液中待测物质的光谱吸收特性，一部分光谱会被吸收，透射光强就会减弱。当溶液的厚度固定时，物质浓度越大，待测物质吸收的光谱就越多，透射光强就会更加减弱。因此，由郎伯-比尔定律可知，对于一待测物质，在一定波长下，该待测物质的吸光度与浓度成正比关系，即可表示为：其中，其中A为吸光度，I_t为入射光，I_o为出射光，ε为吸收系数，b为样品池厚度，C为样品浓度。吸光度与浓度C之间是一个线性关系，当拟合出线性关系后，就可以由吸光度得到物质的浓度。

光谱仪依据光路结构可以分为单光束光谱仪和双光束光谱仪。目前市面上的光谱仪多为单光束光谱仪，该类光谱仪结构简单，体积可小，便于携带，微型光谱仪通常采用这种光路结构。当测量物质组成成分时，光谱仪需要对待测物质进行多次测量，才能得到有用的信息，当要使用不同波长的光源对待测物质进行检测时，需要手动调整光源和光路并重新放置样品，耗费了时间还增加了手动操作带来的误差。由于单光路结构的原因，无法克服光源波动和暗电流噪声带来的影响，容易造成基线漂移，并使测量结果产生偏差。

双光束光谱仪是指光路中具有两束光，两束光的功能不同，一束光用来照射样品，另一束光用来照射探测器作为参考光，双光束光谱仪能够起到抵消光源波动、暗电流噪声带来的误差，但是，由于光路的不一致，会造成测量结果的额外偏差。双光束光谱仪结构复杂，体积庞大，有些双光束光谱仪的结构需要两个探测器，增加了光谱仪的成本和结构的复杂性；此外，大部分双光束光谱仪不能同时接收和显示光谱，通常需要一个斩光器来进行光路调制，斩光器的转动不仅不便于操作，还增加了光路结构的复杂度。在双光束光谱仪中，两根出射光纤传输的光能分别为I₁和I₂，通常情况下，需要计算光能补偿，补偿系数定义为：其中，I₁与I₂为光路中没有样品时两出射光纤传输的光能。η为补偿系数。在最终计算时，为了保证检测结果的准确性，需要加上补偿系数A＝A₂-ηA₁＝(ελ₂-ηελ₁)bC。当光路不一致时，补偿系数η是一个不为1的数，光能补偿的计算过程不仅延长了计算时间，还增大了计算难度，使得光谱仪反馈效率降低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种新型光路结构的双波长光谱仪，该双波长光谱仪结构简单且牢固稳定，能同时采集、显示并处理吸收的光谱，便于操作，光谱检测效率高。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种双波长光谱仪，包括强光光源，所述双波长光谱仪还包括沿光路顺次相接的光路结构部和光谱仪主机，所述光路结构部通过双芯端口与所述光谱仪主机相接；所述光路结构部包括Y型入射光纤及由该Y型入射光纤分出的第一光路和第二光路，所述第一光路依次设置有第一分光片、传输光纤、样品池和出射光纤，所述第二光路依次设置有第二分光片、传输光纤、样品池和出射光纤，所述Y型入射光纤的入射端口与所述强光光源相接；所述光谱仪主机包括沿光路依次设置的狭缝片、凹面光栅和面阵探测器。

进一步地，所述双芯端口由两条所述出射光纤的出射端口沿水平方向并行排列构成。

进一步地，所述Y型入射光纤、传输光纤和出射光纤的端口均为SMA905接口。

进一步地，所述传输光纤和出射光纤均为多模光纤，所述多模光纤的直径为100um-200um。

进一步地，所述Y型入射光纤的通光波段为190nm-2500nm。

进一步地，所述强光光源包括光整形透镜和可发出强光的灯泡。

进一步地，所述面阵探测器为CMOS类型探测器、CCD类型探测器或ICX285AL探测器。

进一步地，所述狭缝片产生狭缝的宽度为100um、长度为1mm。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的双波长光谱仪在不移动样品池的情况下，能够一次测得同一样品在不同波长条件下吸收的光谱，有效地消除了手动操作样品池和调节光路带来的误差，同时消除光源波动和暗电流等噪声带来的基线漂移等因素导致的检测结果偏差，提高了检测精度；

与传统的双光路结构的光谱仪相比，本发明没有传统光谱仪所必需的斩光盘部分，除去了机械转动部分，结构更简单；此外，本发明克服了传统双光路结构光谱仪通过调制依次成像的缺陷，能够在面阵探测器上同时成像，检测更便捷；

