CN110132414B - 双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪及其测量方法，属于光谱仪器领域，为了解决现有技术中光谱仪光谱覆盖范围小，精度低的问题。本发明包括第一入射通道、第二入射通道、色散元件、3648像素线阵CCD传感器和阵列红外光谱探测器，色散元件为等边三棱镜，第一入射通道与第二入射通道的光线由等边三棱镜的一个侧面射入，由等边三棱镜的另一侧面射出后射入像素阵列CCD传感器和阵列红外光谱探测器；本申请解决了覆盖近紫外‑可见光‑近红外宽波段范围的问题，实现了覆盖波长为200nm‑2200nm范围的连续光谱测量。
Description
技术领域
光谱测量仪及其测量方法，属于光谱仪器技术领域。尤其是，涉及双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪及其测量方法。
背景技术
光谱仪(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，主要用来分析被测样品所作用的近紫外光—可见光谱或者近红外光—可见光谱，以达到对被测样品物质成分定性或定量分析，是光学实验室常用的光谱分析仪器之一。
根据光谱仪的工作范围分类，可将光谱仪分为远紫外光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪、红外光谱仪和远红外光谱仪；而光谱范围覆盖近紫外-可见光-近红外的光谱仪比较少；比如萨斯派克(Sarspec)推出的高灵敏型光谱仪SPEC SENSE+UV/Vis/NIR，其所测量的波长范围200-1050nm，只覆盖了近紫外和少量的近红外；
在比如德国INSION公司推出的超紧凑宽波段光纤光谱仪UV2NIR+—Spectrometer-system，覆盖了300-1700nm的光波，对于紫外波段的测量没有涉及。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本申请，提出了一种双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪及其测量方法，应用光学三棱镜分光原理，运用双通道光谱数据采集和双通道光谱数据融合算法解决了覆盖近紫外-可见光-近红外宽波段范围的问题，实现了覆盖波长为200nm-2200nm范围的连续光谱测量。
本发明的双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪，包括第一入射通道、第二入射通道、色散元件、3648像素线阵CCD传感器和阵列红外光谱探测器，所述色散元件为等边三棱镜，第一入射通道与第二入射通道的光线由等边三棱镜的一个侧面射入，由等边三棱镜的另一侧面射出后射入像素阵列CCD传感器和阵列红外光谱探测器。
进一步的，所述入射角通过下式确定：
式中，I为入射角，R为折射角,G为出射光线与入射角之间的夹角称为三棱镜的偏向角，n为等边三棱镜的折射率。
进一步的，所述等边三棱镜与阵列红外光谱探测器之间的距离为D1通过下式确定：
D1＝d1/tan(G1-G2)；
式中，d1为阵列红外光谱探测器的感光尺寸；G1为200nm波长下的偏向角，G2为2400nm波长下的偏向角。
进一步的，所述等边三棱镜与3648像素线阵CCD传感器之间的距离为D2通过下式确定：
D2＝d2/tan(G1-G2)；
式中，d2为3648像素线阵CCD传感器的感光尺寸，G1为200nm波长下的偏向角，G2为2400nm波长下的偏向角。
进一步的，所述第一入射通道包括第一导光光纤和第一准直透镜，第二入射通道包括第二导光光纤和第二准直透镜。
进一步的，所述第一准直透镜与等边三棱镜的距离大于第一准直透镜的焦点，第二准直透镜与等边三棱镜的距离大于第二准直透镜的焦点。
进一步的，第一准直透镜与第二准直透镜的通光口径相同，焦长相同，第一准直透镜和第二准直透镜之间的距离与焦长相同。
双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、通过第一入射通道和第二入射通道采集光谱信息；
步骤2、对3648像素线阵CCD传感器采集的数据进行校准；
