CN113203727B - 一种光谱测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱测量装置和方法，装置包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；激光模块用于产生激光；信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集信号光子；光谱仪用于对信号光子进行空间色散分光，并采用光纤阵列接收和传输色散光；光电倍增阵列对色散光进行光电转换和倍增放大，采集数据获得光谱。本发明采用光电倍增阵列作为光谱测量装置的核心部件，以取代传统光谱仪中所使用的灵敏度较低的CCD相机，可大幅提升光谱探测灵敏度和光谱采集速度。同时本发明通过联用光电倍增阵列与光纤阵列，实现了光学结构更为简洁的光谱仪，极大的减小了光谱仪的体积和重量。

Description

一种光谱测量装置和方法

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种光谱测量装置和方法。

背景技术

人们利用拉曼光谱技术来对样品的化学成分进行分子识别，拉曼光谱拥有快速性、高分辨率性和简单性等优点，在如今的生命科学、分析化学、地质探测和工业等领域内有广泛的应用。

拉曼光谱(Raman spectroscopy)是一种基于分子振动的振动光谱技术。拉曼散射最早来源于印度学家C.V.Raman在1928年发现的拉曼散射(Raman scattering)效应。当用入射光照射样品时，入射光的光子与介质分子发生非弹性碰撞，致使入射光子将一部分能量转移至介质分子或吸收介质分子的一部分能量，从而使散射光子的频率发生变化。因此通过对比拉曼光谱所反映的分子振动信息即可获得样品的化学成分。拉曼散射因其优异的化学特异性、化学选择性和无标记性，在许多科学领域内有着广泛的应用前景。

传统光谱仪在仪器设计和架构上长期以来基本沿袭Czerny-Turner构型和采用低温制冷二维CCD或者CMOS阵列作为核心光电探测器，实现微弱的拉曼光谱测量。CCD阵列中的像元，大都采用半导体材料，检测灵敏度低，通常为1A/W左右，即1瓦功率的光子在PD探头上只能产生1安培的电流。即使商用CCD相机芯片降温到-70摄氏度的情况下，探头的电子噪声仍然很高。同时，CCD相机中像素的数量通常在百万量级左右，数据读取时间长且伴随着读取噪声，因此传统光谱仪一直面临灵敏度低、光谱积分时间长、光谱采集速度慢(单个光谱采集需要1秒或更长时间)等问题。除此之外，大多数分子在通常情况下的拉曼散射截面都在10^-30量级，拉曼光谱信号极为微弱，容易受到环境光、杂散光和荧光的强烈干扰。传统光谱仪使用的CCD相机体积较大，电路复杂。

因为CCD相机的使用，传统光谱仪中的光路部分也较为复杂，通常需要使用两个凹面镜配合反射式光栅来实现光路折叠，这样复杂的光路设计不仅导致离轴像差和球场，降低光谱分辨率，也导致了光谱仪的体积较大；此外，传统CCD相机对微弱的光谱信号探测能力有限，灵敏度远远低于光电倍增管、硅PMT、APD等具有单光子探测极限的光电探测器。但这些极高灵敏度的光电探测器体积也较大，只能应用于单通道探测，无法集成到一个很小的空间内，正是这一关键问题无法解决，导致一直以来只能使用灵敏度更低、体积更大的CCD相机。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光谱测量装置和方法，旨在解决现有光谱仪技术灵敏度低的问题，替代CCD相机实现光谱的单光子水平的探测；同时解决光谱仪小型化问题，实现光谱仪更为简单的光路结构。

本发明提供了一种光谱测量装置，包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；激光模块用于产生稳定的激光；信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集输出；光谱仪用于对所述信号光子进行空间色散，采用光纤阵列接收色散光；光电倍增阵列探测模块用于对色散光进行光电转换的同时进行倍增后获得光谱；控制与采集模块用于控制激光的开关与光电倍增阵列的信号采集。

本发明将光电倍增管集成在极小的空间内，并设计了更为简单高效的光路，大大减小了光谱仪体积，同时也提高了灵敏度。

具体地，作为本发明的一个实施例，光谱仪包括：输入光纤、多通道光纤输出阵列、平面光栅和透镜；信号光子通过输入光纤入射至光谱仪，信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，不同波长信号光经过平面光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回透镜，聚焦进入多通道光纤输出阵列；多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导至光电倍增阵列进行光电探测，获得光谱。与现有技术相比，理论的探测灵敏度可以提高2-6个数量级。

