CN110887816A

CN110887816A - 一种主被动双模光谱仪

Info

Publication number: CN110887816A
Application number: CN201911093510.7A
Authority: CN
Inventors: 万雄; 王泓鹏; 袁汝俊; 李晨红
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN110887816B

Abstract

本发明公开了一种主被动双模光谱仪，它由机身内外两部分组成。其中，机身外部有二合一光纤、接口、狭缝和主控制器；机身内部包含电动台、主动汇聚镜、三棱镜、主动准直镜、主动闪耀光栅、被动闪耀光栅、光栅支架、柱形汇聚透镜、线性可变滤光片、背照式阵列探测器、阵列驱动电路、被动汇聚镜、被动准直镜、出射狭缝、遮光屏、光电倍增管、电动扫描台、扫描控制器、工作电路。本发明的有益效果是，采用巧妙的机电切换及光栅区域分光，实现谱仪内部结构的优化，提高系统的紧凑便捷性；同一谱仪及同一光纤入口，实现主被动光谱的复合探测，提高探测效率；针对主被动光谱特征不同，在传感器端采用不同的设计，实现针对性的光谱探测，提高主动光谱分辨率及被动光谱信噪比。

Description

一种主被动双模光谱仪

技术领域

本发明涉及一种双模式光谱仪,尤其涉及一种适用于主被动双模光谱探测的光谱仪系统，适用于基于光谱探测的物质成分分析，属于光电探测领域。

背景技术

在深空探测领域中，行星表面物质分析需要无人的自动光电探测方法。相比较于其他复杂的物质成分探测方法，基于激光光谱类的光电物质成分分析方法，不需要耗时的试剂添加及前处理准备，可提高分析速度，适用于实时分析，而且可以多元素及多分子同时分析，显示出很大的优势。

在行星物质光谱类探测技术中，一类是属于主动光谱探测技术，即在该技术中，首先需要一个合适的激光激光源，经光学系统汇聚到待分析对象上，从对象上激发出包含物质成分析光谱信号，由光学系统中的光谱仪收集并分析；例如激光诱导击穿光谱(简称LIBS)是一种主动光谱探测技术，可实现原子组成及含量的分析；另一类属于被动光谱探测技术，其中有代表性的为吸收(或反射，入射减去吸收等于反射)光谱探测，吸收光谱是入射光子与分子振动转动虚拟能级共振产生吸收而产生的特征吸收光谱线，从这些光谱线中，可以判断待测对象组成分子的组成；主被动光谱探测结合，可以实现物质元素及分子的联合探测，从而可实现更精准的物质分析。

常规的主被动联合光谱探测，往往无法实现光学通路的全复用，从而导致系统的复杂性偏高，常规的联合系统需准备两套光谱仪，因为常规光谱仪无法完成主被动光谱的同时探测。针对这一问题，以及光学通路的全复用需求，本发明提出一种适用于主被动光谱物质分析的光谱仪，光谱仪采用复合设计，可同时实现主被动光谱的联合探测，提高了系统的紧凑便捷性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于主被动光谱物质分析的光谱仪，通过机电切换及光栅区域分光，优化谱仪内部的结构，同一光纤入口，实现主被动光谱的复合探测。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的主被动双模光谱仪由机身内外两部分组成。其中，机身外部有二合一光纤、接口、狭缝和主控制器；机身内部包含电动台、主动汇聚镜、三棱镜、主动准直镜、主动闪耀光栅、被动闪耀光栅、光栅支架、柱形汇聚透镜、线性可变滤光片、背照式阵列探测器、阵列驱动电路、被动汇聚镜、被动准直镜、出射狭缝、遮光屏、光电倍增管、电动扫描台、扫描控制器、工作电路；

接口固定安装在机身上，二合一光纤接到接口上，接口中心开有狭缝，其缝宽可调，用于控制对入射光的衍射；

三棱镜上下两个面分别镀有主动全反膜和被动全反膜，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行全反射；三棱镜安装在电动台上，可在电动台的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅和被动闪耀光栅固定安装在光栅支架上，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅为高刻线数光栅，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅为低刻线数光栅，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；光电倍增管前固定有带出射狭缝的遮光屏，只接收通过出射狭缝的衍射光，遮光屏可防止杂散光的影响；光电倍增管安装在电动扫描台上，电动扫描台在扫描控制器的控制上，可沿扫描路径作直线运动；扫描起始点为a，对应探测被动光谱范围的起始波长λ₁(，扫描的终点为b，对应探测被动光谱范围的终止波长λ₂；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数，s＝(b-a)/N为采样步长；柱形汇聚透镜可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器；线性可变滤光片可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器；背照式阵列探测器由阵列驱动电路驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；光电倍增管由工作电路驱动及进行传感信号放大；

