CN1318742A - 在光谱分析仪中同时检测校准信号和测试信号的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统,通过光隔离的光路将光信号耦合到分立的光检测器上,以对光谱分析仪中的校准信号和测试信号一起进行检测。成对的光纤对称设在光轴任一边,供与一边的输入光纤和另一边的输出光纤准直的光学元件之用。输入光纤分别接收校准信号和测试信号,输出光纤与各检测器连接。光校准源产生处在光学系统第一级光谱范围内的第二级或以上的谱线。衍射光栅将测试信号的第一级光谱分量传送给一个检测器,将校准信号的第二级或以上的谱线从准直光学元件传送给另一检测器。对来自检测器的电信号数字化并进行处理,获得校正误差,以用于校正由光谱分析仪显示的测试信号。
Description
本申请要求以2000年2月21日申请的60/184,163号美国临时申请的申请日为优先权日。
本发明总的说来涉及光学系统，更具体说，涉及一种在分析光通信传输线路的光谱分析仪中同时检测校准信号和测试信号的光学系统。
电信工业的光网络中越来越多地采用密集波长多路复用(DWDM)的光系统。一般的DWDM光系统将具有各种波长的多重光信号射入单模光纤中。光信号包括抽运激光器来的1480纳米光信号。抽运激光信号供系统中的光纤放大器使用，其波长也可以是980纳米。1625纳米服务信道光信号是为各总局等之间的通信而设的。通过光纤的电信服务采用多重紧密配置的1525纳米至1585纳米范围的光信号信道进行。现行的DWDM传输系统各毗邻的光信号信道之间的一般间距为200吉赫、100吉赫和50吉赫，这相当于1550纳米下各信道之间1.6纳米、0.8纳米和0.4纳米左右的间距。未来的DWDM电信系统设计成有25吉赫间距，这相当于各光信号信道之间有0.2纳米左右的间距。要考核这些光信号是否合格和确定这些光信号的特性需要有一个光谱分析仪。
光谱分析仪(OSA)是根据波长或频率的变化测定光功率的仪器。光谱分析仪的好处在于其动态范围和对许多离散谱线的测定。现行光谱分析仪的显著缺陷是其波长测定的可靠性较差，误差在40至50皮米的范围。因为这个缺陷，因而研制出了能精确测定波长和校准光谱分析仪的波长仪。波长仪是以迈克尔逊干涉仪为基础的。成千数字化的干涉条纹从谱域转换成频域。频率和条纹的调制通过付里叫变换转换成关于波长和功率的信息。波长仪虽然在波长校准的精确度方面要好得多，但其动态范围一般比以光栅为基础的OSA差得多。
通常，所测定的光信号和校准的光信号都通过光谱分析仪的同一条光路并占据光谱的同一个通用区。OSA的校准通常按以下程序进行。首先，将已知光谱的光信号从校准源加到OSA上。校准源可以在OSA外面，也可以是内部校准源，通过内部光开关注入OSA的光路中。接着，用OSA扫描光谱，测定并记录已知光谱中出现光峰信号时的波长。确定所测定尖峰信号下的波长误差，并通过在已知各谱线之间和之外进行内插，根据波长变化估计波长测定的误差。从相应测出的波长尖峰信号减去测定误差，校准OSA。
由于校准光信号和所测定的光信号都通过OSA的同一光路，因而OSA不能在以校准光谱测定未知光信号的同时测定校准光谱。因此，校准过程是先后进行OSA的校准和测定测试信号。这里假设OSA经过一段时间仍然处于校准状态，而在进行其它测定之前必须再经过校准。
现行校准程序的一个缺点是不能肯定OSA何时不处于校准状态。这就是说，再校准一般是在需要校准之前或之后进行的。在第一种情况下，操作人员在不需要校准的情况下会浪费时间，而在第二种情况下，由于没有进行校准，因而OSA的测定结果误差过大。
这里就需要有一种能在光谱分析仪中对光测试信号和光校准信号同时进行光学检测的光学系统。这种光学系统应能在光谱分析仪中极精确地校准波长，而且光谱分析仪应能够用波长校准特性相同的两个光路同时检测受测试的校准信号和光信号。此外，光谱分析仪应能将校准信号和光测试信号分离开来。
