CN201069388Y - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光谱仪。包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪，一个用于接收单色光的光电倍增管，单色仪与光电倍增管光学连接，所述的光电倍增管通过一个信号处理电路与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源，参考光源与微控制器相联，且所述的参考光源为发光二极管。与现有的技术相比，本光谱仪的优点在于：1.设计合理，结构简单，测量动态范围大；2.由于对光电倍增管的绝对灵敏度进行了合理的校正，仪器的响应线性好；3.对参考探测器、参考光源和光电倍增管都进行了恒温控制，有效提高了其工作稳定性；4.在少量增加成本的条件下实现了光谱仪性能的大幅度提高。

Description

一种光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱辐射测试领域，尤其是涉及一种能够将光电倍增管的绝对灵敏度在大动态范围内进行校正的光谱仪。

背景技术

光谱仪测量光谱辐射的原理一般为：被测入射光照射在单色仪的入射狭缝中，单色仪将被测光分成在一定波长范围内的单色光后，让一定带宽内的单色光从出射狭缝依次射出并照射到光电传感器件上，光电传感器件所产生的信号与照射在其上的光线的强度成正比。此信号与已知光谱功率分布的标准光源的信号相比较，便可得到被测光的光谱功率分布。由于光谱仪可以用来测量光的光谱功率分布，因此，被广泛应用于颜色测量、元素鉴定、化学分析等领域。

光谱仪中的光电传感器件一般为光电倍增管(PMT)，它具有低噪声、高灵敏度、快速响应等优点，非常适合作为光谱仪中的光电传感器件。但是，光电倍增管对温度的影响比较敏感，其稳定性较差，并且负高压电源的不稳定也会造成光电倍增管响应的不稳定；另外，在实际使用中光电倍增管的绝对灵敏度(即信号与光线强度的比值)存在非线性的问题，绝对灵敏度会随入射光强度变化而变化，信号不与光线强度成严格正比关系，这些都会给光谱辐射测量带来误差。

为了提高光谱仪的测量精度，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的实施方案。例如，美国专利文献公开了一种提高光电倍增管稳定性的方法及其实施装置〔U.S.Pat.No.5,079,424〕，该方案在光电倍增管旁边设置了一个发光二极管，发光二极管发出恒定的参考光照射在光电倍增管上，用以调节光电倍增管灵敏度使其稳定。该方案提高了光电倍增管的工作稳定性，但是由于其采用的基准是恒定的，因而无法解决光电倍增管响应非线性的问题，也无法实现大的动态测量范围。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结构简单，能够有效提高工作稳定性，对光电倍增管的绝对灵敏度进行线性校正，进而提升测量准确度，实现大动态测量范围的光谱仪；解决了现有技术中所存在的光电倍增管响应不稳定、绝对灵敏度存在非线性、动态范围小，测量精确度差等技术问题。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本光谱仪，包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪，一个用于接收单色光的光电倍增管，单色仪与光电倍增管光学连接，所述的光电倍增管通过一个信号处理电路与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源，参考光源与微控制器相联，且所述的参考光源为发光二极管。

发光二极管是一种基于PN结的半导体器件，是一种宽禁带量子发光器件，其优点在于：光谱功率分布比较狭窄，是一种准单色光，一般光电传感器件的光谱灵敏度在发光二极管发射光谱范围内都相对比较平坦；发光二极管的光输出功率与其驱动电流具有较好的线性关系，大功率的发光二极管可实现较大动态范围的光输出；随着光输出功率的变化，在结温控制的条件下发光二极管的相对光谱功率分布基本不变；并且只要驱动电流稳定，发光二极管的光输出能保持非常稳定。这些特性都是其他光源无法比拟的，因此在这里发光二极管是理想的参考光源，可大大减少校正过程中的系统误差。

在上述的光谱仪中，在上述的光谱仪中，还包括一个用于接收参考光的参考探测器，参考探测器与所述的参考光源光学连接，所述的参考探测器为硅光电二极管。在工作时，参考探测器的信号通过一信号处理电路处理和转换后传送到微控制器。