作为本发明的另一个实施例，光谱仪还包括：反射镜，反射镜设置在透镜与多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

更进一步地，光谱仪包括：输入光纤、多通道光纤输出阵列和球面聚焦光栅；信号光子通过光纤输入进入光谱仪，信号光入射至球面聚焦光栅表面，不同波长信号光经过光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回聚焦进入多通道光纤输出阵列；所述多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导到光电倍增阵列进行光电探测后获得光谱。其中，光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述球面聚焦光栅与多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

本发明中，之所以采用多通道光纤输出阵列，其目的在于，在光栅分光后通过多通道光纤输出阵列将不同波长的光导引到光电倍增阵列上，减小了光路近轴像差，确保了光谱分辨率的稳定。其中，输入光纤设置在多通道光纤输出阵列的上方中心附近位置，形成了输入光纤和输出光纤阵列近乎重合的光路设计，从而达到了光路空间复用的效果。

更进一步地，光谱仪包括：透镜和平面光栅；信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，信号光经过平面光栅色散后依据不同角度在空间上分开并反射回透镜，聚焦在光电倍增阵列，并进行光电探测后获得光谱。其中，光谱仪还包括：反射镜，反射镜设置在透镜与所述光电倍增阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

更进一步地，光谱仪包括：球面聚焦光栅；信号光入射至球面聚焦光栅表面，球面聚焦光栅将信号光依据不同角度在空间上分开，并聚焦在光电倍增阵列进行探测后获得光谱。其中，光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述球面聚焦光栅与光电倍增阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

其中，光电倍增阵列包括光电倍增管阵列、盖革模式的雪崩二极管阵列(SiPMT)、光子计数器阵列、单光子雪崩二极管阵列或调制解调光电放大探测器阵列。

更进一步地，单个的输入光纤和多通道输出光纤阵列集成于一体。

本发明还提供了一种基于上述的光谱测量装置的光谱测量方法，包括下述步骤：

产生稳定的激光；

在所述激光的激发下产生信号光子并收集所述信号光子后输出；

对所述信号光子进行空间色散；

所述光电倍增阵列对不同波长的信号光子完成并行的光电倍增测量，获得光谱。

本发明通过光电倍增阵列取代了传统拉曼光谱仪中所使用的灵敏度较低的CCD相机；传统CCD相机对微弱的光谱信号探测能力有限，灵敏度远远低于光电倍增管、硅PMT、APD等具有单光子探测极限的光电探测器。但这些极高灵敏度的光电探测器通常应用于单通道探测，很难集成到阵列，实现光谱的多通道测量。本发明使用单光子探测器，通过集成，实现光电倍增阵列，远远高于CCD相机的探测极限。此外，多通道的光电倍增阵列被集成在了极小空间内，最大程度的缩减了重量和体积。

本发明采用光电倍增阵列、光纤阵列作为光谱测量装置的核心部件，以取代传统光谱仪中所使用的灵敏度较低的CCD相机，以获得更小的体积和更高的灵敏度。同时本发明设计了更为简洁的新型光路，进一步减小光谱仪的体积。

针对传统光谱仪体积过大、灵敏度较低的问题，本发明将多通道的光电倍增管紧密排列在二维平面内，集成在一个极小空间内，将其与光纤阵列一一对应，光纤另一端紧密排列成一排，精准对应光栅衍射光射出的位置。当光经过光栅衍射后，其衍射出的不同波长的光子将会分别射入对应的光纤通道，再通过光纤导引到二维的光电倍增阵列进行光电探测，实现光谱采集。

本发明采用光纤阵列来实现光栅衍射光和光电倍增管之间的光传导。如果直接使用光电倍增管进行探测，由于光电倍增管的表面积过大，即使紧密排列在一起，每个通道所对应的波段也较宽，其光谱分辨率必然很低。因此，为了解决上述问题，本发明将光纤紧密排列成一维阵列，由于光纤的芯径较小，所以紧密排列后可以保证每个通道对应的波段较窄，解决了光谱分辨率的问题。同时光纤纤径越小，分辨率就越高，透镜的焦距越长，分辨率也越高。

