CN204115867U - 一种提高光通量的光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种提高光通量的光谱测量装置，所述装置是通过增大传统色散光谱仪或光谱测量系统中的入射狭缝的宽度，并在传统的色散光谱仪或光谱测量系统中的光栅后面增加一组成像镜头来测量零级光谱，利用该零级光谱和原有的光谱测量系统中所测的一级光谱之间的数学关系，通过计算得出新的光谱。该新的光谱比传统的采用较小狭缝的光谱测量系统获得的光谱具有更强的光能量，与此同时，还能保持采用较小狭缝的光谱测量系统所具有的高分辨率。本实用新型能有效的提高入射光谱仪器的光通量，并通过数学计算来保证较高的光谱分辨率。

Description

一种提高光通量的光谱测量装置

技术领域

本实用新型涉及光谱学、光谱测量及仪器技术领域，具体地，涉及一种提高光通量的光谱测量装置。

背景技术

光谱工作范围、光谱分辨率、光通量以及探测噪声和动态范围等是反映光谱仪器性能的主要参数。在许多应用中，以上参数都是十分重要的。例如：较高的光谱分辨率可以得到目标谱图的更精细的结构信息，从而允许更为精细的分析。较高的光通量可以提高检测物质的灵敏度，降低检测限。

自从1802年威廉·沃拉斯顿在色散光谱仪中使用狭缝来提高光谱仪的光谱分辨率后，狭缝便成为色散光谱仪的一个重要组成部分。然而，较小宽度的狭缝在提高分辨率的同时阻挡了大部分的入射光，导致入射光通量较小，影响了仪器探测物质的灵敏度。这就是人们所熟知的色散光谱仪中分辨率和光通量之间的矛盾。一些设计方案已被陆续提出，来缓解或解决该矛盾。

在过去的几十年里，两个最重要的提高光谱仪性能的方法分别为编码孔径成像光谱仪(CAS)和傅立叶变换光谱仪(FTS)。对于CAS来说，只有编码孔足够小才能达到较好的分辨率，然而，小的编码孔带来的光学衍射和光学模糊对测量结果造成了一定的影响。传统的FTS的核心部件是干涉仪，系统中的机械扫描元件使仪器的结构和整体装配变得复杂。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种提高光通量的光谱测量装置，能够突破传统高分辨率和高光通量之间的矛盾，实现高光通量的同时获得高分辨率。

为实现以上目的，本实用新型采用以下技术方案：

所述提高光通量的光谱测量装置，包括分光测量单元和光谱数据处理器两个部分，其中：分光测量单元包括入射狭缝、准直镜、光栅、狭缝成像镜、光谱成像镜、第一CCD和第二CCD，入射狭缝宽度大于传统色散光谱仪或光谱测量系统中的入射狭缝的宽度一倍以上；被测光源由外光路或光纤耦合进入分光测量单元，即：经入射狭缝后经过准直镜准直变成平行光，平行光以一定角度入射光栅，经光栅衍射后以不同角度出射，其中的零级光谱经过狭缝成像镜将入射狭缝成像于第一CCD，一级衍射光经过光谱成像镜将光谱成像于第二CCD；第一CCD与第二CCD的信号连接到光谱数据处理器。

作为一个优选方案，所述准直镜、狭缝成像镜和光谱成像镜的焦距相同。

作为一个优选方案，所述装置中的全部光路采用反射式光路，或者全部采用透射式光路。

作为一个优选方案，所述装置中的成像光路采用透射式光路，光栅采用反射式光路；或成像部分采用反射式光路，光栅采用透射式光路。

作为一个优选方案，所述光谱数据处理器对第一CCD与第二CCD的信号进行前置处理、放大、A/D转换、去噪和反卷积运算，最终获得待测光谱。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型通过增大传统色散光谱仪或光谱测量系统中的入射狭缝的宽度，并在传统的色散光谱仪或光谱测量系统中的光栅后面增加一组成像镜头来测量零级光谱，光谱数据处理器利用该零级光谱和原有的光谱测量系统中所测的一级光谱之间的关系，对信号进行处理得出新的光谱。该新的光谱比传统的采用较小狭缝的光谱测量系统获得的光谱具有更强的光能量，与此同时，还能保持采用较小狭缝的光谱测量系统所具有的高分辨率。

本实用新型引入了光谱数据处理器来处理光谱，只在传统光谱仪原有的结构基础上进行了较小的改动，但可以同时实现高分辨率和高通量，对于传统光谱仪的性能，特别是在弱光源的情况下，有较大的提升与改善。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1(a)-图1(d)为本实用新型测量系统实施例的光路原理图；