硅光电二极管是一种基于PN结的半导体感光器件，其灵敏度一般比光电倍增管小，而单色仪的出射光的强度一般较弱，因此一般情况下硅光电二极管难以替代光电倍增管作为光谱仪的光电传感器件。但硅光电二极管具有非常低的温度敏感性(好的硅光电二极管可达到约0.1％/℃)和长期稳定性(好的硅光电二极管可达到＜1％/年)，并且具有大跨度范围内良好的线性响应(好的硅光电二极管可达到7个数量级范围内线性＜0.2％)，因此在这里也可以使用硅光电二极管作为一个理想的参考探测器。将恒温控制的硅光电二极管作为光量子比例接收参考探测器，配合大范围光功率输出的大功率发光二极管，可实现对光电倍增管绝对灵敏度在大跨度动态范围内的精确校正。

上述的光谱仪可由两种方案实现：(1)不设置参考探测器，参考光源的参考光强度通过其工作电路的电流等电参数获得；(2)设置参考探测器，参考光源的参考光强度通过参考探测器测量得到。

在上述的光谱仪中，在单色仪的入射狭缝前活动设有一个用以改变入射光和参考光方向的光学镜片，该光学镜片的一面为反射镜。光学镜片可移到入射光和参考光的光路中间，使入射光不进入单色仪的入射狭缝，而参考光通过光学镜片的反射面反射进单色仪的入射狭缝，也可移离入射光和参考光的光路，使入射光直接入射进单色仪的入射狭缝而参考光不进入单色仪的入射狭缝。光学镜片的移动由可以由电机实现，并受微控制器控制。

作为另一种方案，在上述的光谱仪中，在单色仪的入射狭缝前固定设置有一个用以改变光源入射光和参考光方向的光学镜片，该光学镜片为半透半反镜，并且在光源前面设置一个用以阻挡或通过入射光的快门。当快门打开时入射光通过光学镜片透射入单色仪的入射狭缝中，快门关闭时入射光被阻挡，而参考光的一部分则通过光学镜片反射入单色仪的入射狭缝中。

在上述的光谱仪中，所述的参考探测器和参考光源分别安装在两个控温器内，所述的控温器都包括半导体制冷器。控温器是为了保证参考探测器和参考光源能够在恒温状态下稳定工作，消除温度变化带来的误差。

在上述的光谱仪中，所述的参考光源和微控制器之间连接有一个可调节参考光源光线强度的驱动控制电路。在工作时，驱动控制电路提供给参考光源以稳定驱动电流，微控制器可以控制驱动控制电路工作，通过驱动控制电路来调节参考光源的驱动电流大小，以实现其输出光线强度的调节。

与现有的技术相比，本光谱仪的优点在于：1.设计合理，结构简单，测量动态范围大；2.由于对光电倍增管的绝对灵敏度进行了合理的校正，仪器的响应线性好；3.对参考探测器、参考光源和光电倍增管都进行了恒温控制，有效提高了其工作稳定性；4.在少量增加成本的条件下实现了光谱仪性能的大幅度提高。

附图说明

图1是本实用新型提供的实施例1的结构框图。

图2是本实用新型提供的一种驱动控制电路结构示意图。

图3是本实用新型提供的一种与光电倍增管连接的信号处理电路的结构示意图。

图4是本实用新型提供的实施例2的结构框图。

图5是本实用新型提供的一种与参考探测器连接的信号处理电路的结构示意图。

图中，光谱仪100、光学镜片10、单色仪1、控温器11、快门12、电脑20、光电倍增管2、阳极2m、信号处理电路3、放大器3a、A/D转换器3b、电阻3c、微控制器4、参考光源5、参考探测器6、控温器7、驱动控制电路8、D/A转换器8a、放大器8b、电阻8c、晶体管8d、信号处理电路9、放大器9a、A/D转换器9b、电阻9c。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本光谱仪由单色仪1、光电倍增管2、信号处理电路3、微控制器4和参考光源5等部件组成。图中虚线部分为光谱仪100的结构。单色仪1将由入射狭缝导入的待测光分为单色光，光电倍增管2感应单色仪1出射的单色光以测量待测光的光谱功率分布，光电倍增管2通过信号处理电路3与微控制器4电连接，参考光源5可发出参考光照射进单色仪1的入射狭缝。