传统光谱仪的光路在空间上只能单向通过一次，光路复杂且体积较大；为了进一步减小光谱仪体积，本发明还提出了空间复用式的光路设计，利用光的独立传播的原理，将光纤输入和光纤阵列输出集成在同一位置，给予光栅一个适当的角度使得输入光和输出光在空间上几乎重合，使得光路上的每一个空间点都被往返利用了两次，从而提升了光路的空间利用率，极大的减小了光谱仪的体积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光谱测量装置的原理图；

图2为本发明实施例提供的直接使用光电倍增阵列模式的光路原理图，其中，(a)为平面光栅的光路原理图，(b)为球面聚焦光栅的光路原理图；

图3为本发明实施例提供的使用光纤阵列的光谱仪光路示意图，其中(a)为平面光栅具体实施原理图，(b)为球面聚焦光栅具体实施原理图，(c)为光纤阵列截面示意图；

图4为本发明实施例提供的反射式的光谱仪光路示意图；其中(a)为平面光栅具体实施原理图，(b)为球面聚焦光栅具体实施原理图；

图5为本发明实施例提供的光电倍增阵列的原理结构示意图；

图6为本发明实施例提供的光谱测量方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用了空间复用式的光路设计、光纤阵列技术和光电倍增阵列技术；空间复用式的光路设计从原理上将光路在空间上复用两次，大大减小光谱仪体积；光电倍增阵列技术实现了多通道的单光子探测器的集成，不仅缩小了体积，也使得探测灵敏度相比传统光谱仪提高了2～6个量级。

图1示出了本发明实施例提供的光谱测量装置的原理图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例提供的光谱测量装置包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；

激光模块用于产生稳定的激光；

信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集所述信号光子后输出；

光谱仪用于对所述信号光子进行空间色散，并采用光纤阵列接收色散光后传输；

光电倍增阵列用于对色散光进行光电转换的同时进行倍增后获得光谱。

控制与采集模块用于控制激光的开关与光电倍增阵列的信号采集。在本发明实施例提供的光谱测量装置中，先由激光模块激光传导至信号激发与收集模块中，激发样品产生信号光子；收集该信号光子后将其传递至光谱仪，该模块将信号光子进行空间色散，使用光纤阵列接收色散光并传递至光电倍增阵列。光电倍增阵列将光信号转化为电信号，同时进行倍增，最后由控制与采集模块采集信号获得光谱。

本发明将多通道的光电倍增管高度集成为光电倍增阵列，相比现有技术灵敏度提高了2-6个数量级，体积也较小；同时采用空间复用式的光路设计，使得光谱仪更为紧凑，光谱仪体积进一步减小，相比传统光谱仪减小1/5到1/10，提供更宽阔的应用场景。

在本发明实施例中，激光模块集成了所有产生激发光的光电元件，所发射的激光脉冲用于激发样品分子振动并产生信号。

信号激发与收集模块包括：包含激光聚焦激发信号和接收散射光子的功能。本装置使用透镜实现激光聚焦和散射光子接收，据程序设定完成物体表面光束聚焦，同时接收被测物体的信号光子，通过光纤输出至光谱仪。

在本发明实施例中，光谱仪用于接收信号激发与收集模块收集的信号光子，并将光进行空间色散，再使用光纤阵列接收色散光并输出至光电倍增阵列。该光谱仪采用了空间复用式的光路设计，将光路在空间上复用两次，提高空间利用率，减小体积。

如图2(a)所示，作为本发明的第一实施例，光谱仪包括：平面光栅和透镜；信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，信号光经过平面光栅色散后依据不同角度在空间上分开并反射回透镜，聚焦在光电倍增阵列，并进行光电探测后获得光谱。与现有技术相比，探测灵敏度可以提高2-6个数量级。

在本发明实施例中，给予光栅一个合适的角度，使得输入光和输出光可以原路返回相互重叠。具体角度与需要探测的光谱波段相对应，在需要不同波段时调整至不同的角度，使得信号光经过平面光栅色散后原路返回，从而达到空间复用的效果，极大的减小了光谱仪的体积。