主控制器用于控制阵列驱动电路、工作电路、扫描控制器、电动台，并接收阵列驱动电路、工作电路的输出传感信号；主控制器还用于给电动台以及扫描控制器发送指令，实现对三棱镜以及光电倍增管的扫描控制；

入射光轴、主动衍射光轴、主动反射光轴、主动准直光轴、被动反射光轴、被动准直光轴、被动衍射光轴共面；主动衍射光轴与被动衍射光轴关于入射光轴对称；主动反射光轴与被动反射光轴关于入射光轴对称；主动准直光轴与被动准直光轴关于入射光轴对称；

基于主被动双模光谱仪的双模光谱探测方法按以下步骤进行：

(1)主动光谱探测

主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向下运动，直至入射光轴与主动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给阵列驱动电路，设定背照式阵列探测器曝光时间等探测参数；

由激光激发探测对象产生的主动光谱对应的光散射由二合一光纤的主动光谱入射端导入，通过狭缝后，沿入射光轴传输进机身，经三棱镜上的主动全反膜反射后沿主动反射光轴向上传输；经主动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿主动准直光轴传输；再经主动闪耀光栅衍射之后，沿主动衍射光轴传输；然后经主动汇聚镜反射并汇聚，通过柱形汇聚透镜精细聚光，以及线性可变滤光片阻挡高阶衍射光后，至背照式阵列探测器；背照式阵列探测器将衍射光进行光电转换得到主动光谱，阵列驱动电路将该主动光谱送至主控制器存储；

(2)被动光谱探测

主控制器发出指令给电动台，电动台带动三棱镜沿直线向上运动，直至入射光轴与被动全反膜的中心点相交；主控制器发出指令给工作电路，设定光电倍增管的曝光时间等探测参数；主控制器发出指令给扫描控制器，设定好采样点数N，带动电动扫描台运动至扫描路径的起始点a；

由自然行星光照环境下探测对象自身反射产生的反射光线由二合一光纤的被动光谱入射端导入，通过狭缝后，沿入射光轴传输进机身，经三棱镜上的被动全反膜反射后沿被动反射光轴向下传输；经被动准直镜反射并准直后，生成的准直平行光沿被动准直光轴传输；再经被动闪耀光栅衍射之后，沿被动衍射光轴传输；然后经被动汇聚镜反射并汇聚，通过出射狭缝，被光电倍增管接收，并进行光电转换，得到扫描路径上a点衍射光对应的被动光谱值，工作电路将该光谱值送至主控制器存储；随着电动扫描台带着光电倍增管沿扫描路径作直线运动，依次采样并转换扫描路径上所有N点的衍射光，并将对应的被动光谱值都送至主控制器存储，直至扫描至b点结束；

(3)主被动光谱分析

主控制器对接收到的主动光谱数据进行整个谱段的逐点寻峰，得到激光激发的谱线位置及强度，然后可进行探测对象的原子、分子组成及含量分析；主控制器对接收到的N个点的被动光谱数据进行分段求和，提高光谱数据的信噪比，处理后的红外反射光谱分布信息反映了探测对象的分子组成及类型信息；主被动光谱信息融合可对探测对象进行更精确的分析。

本发明的有益效果是，采用巧妙的机电切换及光栅区域分光，实现谱仪内部结构的优化，提高系统的紧凑便捷性；同一谱仪及同一光纤入口，实现主被动光谱的复合探测，提高探测效率；针对主被动光谱特征不同，在传感器端采用不同的设计，实现针对性的光谱探测，提高主动光谱分辨率及被动光谱信噪比。

附图说明

图1与图2为本发明示意图，图中：1——主控制器；2——电动台；3——二合一光纤；4——接口；5——狭缝；6——入射光轴；7——机身；8——主动汇聚镜；9——主动衍射光轴；10——三棱镜；11——主动反射光轴；12——主动准直镜；13——主动准直光轴；14——主动闪耀光栅；15——被动闪耀光栅；16——光栅支架；17——柱形汇聚透镜；18——线性可变滤光片；19——背照式阵列探测器；20——阵列驱动电路；21——被动反射光轴；22——被动汇聚镜；23——被动准直光轴；24——被动准直镜；25——出射狭缝；26——遮光屏；27——光电倍增管；28——电动扫描台；29——扫描控制器；30——工作电路；31——主动全反膜；32——被动全反膜；33——扫描路径；34——被动衍射光轴；35——主动光谱入射端；36——被动光谱入射端。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1及图2所示。