步骤3、根据3648像素线阵CCD传感器采集数据和阵列红外光谱探测器的数据得到校正系数k；
步骤4、当矫正系数k＞0时，进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5、将两通道采集的光谱数据基于交叉部分融合在一起，构成了具有统一标准的在宽波段范围内的连续光谱数据并输出；
步骤6、重新输入双通道数据，并进行步骤2；
进一步的，矫正系数通过下式确定：
3648像素线阵CCD传感器采用标准红外灯矫正后采集的光谱数据为C＝{C1，C2……Cn}；阵列红外光谱探测器采集的光谱数据为S＝{S1，S2……Sn}。
进一步的，步骤5包括：
a、根据下式确定矫正的阵列红外光谱探测器采集的光谱数据Sai；
Sai＝kSi；
b、将这两通道采集的光谱数据基于交叉部分融合在一起，构成双通道连续光谱数据。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1、本发明的等边三棱镜作为色散的核心元件，根据所使用的等边三棱镜对不同波长光线的折射率，可以准确的求出不同波长的光波的偏向角度，已到达色散的效果；相对于一般色散元件，其波长覆盖范围是180-3500nm，散射波长范围较宽，达到了本发明宽波段的要求。
2、本发明采用一个核心色散元件进行色散，采用双通道光纤分别导入近紫外-可见光和可见光-近红外；相对其他单通道的光谱仪，提高了数据采集的效率；相对于双光谱仪，本发明只采用了一个核心色散元件，就起到了将双通道光波色散的效果。
3、本发明所设计的双通道光谱数据采集结构，解决了采用单通道数据采集时，光谱采集范围较窄的问题，达到了采集波长为200-2200nm的近紫外-全部可见光-近红外的宽光谱数据采集的目的；本发明针对双通的数据采集的数据特性，设计了双通道数据融合算法，解决了双通道数据的不一致性问题，达到了对双通数据融合统一标定的目的，实现了波长为200nm-2200nm的连续光谱数据整合统一输出。
4、本发明采用了线阵CCD传感器和阵列红外光谱探测器，作为双通道数据采集传感器，线阵CCD传感器用以采集200-1100nm的光谱数据，阵列红外光谱探测器采集800nm-2200nm的光谱数据，通过两个传感器在800-1100nm的光谱数据交叉采集，为双通的数据融合提供了融合基准。
5、本发明所设计的双通道光谱数据融合方法，将两个通道采集的不同色波，利用交集(800-1100nm)的交叉特性，计算双通道统一修正融合权重；依据此融合权重因子将双通道中的线阵CCD采集的200-1100nm光谱数据和阵列红外光谱探测器采集的800-2200nm光谱数据融合再一起；达到了测量的连续光谱范围为200nm-2200nm，测量标准一致性的目的。
6、本发明对色散材料折射率的选取并材料的散射特性设计了等边色散棱镜对光波进行色散，以及根据棱镜的色散原理，严格计算了各个光学器件的相对位置，提高了测量精度。
附图说明
图1为本申请实施例的双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪结构示意图；
图2本申请等边棱镜散射原理图；
图3本申请实施例的水晶熔制石英材料折射率指数曲线图；
图4本申请实施例的偏向角随入射角度变化曲线；
图5同种介质下不同波长的偏向角分布曲线图；
图6本申请实施例的等边三棱镜尺寸示意图，图6a为等边三棱镜的截面示意图，图6b为三棱镜侧面的结构示意图；
图7本申请实施例的测量方法的流程图。
具体实施方式
结合附图对本申请具体实施方式做进一步描述。
本申请的双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪，由图1可见，包括第一入射通道、第二入射通道、等边三棱镜、3648像素线阵CCD传感器和阵列红外光谱探测器，所述第一入射通道包括第一导光光纤1-1和第一准直透镜2-1，第二入射通道包括第二导光光纤1-2和第二准直透镜2-2。由于第一准直透镜2-1和第二准直透镜2-2射出的平行光线由等边三棱镜的一个侧面射入，由等边三棱镜的另一侧面射出后射入像素阵列CCD传感器和阵列红外光谱探测器。
本实施例采用的等边三棱镜由水晶熔制石英材料制备而成，其折射率曲线入图3所示；