作为本发明的另一个实施例，光谱仪还包括：反射镜，反射镜设置在透镜与多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

如图2(b)所示，作为本发明的第二实施例，光谱仪包括：球面聚焦光栅，信号光入射至球面聚焦光栅表面，球面聚焦光栅将信号光依据不同角度在空间上分开，并聚焦在光电倍增阵列进行探测后获得光谱。与第一实施例相比，第二实施例采用球面聚焦光栅一个元件代替了第一实施例中的透镜和平面光栅两个元件，从而使得整个装置的体积更小。

作为本发明的另一个实施例，光谱仪还包括：反射镜，反射镜设置在球面聚焦光栅与多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

如图3(a)所示，作为本发明的第三实施例，光谱仪包括：输入光纤、平面光栅、透镜和多通道光纤输出阵列；信号光子通过输入光纤入射至光谱仪，信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，不同波长信号光经过平面光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回透镜，聚焦进入多通道光纤输出阵列；所述多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导至光电倍增阵列进行光电探测后获得光谱。与第一实施例相比，第三实施例在第一实施例的基础上增加了多通道光纤输出阵列，通过多通道光纤输出阵列将信号光子导引至光电倍增阵列中进行探测。

作为本发明的一个实施例，可以选择2400线以上的高线密度光栅，反射式光栅将在空间上分开的光输入到光纤阵列中，高线密度光栅可以产生足够的空间色散将不同波长的光子在空间上分开，再经过透镜，聚焦到傅里叶平面上，形成一维光阵列，保证光谱分辨率达到10cm^-1甚至更好。

如图3(b)所示，作为本发明的第四实施例，光谱仪包括：输入光纤、球面聚焦光栅和多通道光纤输出阵列；信号光子通过光纤输入进入光谱仪，信号光入射至球面聚焦光栅表面，不同波长信号光经过光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回聚焦进入多通道光纤输出阵列；多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导到光电倍增阵列进行光电探测后获得光谱。与第二实施例相比，第四实施例在第二实施例的基础上增加了多通道光纤输出阵列，通过多通道光纤输出阵列将信号光子导引至光电倍增阵列中进行探测。与第三实施例相比，第四实施例可以进一步的减小整个装置的体积。

其中，多通道光纤输出阵列的结构如图3(c)所示，上层采用单个的光纤作为输入端，下层采用多通道的光纤阵列作为输出端；由于光纤芯径为微米量级，因此可以大大提升分辨率。

本发明中，光纤输出使用多通道光纤束阵列，光纤输入在该阵列正上方中心附近位置，以形成输入和输出近乎重合的光路设计，达到光路空间复用的效果。

另外，本发明将输入光纤和输出光纤集成在一起，光栅分光后将原路返回，通过光纤阵列收集，本发明只使用一个透镜或不使用透镜，就可以实现光纤输入和输出，从而实现光谱仪的小型化设计。

本发明通过使用光纤阵列的方式在光栅分光后通过多通道光纤输出阵列将不同波长的光导引到光电倍增阵列上，减小了光路近轴像差，确保了光谱分辨率的稳定。采用上述方式不仅大大缩小了光谱仪的尺寸，同时也减少了能量损失并提高了探测性能。

本发明还提出了反射式的光路设计，将光纤输入和光栅放在同一侧，使得利用反射镜可以实现长焦距的效果，焦距越长，分辨率越高，通过增加反射镜使得光路在空间上更加紧凑，更进一步的减小光谱仪的体积。具体地，如图4(a)所示，作为本发明的第五实施例，光谱仪包括：输入光纤、平面光栅、透镜、反射镜和多通道光纤输出阵列；与第三实施例相比，第五实施例在第三实施例的基础上增加了反射镜，反射镜与水平面以30度夹角放置在透镜的出射光路上，此夹角可以在不影响光路的情况下最大程度减小光路的空间，用于将输入光纤输入的信号光子反射至透镜，并将透镜输出的光反射至多通道光纤输出阵列。