本发明的双波长光谱仪光路结构对称、光程一致，光信号强度相同，在后期数据处理时无需考虑光路补偿问题，降低了处理难度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例单缝时狭缝片与两根出射光纤端口示意图。

图3是本发明实施例双缝时狭缝片与两根出射光纤端口示意图。

图4是本发明实施例面阵探测器上光谱显示示意图。

图5是本发明测试的实际成像图谱。

其中，部件说明如下：

1、强光光源；2、灯泡；3、光整形透镜；4、Y型入射光纤；5、第一分光片；6、第二分光片；7和8、传输光纤；9和10、样品池；11和12、出射光纤；13、双芯端口；14、光谱仪主机；15、狭缝片；16、凹面光栅；17、面阵探测器；18、面阵探测器上半部；19、面阵探测器下半部。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

如图1所示，一种双波长光谱仪，包括沿光路顺次相接的强光光源1、光路结构部和光谱仪主机14。强光光源1为复色光，测量范围为全波段，包括光整形透镜3和可发出强光的灯泡2。因为光被分成两路传输，此次需要较强发光功能的光源及灯泡，以免影响光谱仪的信噪比和灵敏度。

光路结构部包括Y型入射光纤4及由该Y型入射光纤4分出的第一光路和第二光路，第一光路依次设置有第一分光片5、传输光纤7、样品池9和出射光纤11，第二光路依次设置有第二分光片6、传输光纤8、样品池10和出射光纤12，样品池9、10为两个相同的样品池，即样品池的宽度相等、样品池内样品浓度相同，从而保证两束光通过样品池的光程相同；第一分光片5与第二分光片6为两个不同类型的分光片，可根据测量情况选择相应的波长，为了提高测量精度和光谱仪灵敏度，两分光片分出的光需满足ΔA足够大的要求。

上述各条光纤(包括Y型入射光纤4、两根传输光纤7和8以及出射光纤11和12)的所有端口都相同，均采用SMA905接口，保证相互之间能顺利对接。传输光纤和出射光纤均为多模光纤，直径为100um-200um。两根传输光纤7和8的长度和纤芯直径相同，两根出射光纤11和12的长度和纤芯直径也相同。

Y型入射光纤4的入射端口与强光光源1相接，光路结构部通过双芯端口13与光谱仪主机14相接，该双芯端口13由两条出射光纤11和12的出射端口沿水平方向并行排列构成。狭缝片分两种情况，可根据情况设置出射光纤端口。如图2所示，当狭缝片15为单缝时，两根出射光纤11、12靠近狭缝一端的两个纤芯沿水平方向平行排列并对齐，组成双芯端口13。如图3所示，当狭缝片15为双缝时，出射光纤11、12的两个出射端口应紧靠狭缝片的狭缝，使光信号能顺利通过狭缝片。两根出射光纤的直径宽度以及排列方式影响着最终成像结果，两出射光纤的纤芯之间需保持一定的距离，距离太小会造成成像结果重叠，导致检测结果不准确；距离又不能太大，不可超过狭缝片的长度。

当狭缝越小，光谱仪分辨率就越高；狭缝越宽，光谱仪分辨率越低。为了保证成像结果不造成重叠现象，同时考虑满足所需的分辨率，狭缝宽度设置为100um；为了保证单狭缝时双芯光纤能通过将光信号照射到光栅上，狭缝长度设置为1mm。

Y型入射光纤4的通光波段为190nm到2500nm，涵盖红外光波段、可见光波段以及紫外光波段；传输光纤7、8及出射光纤11、12，可以选择相同的通光波段，也可根据测量样品选择相应的通光波段。

本发明的光谱仪主机14包括沿光路依次设置的狭缝片15、凹面光栅16和面阵探测器17，其中凹面光栅16可用平面光栅代替，但平面光栅不能单独使用，需配合准直镜和成像镜组合使用；本发明直接选用凹面光栅(即凹面全息光栅)，不仅具备色散功能，还具有准直成像的效果，且无需额外引入光学元件，减少了光到达光栅的路程，提高了光利用率，降低了光谱仪主机结构的复杂度。

面阵探测器17可以是CMOS类型探测器、CCD类型探测器或ICX285AL探测器。采用CMOS类型探测器无需在电路中加入模数转换电路，而采用CCD类型探测器则需要加入模数转换电路，但CCD类型探测器比CMOS类型探测器测量范围广；而索尼公司生产的ICX285AL探测器，具有较高的分辨率和灵敏度。本发明采用ICX285AL探测器，该面阵探测器上光谱显示示意图如图4所示，成像结果分区域显示，一部分显示在面阵探测器上半部18，另一部分显示在面阵探测器的下半部19。