因此，本发明的目的是提供一种能在规定的第一级光谱范围内同时检测光校准信号和受测试的光信号的光学系统。光学系统的准直光学元件(例如抛物面镜或球面镜等)有一个光轴和一个接收光校准信号和受测试光信号的焦平面。准直光学元件的焦平面上配有一个光纤阵列，光纤阵列的中心轴与准直光学元件的光轴处在同一条直线上。第一和第二对光纤配置在准直光学元件的焦平面上，各对光纤有一个输入光纤和一个输出光纤。各对的输入和输出光纤对称配置在中心轴的任一边上，第一对光纤的输入光纤连接成使其接收受测试的光信号。一个光源与第二对光纤的输入光纤连接，产生其第二级或以上谱线处在光学系统第一级光谱范围的光校准信号。一个光调谐元件接收从准直光学元件来的光校准信号和受测试的光信号，并在第一级光谱范围内调谐光学系统，将光校准信号和受测试光信号的各光谱分量分开。第一光检测器与第一对光纤的输出光纤连接，对受测试光信号的光谱分量敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感。第二光检测器与第二对光纤的输出光纤连接，对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试光信号的光谱分量不太敏感。
在本发明的最佳实施例中，光纤阵列是一V形槽部件，其中形成有大致呈V形的沟道，等间距平行地处在该V形部件中轴的任一边。光源是一光信号发生器，按原子或分子型发射或吸收能级的跃迁产生光谱输出。在一最佳实施例中，光源为汞氩放电灯。光调谐元件最好为衍射光栅。第一光检测器为InGaAs PIN或雪崩光电二极管，它对光测试信号的第一级光谱分量敏感。第二光检测器为硅光电二极管，它对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感。
本发明光学系统的各实施例可以结合到同时检测受测试光信号和光校准信号的光谱分析仪中。这种组合可以连续校准光谱分析仪。光谱分析仪包括本光学系统，其中各光接收器中装有光测试信号检测器和光校准信号检测器。光接收器将相应的光信号转换成电信号，电信号转换成数字值。表示光测试信号和光校准信号的数字值由诸如数字信号处理器之类的控制器处理，校准误差值则根据光校准信号的第二级或以上的谱线计算出来。校准误差值加到受测试的光信号上，以精确校准测试信号。光测试信号进一步处理过后显示在显示器上。
本发明提供了在光谱分析仪中同时检测光校准信号和受测试光信号的一种方法，所述光谱分析仪具有一光学系统，其限定有第一级光谱范围，该光学系统包括准光学元件、产生光校准信号的光信号校准源、受测试光信号输入端、光校准信号输入端、光调谐元件以及第一和第二光检测器，所述方法包括下列步骤，将光校准信号和受测试的光信号同时射入所述光学系统中，其中光校准信号具有处在光学系统范围内的第二级或以上的谱线；用第一光检测器和第二光检测器同时检测光校准信号和受测试的光信号，其中第一光检测器对受测试的光信号敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感，第二光检测器对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试的光信号不太敏感。进一步的步骤是同时检测光测试信号和光校准信号，其中包括在第一级光谱范围内调谐光学系统，从而将光校准信号和受测试光信号的各光谱分量分离开来。所述方法还包括一附加步骤，即同时将光校准信号和受测试的光信号转换成电信号。
结合所附权利要求书和附图阅读下面的详细说明可以清楚地理解本发明的上述目的、优点和新的特点。
图1是本发明光学系统的示意图。
图2是本发明另一光学系统的示意图。
图3是采用本发明光学系统的光谱分析仪的示意方框图。
参看图1。图中示出了可在光谱分析仪中同时检测光校准信号和受测试光信号的光学系统10。光学系统10有一个准直光学元件12，例如抛物面镜、球面镜等，它具有光轴14和焦平面16。准直光学元件12的焦平面16上有一光纤阵列18，光纤阵列18的中心轴20与准直光学元件12的光轴14处在一条线上。光纤阵列18具有第一和第二对光纤22,24，各光纤对具有输入光纤26,28和输出光纤30,32。各光纤对22,24的输入和输出光纤对称配置在光纤阵列18的中心轴20任一边。第一对光纤22的输入光纤26连接成使其接收受测试的光信号34。光纤对的输出光纤30与测试信号检测器36(例如InGaAs PIN光电二极管或InGaAs雪崩光电二极管)连接。第二对光纤24的输入光纤28与光校准源38连接，光校准源38根据原子或分子型发射或吸收能级的跃迁产生光谱输出。这类光源的例子有气体放电灯，例如氩和汞氩放电灯，和由宽带光源照明的乙炔吸收的光电池，例如LED(发光二极管)。光纤对的输出光纤32与校准源检测器40(例如硅光二极管)连接。光纤阵列18与准直光学元件12之间配有光调谐元件42，例如衍射光栅，主要确定光学系统10第一级光谱范围。光调谱元件驱动电机44与光调谐元件42连接，通过光谱范围调谐光学系统10。