如图4(b)所示，作为本发明的第六实施例，光谱仪包括：输入光纤、球面聚焦光栅、反射镜和多通道光纤输出阵列。与第四实施例相比，第六实施例在第四实施例的基础上增加了反射镜，反射镜与水平面成一定角度设置在透镜前，用于将光纤输入的信号光子反射至透镜，并将透镜输出的光子反射至多通道光纤输出阵列。反射镜可以使得整个光路在空间上更加紧凑，进一步减小了整个光路的体积。

由于传统光谱仪的光路较为复杂，需要用两个凹面镜调整光路，这使得整个光谱仪体积过大；因此本发明提出了一种新的光谱仪光路结构，通过使用空间复用方式简化了光路设计，减少了光学元件的使用。

在本发明实施例中，如图5所示，光电倍增阵列用于将多通道的光纤输入的光信号转化为电信号，同时进行倍增，实现光谱信号的产生和光电倍增。光电倍增阵列将光信号进行光电转换，并通过放大电路将电信号放大后输出至电路总成模块。本发明中的光电倍增阵列的灵敏度可以达到10⁶A/W。具体地，将多个光电倍增管密集排列成阵列，每一个光电倍增管都予以编号，并依次与多通道光纤输出阵列的每个通道相对应，从而将光谱仪输出的光信号转移到相对应的光电倍增管中，实现高灵敏度的探测。此方法将多通道的光电倍增管高度集成，极大地减小了体积。

在本发明实施例中，将多根光纤按次序一字紧密排列，每根光纤接触处无缝隙排列，再将光纤阵列固定在玻璃上，并使每根光纤的输出端保持在同一平面，实现光谱的光纤阵列输出。同时，本发明将输入的光纤以同样方式制成，固定在多通道光纤输出阵列的正上方中心附近位置，实现光子的光纤输入和输出，其优势在于光纤纤径较小、排列紧密，光谱分辨率较高；光纤输入与光纤输出稳定的保持在同一平面内，有效提高光谱分辨率，另外，还可以使用方形光纤等其他波导方式进行传导，原理上与本发明相同。

在本发明实施例中，控制与采集模块用于控制激光开关，并将光电倍增阵列的输出的信号进行AD转换和处理并输出至平台。

图6示出了本发明实施例提供的光谱测量方法的实现流程，具体包括：激光模块产生激光，激光传导至信号激发与收集模块中，激发样品产生信号光子；收集该信号光子后将其传递至光谱仪，该模块将信号光子进行空间色散，使用光纤阵列接收色散光并传递至光电倍增阵列。光电倍增阵列将光信号转化为电信号，并进行倍增，由控制与采集模块采集信号获得光谱。

本发明实施例中，经光谱测量装置中的光栅色散后，将不同光子通过光纤阵列传给多通道光电倍增阵列电路，将该光电流信号放大到散粒噪声极限，实现最高灵敏度的光谱测量，光电倍增阵列主要功能是将多通道光纤输入的光信号转化为电信号，同时进行倍增，实现光谱信号的产生和光电倍增。此模块使用多通道的光电倍增阵列，可以实现单光子探测，达到了光子探测的理论极限，即使是极其微弱的信号也能够被系统探测到，拥有极高的灵敏度，相比于传统光谱仪灵敏度提高2-6个数量级。本发明利用多通道光纤输出阵列，将经光栅色散的多个通道的信号分别进行探测，因此也拥有极高的分辨率。

综上所述，本发明实施例提供的光谱测量方法和装置具有如下优点：

(1)本发明使用多通道光电倍增阵列实现多通道的光子探测，减小体积的同时，拥有超高灵敏度。本发明提出多通道的光电倍增阵列设计，多通道的光电倍增管可以使得探测灵敏度达到单光子级别，并且获得较高的分辨率。此外，本发明相比传统相机在体积上也极大地缩小。