如图2所示，根据本实施例等边三棱镜散射原理得到的偏向角与入射角之间的关系，图中ABC是一个三棱镜的主截面，设三棱镜的顶角为A＝60°，单色平行光入射到AB面上，发生折射，设入射角为I，折射角为R,折射光线又入射到AC面上，其入射角为Ic，折射角为Rc，出射光线与入射角之间的夹角G称为三棱镜的偏向角。
根据图2中的几何关系可得：
G＝I+Ic-A；
又由光的折射定律可得：
sinI＝nsinR；
sinIc＝nsinRc；
基于上式消去R、Rc、Ic，即可得三棱镜的偏向角G、入射角I和折射率之间的关系如下：
通过偏向角与入射角之间的关系确定最优入射角；
本实施例选用的准直透镜的通光口径为5mm，等边三棱镜的边长为25mm，是准直透镜通光口径的5倍，具体如图6所示，这样可以保证导过来的光线能够有效通过三棱镜进行色散。如图3可见，等边三棱镜所用的水晶熔制材料对不同光线的折射率随波长的增大而减小，基于所述等边三棱镜的结构以及偏向角与入射角之间的关系，本实施例选择波长为200nm的折射率n＝1.57464，得到偏向角与入射角之间的关系，具体如图4所示，得到最小偏向角为50°。
为了获得不同波长下较大的偏向角差值，故取入射角为45度、50度和60度，分别求得在不同折射率下的偏折角分布。由图3水晶熔制石英材料折射率指数曲线图，结合偏向角与入射角之间的关系进一步确定如图5所示的偏向角G与折射率n的关系曲线，由该曲线可确定本实施例的入射角采用50°。
本实施例选用的红外光谱探测器为Andor iDus系列：InGaAs，3648像素线阵CCD型号为D7266，其感光尺寸分别为d1和d2；
所以本实施例的等边三棱镜与阵列红外光谱探测器之间的距离为D1通过下式确定：
D1＝d1/tan(G1-G2)；
G1为200nm波长下的偏向角，G2为2400nm波长下的偏向角，d1取5.5cm为有效感光区间，故求得D1为27.36cm；
同理，等边三棱镜与3648像素线阵CCD传感器之间的距离为D2通过下式确定：
D2＝d2/tan(G1-G2)；
G1为200nm波长下的偏向角42.615°，G2为2400nm波长下的偏向角31.642°，d2取2.5cm为有效感光区间，故求得D2为12.89cm。
由于阵列红外光谱探测器(Andor iDus系列：InGaAs)的尺寸大于3648像素线阵CCD(D7266)的尺寸，根据阵列红外光谱探测器的长宽高为155mm X 100mm X 101mm，光谱仪的长宽高为300mm X 200mm X 200mm，即L＝300mm，H＝200mm，Z＝200mm。
由于光纤传导过来的光线经由准直透镜准直后，射入三棱镜中的光线为平行光线，因此三棱镜相对于准直镜的位置D3需大于准直镜的焦点，即第一准直透镜与等边三棱镜的距离大于第一准直透镜的焦点，第二准直透镜与等边三棱镜的距离大于第二准直透镜的焦点，本实施例的根据所述光谱仪的尺寸，确定D3为2cm。
由于使用了两种不同的光纤，故采用了两套准直镜对不同导光光纤传导过来的光线进行准直。
第一准直透镜与第二准直透镜的通光口径相同，准直透镜的尺寸为：通光口径为5mm，焦长为10mm；因此取两准直透镜的间距h为10mm。
双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪的测量方法，其具体流程如图7所示，本实施例采用了3648像素线阵CCD传感器4和阵列红外光谱探测器5进行双通道光谱数据采集，根据双传感器采集的数据交集，即800nm-1100nm的波长范围，此范围内两个传感器采集的光谱信息是重叠的；
步骤1、通过第一入射通道和第二入射通道采集光谱信息，记线阵CCD在800nm-1100nm内采用标准红外灯矫正后采集的光谱数据为C＝{C1，C2……Cn}；记阵列红外光谱探测器在800nm-1100nm内采集的光谱数据为S＝{S1，S2……Sn}；
步骤2、对3648像素线阵CCD传感器采集的数据进行校准，矫正系数通过下式确定：
3648像素线阵CCD传感器采用标准红外灯矫正后采集的光谱数据为C＝{C1，C2……Cn}；阵列红外光谱探测器采集的光谱数据为S＝{S1，S2……Sn}。
步骤3、根据3648像素线阵CCD传感器采集数据和阵列红外光谱探测器的数据得到校正系数k；