本实用新型具体包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪1，一个用于接收单色光的光电倍增管2，其电信号通过一个信号处理电路3传送给微控制器4。它还包括一个用于产生参考光的参考光源5，参考光源5通过一个可调节光线强度的驱动控制电路8与微控制器4电连接。一个光学镜片10安装在单色仪1的入射狭缝前，光学镜片10的一面为反射镜，它由电机控制可在两个位置间移动：当光学镜片10移到入射光和参考光的光路中间，入射光不进入单色仪1的入射狭缝，而参考光反射进单色仪1的入射狭缝；当光学镜片10移离入射光和参考光的光路，入射光直接入射进单色仪1的入射狭缝而参考光不进入单色仪1的入射狭缝。入射光或参考光进入单色仪1的入射狭缝后，经单色仪1分光后成为单色光，由单色仪1的出射狭缝射出并照射在光电倍增管2的受光面上，光电倍增管2为普通的侧窗式光电倍增管。

更具体地说，参考光源5为发光二极管。发光二极管安装在单色仪1的入射狭缝旁边，它通过一个可调节光线强度的驱动控制电路8与微控制器4电连接。驱动控制电路8提供给发光二极管以稳定驱动电流，并能调节电流的大小以调节发光二极管输出光线强度的大小，调节功能经导线由微控制器4控制。信号处理电路3实现对光电倍增管2信号的调理和转换，并将其传送至微控制器4。微控制器4可由一般的单片机实现，它通过导线控制单色仪1的扫描；通过导线控制驱动控制电路8的电流调节功能；通过信号处理电路3接收光电倍增管2所发出的信号；通过控制电机控制光学镜片10的移动；并通过RS232数据线接受电脑20的命令和向电脑20输出数据。参考光源5安装在一个控温器11内，控温器11保持参考光源5温度恒定，控温器11的主体是一个保温箱，并装有一个半导体制冷器实现温度的控制。

如图1和图2所示，参考光源5通过一个可调节光线强度的驱动控制电路8与微控制器4电连接，驱动控制电路8为图2中的虚线部分。驱动控制电路8包括D/A转换器8a、放大器8b、电阻8c和晶体管8d，D/A转换器8a的输入端与微控制器4相连，放大器8b的一个输入端与D/A转换器8a的输出端相连，其输出端与晶体管8d的基极相连，晶体管8d的另两端分别与电源和发光二极管(即参考光源5)的正极相连，发光二极管的负极分别与电阻8c和放大器8b的另一输入端相连。工作时，微控制器4通过导线将数字调节信号传至D/A转换器8a并转换为模拟电压信号，后续电路给发光二极管(即参考光源5)提供驱动电流，并且驱动电流大小与模拟电压信号大小成正比，微控制器4通过改变数字调节信号，从而实现参考光光线强度的调节。

如图1和图3所示，光电倍增管2通过一个信号处理电路3与微控制器4电连接，信号处理电路3为图3中的虚线部分。信号处理电路3包括放大器3a、A/D转换器3b和电阻3c，放大器3a的一个输入端与光电倍增管2的阳极2m相连，另一个输入端接地，电阻3c的一端接在放大器3a的一个输入端，另一端接在放大器3a的输出端，放大器3a的输出端同时与A/D转换器3b的输入端相连，A/D转换器3b的输出端与微控制器4相连。光电倍增管2输出的光电流信号经放大器3a和电阻3c转换放大，通过A/D转换器3b转换为数字信号后由导线传至微控制器4。