其中，光电倍增阵列包括但不限于光电倍增管阵列、盖革模式的雪崩二极管阵列(SiPMT)、光子计数器阵列、单光子雪崩二极管阵列、调制解调光电放大探测器阵列等。

(2)本发明设计了空间复用式的光谱测量光路，不需要两个凹面镜，只需要一个透镜或使用球面聚焦光栅即可完成光谱仪的光路设计，结构简洁紧凑。

具体地，由于传统光谱仪的光路设计需要利用两个凹面镜来实现，光路在空间上只走了一次，这样的设计也是光谱仪体积过大的重要原因之一。因此，本发明利用光独立传播的原理，从原理上提出了新的解决方案，即空间复用式的光路设计。在本发明的发明中，本发明将光纤的输入和输出集成在一起，再给予光栅一个合适的角度，使得输入光在经光栅衍射后按原路线返回，这样的光路设计使得每一个空间点在光路上都往返利用了两次，从原理上大大简化了光路结构，进一步实现光谱仪的小型化。此外，根据此原理延伸出来的另一构型，也可不使用透镜，而是用球面聚焦光栅替代透镜和光栅，使得其结构更为紧凑。

(3)本发明还采用了反射镜来达到在空间上折叠光路的效果，实现空间的高利用率。

(4)本发明采用多通道光纤输出阵列，将多根光纤按次序紧密排列，并保证光纤束的端面在同一个平面内，拥有良好的多通道通光性能；提高了光电倍增管探测的分辨率。

本发明提供了光纤阵列来实现光栅衍射光和光电倍增管之间的光传导。如果直接使用光电倍增管进行探测，由于光电倍增管的体积过大，即使紧密排列在一起，每个通道所对应的波段也较宽，其分辨率必然很低。因此，为了解决上述问题，本发明将光纤紧密排列成一维阵列，光纤的芯径较小，所以紧密排列后可以保证每个通道对应的波段较窄，解决了分辨率的问题。

由于每一根光纤头的表面都极其平滑，因此其表面极易损坏，在将其排成阵列时即要保证其表面不受损坏，同时又需要将光纤头表面极为精准的固定在同一平面内。本发明研制的多通道光纤输出阵列使用全新的工艺，即将多根光纤按次序一字紧密排开，每根光纤接触处无缝隙排列，再将光纤阵列固定在有凹槽的玻璃上，并使得每根光纤的输入端保持在同一平面，固定后再统一打磨光纤头，实现光纤阵列输出。

另外，本发明使用多通道光电倍增阵列实现多通道的光子探测，拥有超高灵敏度，即使是极其微弱的光子信号也能被本发明探测到。本发明提出多个通道的光电倍增阵列设计，多通道的光电倍增阵列可以使得探测灵敏度达到单光子级别，并且获得较高的分辨率。此外，本发明相比传统相机在体积上也极大地缩小。

本发明提出的空间复用式的光路设计，不需要传统光谱仪的两个凹面镜，只需要一个透镜，或不需要透镜直接使用球面聚焦光栅，即可完成光路的输入和返回，大大简化了光路结构，实现光谱仪的小型化。本发明将输入光纤和输出光纤集成在一起，输入光经光栅色散后将原路返回，通过光纤阵列收集。本发明只使用一个透镜同时用于光纤输入和光纤阵列输出，也可不使用透镜，而是直接使用球面聚焦光栅，实现光谱仪的小型化设计。通过使用光纤阵列的采集方式，光子在经光栅色散后通过多通道光纤输出阵列，将不同频率的光导引到光电倍增阵列上，减小了光路近轴像差，确保了光谱分辨率的稳定。本发明采用上述方式大大缩小了光谱仪的尺寸，同时减少了能量损失，并提高了探测性能。

(5)本发明将光谱仪的输入光和分光后的输出光重合在同一平面，大大简化光路，大大减小光谱仪体积。

具体地，本发明将输入光纤和输出光纤集成在一起，经过光栅分光后的光子会原路返回通过光纤阵列收集。本发明只使用一个透镜同时用于光纤输入和输出，也可不使用透镜，而是直接使用球面聚焦光栅，实现光谱仪的小型化设计。通过使用光纤阵列的方式，在光栅分光后通过多通道光纤输出阵列将不同频率的光分别导引到光电倍增阵列上，减小了光路近轴像差，确保了光谱分辨率的稳定。采用上述方式可以大大缩小了光谱仪的尺寸，同时减少了能量损失，并提高了探测性能。