图1的光学系统10同时检测光校准源38来的光校准信号39和受测试的光信号34。光校准源38产生处在光学系统10第一级光谱范围内的具有第二级和/或以上谱线的光输出39。举例说，在本发明的最佳实施例中，光学系统10第一级光谱范围的覆盖范围为1450纳米至1650纳米。在该最佳实施例中，光校准源38是一汞氩放电灯。光校准源38产生光输出39，具有至少为光学系统10第一级光谱范围一半或更小的第一级光谱范围。在该最佳实施例中，光校准源38光谱范围覆盖从725纳米至825纳米的光谱范围。应该指出的是，光校准源的光谱范围也在光学系统10第一级光谱范围的1/3和1/4等处产生谱线，即光校准源的光谱范围可以是483.33纳米至550纳米，362.5纳米至412.5纳米等。还应该指出的是，光校准源38能产生多个级同时存在的光输出。此外，还应该指出的是，光学系统10的第一级光谱范围可以是所述最佳实施例范围以外的范围，且只要光校准源38的光谱范围为光学系统光谱范围的一半或更小，该范围也可以是最佳实施例所述范围以外的范围。
最佳实施例中的光学系统10以里特罗(Littrow)安装方式配置。光纤阵列18在光学系统10中安置得使其中心轴与准直光学元件12的光轴在一条直线上，且处在准直光学元件12的焦平面上。在最佳实施例中，光纤阵列18安置在一个V形槽部件中，该V形槽部件有一个中心轴，部件中形成有大致呈V字形的平行于部件中心轴的沟道。V字形沟道与V形槽部件中心轴20两边等距。各光纤对22,24的输入和输出光纤对称配置在光纤阵列中心轴20的任一边上，因而对称配置在准直光学元件12光轴14的任一边。由于准直光学元件12的成像特性，从光轴14一边的输入光纤26,28发射出来的光都聚焦在光轴14另一边相应的输出光纤30,32上。在最佳实施例中，最靠近光轴14的第一对光纤用来进行测定，外面的光纤对24用来进行校准。用来测定和校准的光纤对是任意的，光纤对22,24的指定可以倒过来而不脱离本发明的范围。
光纤阵列18的配置形成了两条通过光学系统10的光路，两光路在空间上彼此分开，但实质上它们有紧密联系，以致可以感受到诸如温度、冲击、磨损、机械驱动偏差等引起的同一干扰。这就是说，虽然输入到一个光路中的光信号实体上没有耦合到另一光路中，但实际上，两光路之间总是有未计及的少量有限度的光散射。为进一步隔离各光路，光路的各光检测器36和40中采用了光谱过滤，这在下面将更详细地说明。这样做的结果是使两光路高度隔离。此外，由于各光路的波长相关性相同，因而可以测定其中一个光路光谱上已知的源，用此信息校准另一光路，用此光路测定光测试信号34。若已知光源38中的信噪比足够高，得出的光谱分析仪的校准是实时的，在此情况下，每一测试包括用以获取校准测试波形的已知波形的过程。光谱分析仪的用户对整个过程都可以看清楚。在操作人员看来，光谱分析仪始终处在最佳状态，无需进行任何校准保养。
从测试光纤26发出的实线表示光测试信号34的射线路径。光测试信号从准直光学元件反射出去，投向调谐衍射光栅42。衍射光栅衍射的光谱分量从准直光学元件12反射出去，调谐后的谱线或分量聚焦到对称配置在准直光学元件光轴14相对边的光测试信号检测器上。这相当于通过光学系统10的第一光路。从光校准源的光纤28发出的虚线表示光校准信号39的射线路径。和测试信号路径一样，光校准信号39从准直光学元件12反射，从调谐光栅42衍射，从准直光学元件12反射，聚焦到对称配置在准直光学元件光轴14相对边的光校准源检测器光纤32上。这相当于通过光学系统10的第二光路。由于波长扫描在垂直于图1平面的方向进行，因而两光路的波长误差相同，两误差都用同一波长校准方式校正。由于各光路实体上是分开的，因而测定未知光谱并用来对其进行校准时可以打开校准源38。
光测试信号34的经调谐的光谱分量通过光测试信号检测器的光纤30耦合到光测试信号检测器36上。在最佳实施例中，光测试信号检测器36是InGaAs PIN或雪崩光电二极管，对光测试信号34的第一级光谱分量敏感。光校准源39的经调谐的光谱分量通过光校准源的光纤32耦合到光校准源检测器40上。在最佳实施例中，光校准源检测器40是硅光电二极管，对光校准源38的第二级或以上的谱线敏感。硅检测器的噪声特性比InGaAs检测器好。此外，硅检测器对1450纳米至1650纳米范围的光不太敏感，因而从主要光信号34米的散射光不会干扰校准检测器40。另外，InGaAs检测器对725纳米至825纳米范围的光不太敏感，因而光校准源38束的射光干扰主要光信号34的可能性较小。应该指出的是，测试信号检测器36和校准检测器40的响应特性无需限制在该最佳实施例所述的各光谱范围。只要测试信号检测器对光学系统光谱范围内的第一级光谱分量敏感而校准源检测器对光学系统光谱范围内的第二极或以上的光谱分量敏感，其它类型的在其它光谱范围敏感的光检测器都可以采用。光测试信号检测器36和光校准源检测器40同时将受测试光信号34的各光谱分量和光校准信号39的校准线转换成电信号，电信号经过放大、数字化、储存和处理，输出并显示出来。