上述的光谱仪是通过下述的校正方法来实现校正的，该方法包括下述步骤：

a.用标准光源校准光谱仪时，将光学镜片移离入射光和参考光的光路，光谱仪对标准光源进行光谱扫描，记录光电倍增管对标准光源的响应信号I_s(λ)，之后将光学镜片移到入射光和参考光的光路中间，将光谱仪扫描到某特定波长处，点亮参考光源并调节其输出光线强度，使光电倍增管对参考光的信号i_{PMT_S_LED}与I_s(λ)的最大值相当，记录此时参考光源的驱动电流i_{LED_S}；

b.光谱仪测试待测光源时，将光学镜片移离入射光和参考光的光路，光谱仪对待测光源进行光谱扫描，记录光电倍增管对待测光源的响应信号I_t(λ)，之后将光学镜片移到入射光和参考光的光路中间，将光谱仪扫描到某特定波长处，点亮参考光源并调节其输出光线强度，使光电倍增管对参考光的信号i_{PMT_t_LED}与I_t(λ)的最大值相当，记录此时参考光源的驱动电流i_{LED_t}；

c.校正后的精确测量结果是通过公式 $P_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_t\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_s\left(\mathrm{\λ}\right)}\·P_s\left(\mathrm{\λ}\right)\·k$ 计算得到的，其中，k为校正系数，且 $k=\frac{i_{\mathrm{PMT}\_S\_\mathrm{LED}}}{i_{\mathrm{PMT}\_t\_\mathrm{LED}}}\·\frac{i_{\mathrm{LED}\_t}}{i_{\mathrm{LED}\_s}},$ P_t(λ)为校正后的待测光源光谱功率分布，P_s(λ)为标准光源的已知光谱功率分布。

上述的参考光源为发光二极管，特定波长为发光二极管的峰值波长；并且在上述步骤a中，i_{PMT_S_LED}与I_s(λ)的最大值相差不大于10％，在上述步骤b中，i_{PMT_t_LED}与I_t(λ)的最大值相差不大于10％。

实施例2：

如图4所示，该光谱仪的另一种实施方式是：在上述光谱仪结构的基础上增加一个用以接收参考光的参考探测器6，其位置设置在参考光源5的对面，参考光源5发出参考光可分别照射在参考探测器6上和单色仪1入射狭缝处，参考探测器6对参考光的响应信号大小与参考光强度大小成正比，将此信号作为参考信号(替代参考光源的驱动电流)，结合光电倍增管2对参考光的响应信号，对光电倍增管2的绝对灵敏度进行校正。

更具体的说，参考探测器6为硅光电二极管，其电信号通过一个信号处理电路9传送给微控制器4，信号处理电路9实现对参考探测器6信号的调理和转换，并传送给微控制器4。参考探测器6安装在一个控温器7内，控温器7保持参考探测器6温度恒定。单色仪1的入射狭缝前固定设置有一个用以改变光源入射光和参考光方向的光学镜片10，光学镜片10为半透半反镜，并且在光源前面设置一个用以阻挡或通过入射光的快门12。当快门12打开时入射光通过光学镜片10透射入单色仪1的入射狭缝中，快门12关闭时入射光被阻挡。参考光的一部分可通过光学镜片10反射入单色仪的入射狭缝中，也可通过光学镜片10透射到参考探测器6上。参考探测器6完成对参考光强度的监控。

如图4和图5所示，参考探测器6通过另一个信号处理电路9与微控制器4电连接，信号处理电路9为图4中的虚线部分。信号处理电路9包括放大器9a、A/D转换器9b和电阻9c，硅光电二极管(即参考探测器6)的两端分别接在放大器9a的两输入端，并且其中一个输入端接地，电阻9c的一端接在放大器9a的一个输入端，另一端接在放大器9a的输出端，放大器9a的输出端同时与A/D转换器9b的输入端相连，A/D转换器9b的输出端与微控制器4相连。硅光电二极管输出的光电流信号经放大器9a和电阻9c转换放大，通过A/D转换器9b转换为数字信号后由导线传至微控制器4。