本发明提出的主被动双模光谱仪由机身内外两部分组成。其中，机身7外部有二合一光纤3、接口4、狭缝5和主控制器1；机身7内部包含电动台2、主动汇聚镜8、三棱镜10、主动准直镜12、主动闪耀光栅14、被动闪耀光栅15、光栅支架16、柱形汇聚透镜17、线性可变滤光片18、背照式阵列探测器19、阵列驱动电路20、被动汇聚镜22、被动准直镜24、出射狭缝25、遮光屏26、光电倍增管27、电动扫描台28、扫描控制器29、工作电路30；

接口4(注：本实施例为SMA905接口)固定安装在机身7上，二合一光纤3接到接口4上，接口4中心开有狭缝5，其缝宽可调(本实施例为25微米)，用于控制对入射光的衍射；

三棱镜10上下两个面分别镀有主动全反膜31和被动全反膜32，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行全反射；三棱镜10安装在电动台2上，可在电动台2的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅14和被动闪耀光栅15固定安装在光栅支架16上，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅14为高刻线数光栅(本实施例为2400线/mm)，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅15为低刻线数光栅(本实施例为300线/mm)，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；光电倍增管27前固定有带出射狭缝25的遮光屏26，只接收通过出射狭缝25的衍射光，遮光屏26可防止杂散光的影响；光电倍增管27安装在电动扫描台28上，电动扫描台28在扫描控制器29的控制上，可沿扫描路径33作直线运动；扫描起始点为a，对应探测被动光谱范围的起始波长λ₁(本实施例为700nm)，扫描的终点为b，对应探测被动光谱范围的终止波长λ₂(本实施例为2500nm)；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数(本实施例为1800)，s＝(b-a)/N为采样步长；柱形汇聚透镜17可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器19；线性可变滤光片18可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器19；背照式阵列探测器19由阵列驱动电路20驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；光电倍增管27由工作电路30驱动及进行传感信号放大；

主控制器1用于控制阵列驱动电路20、工作电路30、扫描控制器29、电动台2，并接收阵列驱动电路20、工作电路30的输出传感信号；主控制器1还用于给电动台2以及扫描控制器29发送指令，实现对三棱镜10以及光电倍增管27的扫描控制；

入射光轴6、主动衍射光轴9、主动反射光轴11、主动准直光轴13、被动反射光轴21、被动准直光轴23、被动衍射光轴34共面；主动衍射光轴9与被动衍射光轴34关于入射光轴6对称；主动反射光轴11与被动反射光轴21关于入射光轴6对称；主动准直光轴13与被动准直光轴23关于入射光轴6对称；

(1)主动光谱探测

主控制器1发出指令给电动台2，电动台2带动三棱镜10沿直线向下运动，直至入射光轴6与主动全反膜31的中心点相交；主控制器1发出指令给阵列驱动电路20，设定背照式阵列探测器19曝光时间等探测参数；

由激光激发探测对象产生的主动光谱对应的光散射(注：例如激光诱导击穿光谱、激光诱导拉曼、激光诱导荧光等由主动激光源诱导出的光谱信号)由二合一光纤3的主动光谱入射端35导入，通过狭缝5后，沿入射光轴6传输进机身7，经三棱镜10上的主动全反膜31反射后沿主动反射光轴11向上传输；经主动准直镜12反射并准直后，生成的准直平行光沿主动准直光轴13传输；再经主动闪耀光栅14衍射之后，沿主动衍射光轴9传输；然后经主动汇聚镜8反射并汇聚，通过柱形汇聚透镜17精细聚光，以及线性可变滤光片18阻挡高阶衍射光后，至背照式阵列探测器19；背照式阵列探测器19将衍射光进行光电转换得到主动光谱，阵列驱动电路20将该主动光谱送至主控制器1存储；

(2)被动光谱探测

主控制器1发出指令给电动台2，电动台2带动三棱镜10沿直线向上运动，直至入射光轴6与被动全反膜32的中心点相交；主控制器1发出指令给工作电路30，设定光电倍增管27的曝光时间等探测参数；主控制器1发出指令给扫描控制器29，设定好采样点数N，带动电动扫描台28运动至扫描路径33的起始点a；