图2示出了可用来在光谱分析仪中同时检测光校准信号39和受测试光信号34的另一光学系统50的示意图。与图1相同的各元件以同样编号标出。此另一光学系统具有第一和第二准直光学元件52,54，例如抛物面镜、球面镜等，各准直光学元件52,54具有光轴56,58和焦平面60,62。各准直光学元件52,54的各焦平面60,62中配有光纤阵列64,66，光纤阵列64,66的中心轴为68,70。光纤阵列64,66的第一和第二对光纤22,24分别具有输入光纤26,28和输出光纤30,32。其中光纤阵列64包括光纤对22,24的输入光纤26,28，另一光纤阵列66具有光纤对22,24和输出光纤30,32。各光纤对的输入和输出光纤平行于光纤阵列64,66各自的中心轴68,70。第一对光纤32的输入光纤26连接成使其接收受测试的光信号34。光纤对的输出光纤与光测试信号检测器36(例如InGaAs PIN光电二极管或InGaAs雪崩光电二极管)连接。第二对光纤24的输入光纤28与光校准源38连接。光校准源38按原子或分子型能级的跃迁产生光谱输出39。和上面所述的一样，光源38可以是气体放电灯，例如氩和汞氩放电灯，或由宽带光源照明的乙炔吸收的灯，例如LED。光纤对24的输出光纤32与光校准源检测器40(例如硅光电二极管)连接。准直光学元件52,54可以配置成使光纤对22,24的输入和输出光纤30,32都配置在准直光学元件52,54各光轴56,58的同一边。此外，准直光学元件52,54的焦距可以不同，且可以取向在需要有复合光角度的光路的不同空间平面上。光纤阵列64,66与准直光学元件52,54之间横向配置有光调谐元件42，例如衍射光栅，用于主要确定光学系统50的第一级光谱范围。调谐衍射光栅42不一定非要配置在准直光学元件52,54的焦距内。光调谐元件的驱动电机44与光调谐元件42连接，通过光谱范围调谐光学系统50。
现在用与上面说明图1时同样的光谱范围说明光学系统50的工作过程。光测试信号34可作为宽带光信号且具有这样的特点：光信号的第一级光谱分量处在1450纳米至1650纳米范围内。光校准源产生的光输出39，其第二级和/或以上的谱线处在光学系统50的范围内。和前面所述的一样，光测试信号34和光校准信号39通过光学系统50分开的光路。从光测试信号光纤26发出的实线表示光测试信号34通过光学系统50的射线路径，从光校准源光纤28发出的虚线表示光校准信号39通过光学系统50的射线路径。光测试信号34和光校准信号从第一准直光学元件52反射到调谐衍射光栅42上。光信号34,39的经调谐的光谱分量从调谐衍射光栅42衍射到第二准直光学元件54上。第二准直光学元件54反射经调谐的光信号34,39，将光测试信号34的经调谐的光谱分量聚焦到光测试信号的输出光纤30上，将光校准信号39的经调谐的光谱分量聚焦到光校准信号的输出光纤32上。
光测试信号34的经调谐的光谱分量通过光测试信号的输入光纤30耦合到光测试信号检测器36上。光测试信号检测器36是InGaAsPIN或雪崩光电二极管，对光测试信号34的第一级光谱分量敏感，对光校准信号39的第二级或以上的谱线不太敏感，光校准信号39的经调谐的光谱分量通过光校准信号的输出光纤32耦合到校准源检测器40。光校准源检测器40是硅光电二极管，对光校准源38的第二级或以上的谱线敏感，对光测试信号34的第一级光谱分量不太敏感。光测试信号检测器36和光校准源检测器40同时检测光测试信号34和光校准信号39，并将光信号34和39转换成电信号。