本发明将多根光纤按次序一字紧密排列，每根光纤接触处无缝隙排列，再将光纤阵列固定在玻璃上，并使每根光纤的输入端保持在同一平面，实现光谱的光纤阵列输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光谱测量装置，其特征在于，包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；所述激光模块用于产生稳定的激光；所述信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集所述信号光子输出；所述光谱仪用于对所述收集的信号光子进行空间色散，采用光纤阵列接收和传输不同波长色散光；所述光电倍增阵列探测模块用于对不同波长色散光进行光电转换和并行倍增后获得光谱；所述控制与采集模块用于控制激光的开关与光电倍增阵列的信号采集；

其特征在于，

所述光谱仪包括：输入光纤、多通道光纤输出阵列、平面光栅和透镜；所述信号光子通过输入光纤入射至光谱仪，信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，不同波长信号光经过平面光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回透镜，聚焦进入多通道光纤输出阵列；所述多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导至光电倍增阵列进行光电探测，获得光谱；

其中，输入光纤设置在多通道光纤输出阵列的上方中心附近位置，形成了输入光纤和输出光纤阵列近似重合的光路设计，从而达到了光路空间复用的效果；多通道的光电倍增管紧密排列在二维平面内并集成在一个极小空间内，将其与所述光谱仪中的光纤阵列一一对应，并精准对应光栅衍射光射出的位置，当光经过光栅衍射后，其衍射出的不同波长的光子会分别射入对应的光纤通道，再通过光纤导引至二维的光电倍增阵列进行光电探测，从而实现光谱采集；

或者，

所述光谱仪包括：输入光纤、多通道光纤输出阵列和球面聚焦光栅；所述信号光子通过光纤输入进入光谱仪，信号光入射至球面聚焦光栅表面，不同波长信号光经过光栅色散后，依据不同角度在空间上分开并返回聚焦进入多通道光纤输出阵列；所述多通道光纤输出阵列将不同波长的信号光子引导到光电倍增阵列进行光电探测后获得光谱；

其中，输入光纤设置在多通道光纤输出阵列的上方中心附近位置，形成了输入光纤和输出光纤阵列近似重合的光路设计，从而达到了光路空间复用的效果；多通道的光电倍增管紧密排列在二维平面内并集成在一个极小空间内，将其与所述光谱仪中的光纤阵列一一对应，并精准对应光栅衍射光射出的位置，当光经过光栅衍射后，其衍射出的不同波长的光子会分别射入对应的光纤通道，再通过光纤导引至二维的光电倍增阵列进行光电探测，从而实现光谱采集；

或者，

所述光谱仪包括：透镜和平面光栅；信号光经过透镜准直后入射至平面光栅表面，信号光经过平面光栅色散后依据不同角度在空间上分开并反射回透镜，聚焦在光电倍增阵列，并进行光电探测后获得光谱；

其中，多通道的光电倍增管紧密排列在二维平面内并集成在一个极小空间内，将其与所述光谱仪中的光纤阵列一一对应，并精准对应光栅衍射光射出的位置，当光经过光栅衍射后，其衍射出的不同波长的光子会分别射入对应的光纤通道，再通过光纤导引至二维的光电倍增阵列进行光电探测，从而实现光谱采集；

或者，

所述光谱仪包括：球面聚焦光栅；信号光入射至球面聚焦光栅表面，球面聚焦光栅将信号光依据不同角度在空间上分开，并聚焦在光电倍增阵列进行探测后获得光谱；

其中，多通道的光电倍增管紧密排列在二维平面内并集成在一个极小空间内，将其与所述光谱仪中的光纤阵列一一对应，并精准对应光栅衍射光射出的位置，当光经过光栅衍射后，其衍射出的不同波长的光子会分别射入对应的光纤通道，再通过光纤导引至二维的光电倍增阵列进行光电探测，从而实现光谱采集。

2.如权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述透镜与所述多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

3.如权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述球面聚焦光栅与所述多通道光纤输出阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

4.如权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述透镜与所述光电倍增阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

5.如权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪还包括：反射镜，所述反射镜设置在所述球面聚焦光栅与光电倍增阵列之间用于光路折叠，缩减光谱的尺寸。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的光谱测量装置的光谱测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

产生稳定的激光；

在所述激光的激发下产生信号光子并收集所述信号光子后输出；

对所述信号光子进行空间色散；

所述光电倍增阵列对不同波长的信号光子完成并行的光电倍增测量，获得光谱。

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