步骤4、当矫正系数k＞0时，进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5、根据下式确定矫正的阵列红外光谱探测器采集的光谱数据Sai；
Sai＝kSi；
将校正后的双通道光谱数据融合在一起，构成了具有统一标准的在波段200-2200nm范围内的连续光谱数据的输出。
步骤6、重新输入双通道数据，并进行步骤2；
本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。
Claims (4)
1.双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪，包括第一入射通道、第二入射通道、色散元件、3648像素线阵CCD传感器和阵列红外光谱探测器，其特征在于：所述色散元件为等边三棱镜，所述等边三棱镜为水晶熔质材料，第一入射通道与第二入射通道的光线由等边三棱镜的一个侧面射入，由等边三棱镜的另一侧面射出后射入像素阵列CCD传感器和阵列红外光谱探测器；
所述线阵CCD传感器采集200-1100nm的光谱数据，阵列红外光谱探测器800-2200nm的光谱数据，所述200-1100nm的光谱数据和所述800-2200nm的光谱数据经融合算法得到连续光谱数据；
入射通道光线的入射角通过下式确定：
式中，I为入射角，R为折射角,G为出射光线与入射角之间的夹角称为三棱镜的偏向角，n为等边三棱镜的折射率；
所述等边三棱镜与阵列红外光谱探测器之间的距离为D1通过下式确定：
D1＝d1/tan(G1-G2)；
式中，d1为阵列红外光谱探测器的感光尺寸；G1为200nm波长下的偏向角，G2为2400nm波长下的偏向角；
所述等边三棱镜与3648像素线阵CCD传感器之间的距离为D2通过下式确定：
D2＝d2/tan(G1-G2)；
式中，d2为3648像素线阵CCD传感器的感光尺寸，G1为200nm波长下的偏向角，G2为2400nm波长下的偏向角；
所述第一入射通道包括第一导光光纤和第一准直透镜，第二入射通道包括第二导光光纤和第二准直透镜，所述第一导光光纤导入近紫外光-可见光，第二导光光纤导入可见光-近红外光。
2.根据权利要求1所述双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪，其特征在于：所述第一准直透镜与等边三棱镜的距离大于第一准直透镜的焦点，第二准直透镜与等边三棱镜的距离大于第二准直透镜的焦点。
3.根据权利要求1所述双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪，其特征在于：第一准直透镜与第二准直透镜的通光口径相同，焦长相同，第一准直透镜和第二准直透镜之间的距离与焦长相同。
4.双通道宽波段棱镜式连续光谱测量仪的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、通过第一入射通道和第二入射通道采集光谱信息；
步骤2、对3648像素线阵CCD传感器采集的数据进行校准；
步骤3、根据3648像素线阵CCD传感器采集数据和阵列红外光谱探测器的数据得到校正系数k，所述校正 系数通过下式确定：
3648像素线阵CCD传感器采用标准红外灯校正 后采集的光谱数据为C＝{C1，C2……Cn}；阵列红外光谱探测器采集的光谱数据为S＝{S1，S2……Sn}；
步骤4、当校正 系数k＞0时，进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5、将两通道采集的光谱数据基于交叉部分融合在一起，构成了具有统一标准的在宽波段范围内的连续光谱数据并输出，具体包括：
a、根据下式确定校正 的阵列红外光谱探测器采集的光谱数据Sai；
Sai＝kSi；
上式中Si为阵列红外光谱探测器采集的光谱信息与3648像素线阵CCD传感器采集的光谱信息的交叉光谱数据；
b、将这两通道采集的光谱数据基于交叉部分融合在一起，构成双通道连续光谱数据；
步骤6、重新输入双通道数据，并进行步骤2。
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