参看图3，图中示出了装有供同时检测光校准信号39和受测试光信号34的光学系统10的光谱分析仪80的示意方框图。在图3中，与以上各附图中所示相同的元件用同样的编号标出。光谱分析仪80的最佳实施例包括光谱分析模块82和基础部分84。光谱分析模块82有一个光学系统10，供将受测试光信号34和光校准信号39的光谱分量分开。光学系统的抛物面镜12起准直光学元件的作用，具有光轴14和焦平面16。抛物面镜12的焦平面16上配有光纤阵列18，光纤阵列18的中心轴与镜12的光轴在同一直线上。光纤阵列18具有第一和第二对22,24输入光纤26,28和输出光纤30,32，各对的输入和输出光纤对称配置在光纤阵列中心轴20的任一边。一对光纤22的输入光纤26连接成使其接收受测试的光信号34，另一输入光纤28与光校准源38连接。光调谐元件42呈衍射光栅的形式，在第一级光谱范围内调谐光学系统10。光接收器86,88接收各光测试信号34和光校准信号39，并将光信号转换成电信号。各电信号经多路复用器90多路复用，耦合到模/数(A/D)转换器92上。A/D转换器92将电信号转换成数字值，经数字信号处理器(DSP)94处理后存入存储器96。存储器96包括RAM和ROM存储器，RAM存储器储存易失性数据，例如表示光测试信号34和光校准信号39的光谱分量的数字值。DSP 94执行储存在ROM存储器96中的涉及获取、处理和储存数字值的编程指令。数据和控制总线98不仅将A/D转换器92和衍射光栅驱动电机44而且也将存储器96连接到数字信号处理器94上。衍射光栅驱动电机44改变衍射光栅42的位置，通过光学系统10的光谱范围调谐光学系统10。DSP 94还给多路复用器90和A/D转换器92提供控制信号。
储存的数据通过光谱分析仪系统总线100中的串行数据线耦合到基础部分84。光谱分析模块82来的数字数据存入存储器102，由控制器104处理，显示在诸如液晶显示器、阴极射线管之类的显示器106上、在最佳实施例中，控制器104是莫托罗拉(Motorola)公司出品和销售的XPC821微处理器。数据和控制总线108将存储器102不仅与显示器106而且与控制器104连接起来。控制器104还与前板控制器110连接。前板控制器110可包括按钮、旋钮和键片，供选择待进行的特殊测量、测量参数、显示窗口等。在本发明的最佳实施例中，作为显示器106一部分的触摸式屏幕显示部分具有一般测定仪前板的控制功能。存储器102包括RAM和ROM存储器，RAM存储器储存从光谱分析模块82来的获取和处理过的数字数据，ROM存储器储存控制光谱分析仪80工作过程的程序指令。本发明最佳实施例中的光谱分析仪80是由微软公司出品和销售的WINDOWSCE操作系统控制的。
在最佳实施例中，光谱分析仪80的第一级光谱范围为1450纳米至1650纳米，主要由可调谐衍射光栅42控制。受测试的光信号34通过光接口112耦合到光谱分析仪80。光谱分析仪80测定宽带光测试信号34在分析仪的1450纳米至1650纳米光谱范围内的特性。光测试信号34和光校准信号39通过光纤阵列18的第一和第二输入光纤26,28耦合到光学系统10中。光校准源38产生第二级和/或以上的谱线处在光学系统10光谱范围内的光校准信号39。光测试信号34和光校准信号39沿分开的光路传输，从抛物面镜12反射到衍射光栅42上。调谐衍射光栅42将光测试信号34的第一级光谱分量与光校准信号39的第二级或以上的谱线分开，并将调谐过的分量和谱线通过分开的光路衍射回抛物面镜12。举例说，光测试信号34含有许多光信号，其中一个光信号为1500纳米。衍射光栅42通过衍射光栅驱动电机44调谐到1500纳米。衍射光栅驱动电机44接收来自DSP94的调谐指令，DSP94将1500纳米的光信号与光测试信号中的其它光信号分离开来。与此同时，衍射光栅42分离光校准信号39的第二级的750纳米谱线。光测试信号34的经调谐的光谱分量和光校准信号39的经调谐的谱线由抛物面镜12聚焦到相应的光测试信号输出光纤30和光校准输出光纤32上。
光测试信号34的经调谐的光谱分量耦合到光接收器86，光接收器86有一个光检测器36，对光测试信号34的第一级光谱分量敏感，对光校准信号39的第二级或以上的谱线不太敏感。在光谱分析仪80的最佳实施例中，光检测器36是InGaAs雪崩光电二极管。光校准信号的经调谐的谱线耦合到第二光接收器88。光接收器88有一个光检测器40，对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对光测试信号34的第一级光谱分量不太敏感。在光谱分析仪80的最佳实施例中，光检测器40是个硅光电二极管。光检测器36,40将各光测试信号34和光校准信号39转换成电信号。电信号耦合到放大器114,116上进行放大。放大过的电信号耦合到多路复用器90上，由多路复用器90在DSP 94的控制下多路复用这些信号，并将多路复用过的信号耦合到A/D转换器92。A/D转换器92在DSP 94的控制下将多路复用过的信号数字化，并对数字化后的值进行处理，存入RAM存储器96中。在光信号为1500纳米、第二级校准线为750纳米的光测试信号34的实例中，DSP 94将表示750纳米校准线的数字值乘以2，产生表示1500纳米校准线的数字值。由于确实知道750纳米校准线的误差极小，因而乘2后校准线的不确定性也非常小。1500纳米校准线的波长用光谱分析仪80测定时可能得出其它值，例如适当的第三级或第四级谱线。测定出的校准线与实际校准线之间的误差由DSP 94计算出来，用来校正1550纳米的光测试信号。光测试信号的校准误差计算和校正由DSP94自动进行，光谱分析仪的用户可以看得很清楚。