由自然行星光照环境下探测对象自身反射产生的反射光线由二合一光纤3的被动光谱入射端36导入，通过狭缝5后，沿入射光轴6传输进机身7，经三棱镜10上的被动全反膜32反射后沿被动反射光轴21向下传输；经被动准直镜24反射并准直后，生成的准直平行光沿被动准直光轴23传输；再经被动闪耀光栅15衍射之后，沿被动衍射光轴34传输；然后经被动汇聚镜22反射并汇聚，通过出射狭缝25，被光电倍增管27接收，并进行光电转换，得到扫描路径33上a点衍射光对应的被动光谱值，工作电路30将该光谱值送至主控制器1存储；随着电动扫描台28带着光电倍增管27沿扫描路径33作直线运动，依次采样并转换扫描路径33上所有N点的衍射光，并将对应的被动光谱值都送至主控制器1存储，直至扫描至b点结束；

(3)主被动光谱分析

主控制器1对接收到的主动光谱数据进行整个谱段的逐点寻峰，得到激光激发的谱线位置及强度，然后可进行探测对象的原子、分子组成及含量分析；主控制器1对接收到的N个点的被动光谱数据进行分段求和，提高光谱数据的信噪比(本实施例N为1800，每10个采样点求和，最终得到700nm-2500nm的180个谱段的光谱值，谱段的平均宽度为10nm)，处理后的红外反射光谱分布信息反映了探测对象的分子组成及类型信息；主被动光谱信息融合可对探测对象进行更精确的分析。

Claims

1.一种主被动双模光谱仪，该双模光谱仪由机身内外两部分组成，其中，机身(7)外部有二合一光纤(3)、接口(4)、狭缝(5)和主控制器(1)；机身(7)内部包含电动台(2)、主动汇聚镜(8)、三棱镜(10)、主动准直镜(12)、主动闪耀光栅(14)、被动闪耀光栅(15)、光栅支架(16)、柱形汇聚透镜(17)、线性可变滤光片(18)、背照式阵列探测器(19)、阵列驱动电路(20)、被动汇聚镜(22)、被动准直镜(24)、出射狭缝(25)、遮光屏(26)、光电倍增管(27)、电动扫描台(28)、扫描控制器(29)、工作电路(30)；其特征在于：

接口(4)固定安装在机身(7)上，二合一光纤(3)接到接口(4)上，接口(4)中心开有狭缝(5)，其缝宽可调，用于控制对入射光的衍射；

三棱镜(10)上下两个面分别镀有主动全反膜(31)和被动全反膜(32)，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行全反射；三棱镜(10)安装在电动台(2)上，可在电动台(2)的带动下沿上下做直线运动；主动闪耀光栅(14)和被动闪耀光栅(15)固定安装在光栅支架(16)上，用于分别对所需探测的主动光谱及被动光谱信号进行衍射分光；主动闪耀光栅(14)为高刻线数光栅，提供高的光学分辨率，但较窄的光谱范围，用于主动激光光谱分析；被动闪耀光栅(15)为低刻线数光栅，提供低光学分辨率，但较宽的谱段范围，用于被动反射光谱分析；光电倍增管(27)前固定有带出射狭缝(25)的遮光屏(26)，只接收通过出射狭缝(25)的衍射光，遮光屏(26)可防止杂散光的影响；光电倍增管(27)安装在电动扫描台(28)上，电动扫描台(28)在扫描控制器(29)的控制上，可沿扫描路径(33)作直线运动；扫描起始点为a，对应探测被动光谱范围的起始波长λ₁，扫描的终点为b，对应探测被动光谱范围的终止波长λ₂；将扫描的总长度b-a分成N等份，N即为采样点数，s＝(b-a)/N为采样步长；柱形汇聚透镜(17)可将衍射光更精细地聚焦至背照式阵列探测器(19)；线性可变滤光片(18)可阻挡高阶衍射光进入背照式阵列探测器(19)；背照式阵列探测器(19)由阵列驱动电路(20)驱动，背照式探测方式可提高探测灵敏度；光电倍增管(27)由工作电路(30)驱动及进行传感信号放大；

主控制器(1)用于控制阵列驱动电路(20)、工作电路(30)、扫描控制器(29)、电动台(2)，并接收阵列驱动电路(20)、工作电路(30)的输出传感信号；主控制器(1)还用于给电动台(2)以及扫描控制器(29)发送指令，实现对三棱镜(10)以及光电倍增管(27)的扫描控制；

入射光轴(6)、主动衍射光轴(9)、主动反射光轴(11)、主动准直光轴(13)、被动反射光轴(21)、被动准直光轴(23)、被动衍射光轴(34)共面；主动衍射光轴(9)与被动衍射光轴(34)关于入射光轴(6)对称；主动反射光轴(11)与被动反射光轴(21)关于入射光轴(6)对称；主动准直光轴(13)与被动准直光轴(23)关于入射光轴(6)对称。