本发明提供的双波长光谱仪，其测量方法及步骤如下：

S1，当不放置样品时，光谱仪主机上显示出两个光谱信号，即暗噪声等噪声信号，记录为K₁，K₂；

S2，由上述朗伯-比尔定律可知，吸光度与物质浓度的关系为其中A为吸光度，I_t为入射光，I_o为出射光，ε为吸收系数，b为样品池厚度，C为样品浓度；

S3，由于存在背景噪声、光源波动、电路噪声、光散射等影响因素，吸光度与物质浓度的实际关系为：其中，S为噪声；

S4，由两个分光片分离出的光波长分别为λ₁、λ₂，这两束光经样品透射后得到的吸光度与物质浓度实际关系分别为：

S5，在上位机控制下，对采集到的数据进行实时处理得到：ΔA＝A₂-A₁＝(ελ₂-ελ₁)bC，因大部分噪声已被减除，此时的ΔA即真实的吸光度。

本发明公开的双波长光谱仪，其工作过程如下：

灯泡2发出的强光经过光整形透镜3的聚焦后送入Y型入射光纤4，将光送入后续的光路部分，第一分光片5和第二分光片6(类型不同)将Y型入射光纤4分出的两束光分别分成具有波长λ₁和λ₂的两束单色光，然后传输光纤7、8将两束单色光同时送入两个相同的样品池9、10由样品吸收。两根出射光纤11、12将两个吸收光谱同时送入光谱仪主机14进行后续处理。在光谱仪主机14中，透射光经过狭缝15照射在凹面光栅16上，凹面光栅16对透射光进行分光和准直后照射在面阵探测器17上，面阵探测器17接收到光信号并将其转换成电信号然后传输至上位机(图中未示出)。如此，上位机就能针对同一物质分别得到两种不同的的吸收光谱，上位机对采集到的光谱信号进行一系列的计算与处理，最终得到精确的测量值。图5为本发明对某样品测试的实际成像图谱，从图中可以看出，两束光的光谱能够同时在面阵探测器上成像并被上位机显示，未出现光谱重叠的现象。

综上所述，本发明提供的双波长光谱仪在检测样品浓度时，在不移动样品的情况下，测得同一样品在不同波长的条件下的吸收光谱，并且光谱仪主机能同时接收及显示和处理，能够有效应对手动操作带来的误差以及光源波动、背景噪声和基线漂移等干扰问题。

此外，本发明公开的双波长光谱仪，光路结构部分未采用分光镜等光学部件，而是由光纤组成，采用光纤对光进行传输，不仅能有效减少光能的损耗，提高光谱仪的分辨率，而且光谱仪整体结构紧凑、成本较低；分光部分采用Y型入射光纤，分出的两条光路结构对称、光能强度相同，避免了光路不一致问题；相比于传统分光镜式的分光，由于光被光纤包裹，分光时不会出现光能损耗，分出的两束光光能相同(η＝1)，无需额外计算光能补偿系数，因此在后期进行数据处理时，无需因分光不均而对两路光信号进行光路补偿操作，减少了计算时间，减轻了计算难度。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (8)

1.一种双波长光谱仪，包括强光光源（1），其特征在于：所述双波长光谱仪还包括沿光路顺次相接的光路结构部和光谱仪主机（14），所述光路结构部通过双芯端口（13）与所述光谱仪主机（14）相接；所述光路结构部包括Y型入射光纤（4）及由该Y型入射光纤（4）分出的第一光路和第二光路，所述第一光路依次设置有第一分光片（5）、传输光纤（7）、样品池（9）和出射光纤（11），所述第二光路依次设置有第二分光片（6）、传输光纤（8）、样品池（10）和出射光纤（12），所述Y型入射光纤的入射端口与所述强光光源相接；所述光谱仪主机（14）包括沿光路依次设置的狭缝片（15）、凹面光栅（16）和面阵探测器（17）。

2.根据权利要求1所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述双芯端口由两条所述出射光纤的出射端口沿水平方向并行排列构成。

3.根据权利要求1所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述Y型入射光纤、传输光纤和出射光纤的端口均为SMA905接口。

4.根据权利要求3所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述传输光纤和出射光纤均为多模光纤，所述多模光纤的直径为100um-200um。

5.根据权利要求3所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述Y型入射光纤的通光波段为190nm-2500nm。

6.根据权利要求1所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述强光光源包括光整形透镜（3）和可发出强光的灯泡（2）。

7.根据权利要求1所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述面阵探测器为CMOS类型探测器、CCD类型探测器或ICX285AL探测器。

8.根据权利要求1所述的一种双波长光谱仪，其特征在于：所述狭缝片产生狭缝的宽度为100um、长度为1mm。