RAM存储器96中处理过的数字值通过系统总线100中的串行数据线耦合到基础部分84中的控制器104。控制器104对各数字值进一步处理并将数据格式化，以便显示在显示器106上。
上述光谱分析仪是用图1的光学系统说明的。光谱分析仪同样也可以用图2的光学系统说明。此外，光谱分析模块可以通过除去多路复用器、采用独立的模/数转换器转换光接收器的输出进行修改。另外，光谱分析模块和基础部分可结合成一个组件，DSP功能和基础部分功能由单一的控制器进行。
上面说明了一个同时检测光测试信号和光校准信号的光学系统。该光学系统包括至少一个具有光轴和焦平面的第一准直光学元件。准直光学元件的焦平面上配有一个具有第一和第二光纤对的光纤阵列。光纤阵列的中心轴与准直光学元件的光轴处在同一条直线上。光纤对具有输入光纤和输出光纤，各光纤对的输入和输出光纤以中心轴对称配置。光学系统的第一级光谱范围供测定宽带光测试信号，光学系统的光校准元件产生第二级谱线处在光学系统光谱范围内的光校准信号。输入光纤接收光测试信号和光校准信号并向准直光学元件发射相应的光信号。光测试信号和光校准信号沿两条分开的通过光学系统的光路传播。光测试信号和光校准信号从准直光学元件直接反射到衍射光栅上。起调谐作用的衍射光栅将光测试信号的分量与光校准信号的谱线分开，并将调谐过的信号衍射到准直光学元件上。光测试信号的经调谐的光谱分量和光校准线聚焦到光纤阵列中的输出光纤上。光测试信号的光纤将光测试信号经调谐的光谱分量耦合到一个测试信号检测器上，光校准光纤将经调谐的光校准线耦合到校准信号检测器上。光测试信号检测器对测试信号的第一级光分量敏感，对光校准信号的第二级或以上的校准线不太敏感。校准信号检测器对光校准信号的第二级或以上的光校准线敏感，对光测试信号的第一级光谱分量不太敏感。光检测器将各光测试信号和光校准信号转换成电信号。这种光学系统可用在光谱分析仪中以同时校准该分析仪。
上面说明了可用在光谱分析仪中以同时检测光测试信号和光校准信号的光学系统。本技术领域的行家们在阅读了上述说明之后都知道可以对本发明进行种种更改和修改。不言而喻，以上所举的一些具体实施例仅仅是举例说明，没有限制本发明的意思。谈论一些具体实施例的细节并非旨在限制所附权利要求书的范围。
Claims (35)
1．一种光学系统，具有限定的第一级光谱范围，供同时检测光校准信号和受测试的光信号，其特征在于包括：
准直光学元件，具有一个光轴和一个焦平面，供接收光校准信号和受测试的光信号；
一个光纤阵列，其中心轴与准直光学元件的光轴处在同一条直线上，其第一和第二对光纤配置在准直光学元件的焦平面上，各对光纤具有一个输入光纤和一个输出光纤，各对光纤的输入和输出光纤对称配置在中心轴的任一边，第一对光纤的输入光纤连接成使其接收受测试的光信号；
一个光源，与第二对光纤的输入光纤连接，产生具有处在光学系统第一级光谱范围内的第二级或以上谱线的光校准信号；
一个光调谐元件，接收准直光学元件来的光校准信号和受测试的光信号，供在第一级光谱范围内调谐光学系统，从而将受测试光信号的各光谱分量分开，并传送光校准信号的第二级或以上的谱线；
第一光检测器，与第一对光纤的输出光纤连接，对受测试光信号的光谱分量敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感；和
第二光检测器，与第二对光纤的输出光纤连接，对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试光信号的光谱分量不太敏感。
2．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述准直光学元件是抛物面镜。
3．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述准直光学元件是球面镜。