该方案其余部分均与实施例1类同，本文不再作赘述。

采用该实施方式的光谱仪是通过下述的校正方法来实现校正的，该方法包括下述步骤：

a.用标准光源校准光谱仪时，打开快门，光谱仪对标准光源进行光谱扫描，记录光电倍增管对标准光源的响应信号I_s(λ)，关闭快门，将光谱仪扫描到某特定波长处，点亮参考光源并调节其输出光线强度，使光电倍增管对参考光的信号i_{PMT_S_LED}与I_s(λ)的最大值相当，记录此时参考探测器对参考光的响应信号i_{PD_S_LED}；

b.光谱仪测试待测光源时，打开快门，光谱仪对待测光源进行光谱扫描，记录光电倍增管对待测光源的响应信号I_t(λ)，关闭快门，将光谱仪扫描到该特定波长处，点亮参考光源并调节其输出光线强度，使光电倍增管对参考光的信号i_{PMT_t_LED}与I_t(λ)的最大值相当，记录此时参考探测器对参考光的响应信号i_{PD_t_LED}；

c.校正后的精确测量结果是通过公式 $P_t\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_t\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_s\left(\mathrm{\λ}\right)}\·P_s\left(\mathrm{\λ}\right)\·k$ 计算得到的，其中，k为校正系数，且 $k=\frac{i_{\mathrm{PMT}\_S\_\mathrm{LED}}}{i_{\mathrm{PMT}\_t\_\mathrm{LED}}}\·\frac{i_{\mathrm{PD}\_t\_\mathrm{LED}}}{i_{\mathrm{PD}\_s\_\mathrm{LED}}},$ P_t(λ)为校正后的待测光源光谱功率分布，P_s(λ)为标准光源的已知光谱功率分布。

上述的参考光源为发光二极管，参考探测器为硅光电二极管，特定波长为发光二极管的峰值波长；并且在上述步骤a中，i_{PMT_S_LED}与I_s(λ)的最大值相差不大于10％，在上述步骤b中，i_{PMT_t_LED}与I_t(λ)的最大值相差不大于10％。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了光谱仪100、光学镜片10、单色仪1、控温器11、快门12、电脑20、光电倍增管2、阳极2m、信号处理电路3、放大器3a、A/D转换器3b、电阻3c、微控制器4、参考光源5、参考探测器6、控温器7、驱动控制电路8、D/A转换器8a、放大器8b、电阻8c、晶体管8d、信号处理电路9、放大器9a、A/D转换器9b、电阻9c等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (8)

1.一种光谱仪，包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪(1)，一个用于接收单色光的光电倍增管(2)，单色仪(1)与光电倍增管(2)光学连接，所述的光电倍增管(2)通过一个信号处理电路(3)与微控制器(4)电连接，其特征在于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源(5)，参考光源(5)与微控制器(4)相联，且所述的参考光源(5)为发光二极管。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，它还包括一个与参考光源(5)光学连接的参考探测器(6)，参考探测器(6)通过信号处理电路(9)与微控制器(4)电连接，并且所述的参考探测器(6)为硅光电二极管。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述的参考光源(5)与微控制器(4)电连接。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，在单色仪(1)的入射狭缝前活动设有一个用以改变入射光和参考光方向的光学镜片(10)，该光学镜片(10)的一面为反射镜。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，在单色仪(1)的入射狭缝前固定设置有一个用以改变光源入射光和参考光方向的光学镜片(10)，该光学镜片(10)为半透半反镜，并且在光源前面设置一个用以阻挡或通过入射光快门(12)。

6.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述的参考探测器(6)安装在一个用于保持温度恒定的控温器(7)内，所述的控温器(7)包括半导体制冷器。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述的参考光源(5)安装在一个用于保持温度恒定的控温器(11)内，所述的控温器(11)包括半导体制冷器。

8.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述的参考光源(5)和微控制器(4)之间连接有一个可调节参考光源(5)光线强度的驱动控制电路(8)。

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