4．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光纤阵列还包括一个V形槽部件，其中形成有大致呈V形的沟道，等间距平行地处在V形部件中心轴的任一边。
5．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源是一光信号发生器，按原子型的能级跃迁产生光谱输出。
6．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源是一光信号发生器，按分子型的能级跃迁产生光谱输出。
7．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光源是汞氩放电灯。
8．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光调谐元件是衍射光栅。
9．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs PIN光电二极管。
10．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs雪崩光电二极管。
11．如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二光接收器中的光检测器是硅光电二极管。
12．一种光学系统，具有限定的第一级光谱范围，供同时检测光校准信号和受测试的光信号，其特征在于包括：
第一和第二准直光学元件，各准直光学元件具有一个光轴和一个焦平面，第一准直光学元件接收光校准信号和受测试的光信号；
第一和第二光纤阵列，各光纤阵列具有一个中心轴，第一光纤阵列固定第一和第二对光纤的输入光纤，使其平行于中心轴，且处在第一准直光学元件的焦平面上，第二光纤阵列固定两光纤对的输出光纤，使其平行于中心轴，且处在第二准直光学元件的焦平面上，第一对光纤的输入光纤连接成使其接收测试的光信号；
一个光源，与第二对光纤的输入光纤连接，产生具有处在光学系统光谱范围内的第二级或以上谱级的光校准信号；
一个光调谐元件，接收第二准直光学元件来的光校准信号和受测试的光信号，供在第一级光谱范围内调谐光学系统，从而将受测试信号的各光谱分量分开，并传送光校准信号的第二级或以上的谱线；
第一光检测器，与第一对光纤的输出光纤连接，对受测试光信号的光谱分量敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感；和
第二光检测器，与第二对光纤的输出光纤连接，对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试光信号的光谱分量不太敏感。
13．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一和第二准直光学元件为抛物面镜。
14．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一和第二准直光学元件为球面镜。
15．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一和第二光纤阵列还包括一个V形槽部件，其中形成有大致呈V形的沟道，平行于V形部件的中心轴。
16．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光源是光信号发生器，按原子型能级跃迁产生光谱输出。
17．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光源是光信号发生器，按分子型能级跃迁产生光谱输出。
18．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光源是汞氩放电灯。
19．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光调谐元件是衍射光栅。
20．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs PIN光电二极管。
21．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs雪崩光电二极管。
22．如权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述第二光接收器中的光检测器是硅光电二极管。
23．一种光谱分析仪，具有限定的光谱范围和一个供同时检测光校准信号和受测试的宽带光信号，供测定并显示受测试光信号的光谱分量，其特征在于包括：
准直光学元件，具有一个光轴和一个焦平面，供接收光校准信号和受测试的光信号；
一个光纤阵列，其中心轴与准直光学元件的光轴处在同一条直线上，其第一和第二对光纤配置在准直光学元件的焦平面上，各对光纤具有一个输入光纤和一个输出光纤，各对光纤的输入和输出光纤对称配置在中心轴的任一边，第一对光纤的输入光纤连接成使其接收受测试的光信号；
一个光源，与第二对光纤的输入光纤连接，产生具有处在光学系统第一级光谱范围内的第二级或以上谱线的光校准信号；
一个光调谐元件，接收准直光学元件来的光校准信号和受测试的光信号，供在第一级光谱范围内调谐光学系统，从而将受测试光信号的各光谱分量分开，并传送光校准信号的第二级或以上的谱线；
第一光接收器，具有一个光检测器，与第一对光纤的输出光纤连接，对受测试光信号的光谱分量敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感，供产生表示受测试光信号光谱分量的电信号；
第二光接收器，具有一个光检测器，与第二对光纤的输出光纤连接，对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试光信号的光谱分量不太敏感，供产生表示光校准信号的第二级或以上谱线的电信号；
电信号转换器件，供将光接收器来的电信号转换成数字信号；和
处理器件，供处理数字值，以便从表示光校准信号谱线的数字值产生校准误差，并将误差值加到表示受测试光信号的光谱分量的数字值上。
24．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述光源用于产生725纳米至825纳米范围的第二级或以上的谱线。
25．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述光源是汞氩放电灯。
26．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs PIN光电二极管。
27．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述第一光接收器中的光检测器是InGaAs雪崩光电二极管。
28．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述第二光接收器中的光检测器是硅光电二极管。
29．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述光调谐元件是衍射光栅。
30．如权利要求28所述的光谱分析仪，其特征在于，它还包括一个在1450纳米至1650纳米的在第一级光谱范围内调谐衍射光栅的衍射光栅调谐电机。
31．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述电信号转换器件包括：
一个多路复用器，连接成使其接收来自第一和第二光接收器的电信号；
一个模/数转换器，交替接收来自第一和第二光接收器的电信号。
32．如权利要求23所述的光谱分析仪，其特征在于，所述处理器件包括一个数字信号处理器。
33．一种在光谱分析仪中同时检测光校准信号和受测试光信号的方法，所述光谱分析仪有一个具有限定的第一级光谱范围的光学系统，且包括准直光学元件、产生光校准信号的光信号校准源、受测试光信号输入端、光校准信号输入端、光调谐元件以及第一和第二光检测器，所述方法的特征在于，它包括下列步骤：
a)将光校准信号和受测试的光信号同时射入所述光学系统中，其中光校准信号具有处在光学系统范围内的第二级或以上的谱线；和
b)用第一光检测器和第二光检测器同时检测光校准信号和受测试的光信号，其中第一光检测器对受测试的光信号敏感，对光校准信号的第二级或以上的谱线不太敏感，第二光检测器对光校准信号的第二级或以上的谱线敏感，对受测试的光信号不太敏感。
34．如权利要求33所述的在光谱分析仪中同时检测光校准信号和受测试光信号的方法，其特征在于，它还包括在第一级光谱范围内调谐光学系统，从而将光校准信号和受测试光信号的各光谱分量分离开来的步骤。
35．如权利要求33所述的在光谱分析仪中同时检测光校准信号和受测试光信号的方法，其特征在于，所述同时检测步骤还包括同时将光校准信号和受测试的光信号转换成电信号的步骤。
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