图2为本实用新型一实施例应用在拉曼光谱测量系统上的光路图；

图3为采用图2光路进行光谱测量得到的光谱数据图；

图4为采用传统小狭缝测量得到的光谱和应用本实用新型大狭缝获得重构光谱的对比图(强度做了归一化)；

图中：100-分光测量单元；200-光谱数据处理器；1-入射狭缝；2-准直镜；3-光栅；4-狭缝成像镜；5-光谱成像镜；6-第一CCD；7-第二CCD。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实施例提供一种提高光通量的光谱测量装置，一般的光谱仪狭缝宽度取值在几个微米至几百微米范围，本实用新型中狭缝宽度增大的范围：一般是大于原有的狭缝一倍以上。通过将传统的色散光谱仪或光谱测量系统中的宽度小的狭缝更改为宽度稍大的狭缝来提高入射光通量，并在光栅后面增加一组成像镜头来测量零级光谱，利用该零级光谱和原有的光谱测量系统中所测的一级光谱之间的关系，得出新的光谱。

如图1所示，为本实用新型一个优选实施例，光谱测量装置包括分光测量单元100和光谱数据处理器200，其中：分光测量单元包括入射狭缝1、准直镜2、光栅3、狭缝成像镜4、光谱成像镜5、第一CCD6和第二CCD7，入射狭缝1宽度大于传统色散光谱仪或光谱测量系统中的入射狭缝的宽度一倍以上；被测光源由外光路或光纤耦合进入分光测量单元100。待测光通过入射狭缝1射入准直镜2后变成平行光，平行光以一角度入射光栅3，经过光栅3衍射后以不同角度出射，其中的零级光经狭缝成像镜4将入射狭缝成像于第一CCD 6上，故第一CCD 6检测到的是入射光照射下的狭缝像，反映的是入射光源在狭缝面上的光强分布；其中的一级衍射光经光谱成像镜5将光谱成像于第二CCD 7上，故第二CCD 7检测到的是的入射光经由入射狭缝1、准直镜2、光栅3和光谱成像镜5组成的色散成像系统获得的一级光谱分布。

假设入射光以一角度θ_i平行入射于光栅3，波长为λ的光以θ角度衍射，则满足光栅方程

d(sinθ_i±sinθ)＝jλ

其中：d是光栅常数，θ_i是入射角，θ是衍射角，j是衍射级次，对于一级光谱j＝1。

如果准直镜2、狭缝成像镜4和光谱成像镜5的焦距相同，均为f，忽略像差的情况下放大率为1，第二CCD 7上所接收到的是不同波长的准单色光照明下的入射狭缝1所成像的叠加像，光谱的带宽取决于入射狭缝1的宽度、光栅刻线、焦距等因素，如果入射狭缝1沿宽度方向(设为x轴方向)的尺寸等于第二CCD 7像素单元宽度的N倍，由于不同波长的光的衍射角不同，所以成像的位置也不同，结果是不同波长的光谱沿着色散方向在第二CCD 7相邻像素上进行重叠。

为了进一步说明该技术原理，考虑将入射狭缝1的宽度等距离分割成若干个单元，每个单元宽度等于CCD的像素间距d，沿着入射狭缝1宽度方向(即x轴方向)分别标记为第1，2，3，i,…,第n像素位置，考虑入射狭缝1中第i像素位置和沿x轴平移了k个单位长度的第i-k像素位置，其分别由第一CCD 6测得的非色散像和由第二CCD7测得的色散像将会沿相同的方向移动相同的距离kd，这称为平移不变性。该特性的简要推理如下：选取入射狭缝1上沿x轴方向的两个像素i和i-k作为例子；对于波长为λ的光，从这两个像素单元出射的光经过准直镜2后成为两束各自独立的平行光；这两束光在射向光栅3时有不同的入射角θ_i1和θ_i2；根据光栅方程d(sinθ_i±sinθ)＝jλ，对于相同波长λ的光而言，衍射角会随着入射角的不同而有所不同；对于波长为λ、入射角分别为θ_i1和θ_i2的光的衍射方程可以表示为：

d(sinθ_i1±sinθ_d1)＝jλ＝d(sinθ_i2±sinθ_d2)

因此，对于相同波长λ的光，不同的衍射角和入射角的色散方程可以表示为：

sinθ_i1-sinθ_i2＝±(sinθ_d2-sinθ_d1)

在狭缝成像镜4和光谱成像镜5有相同焦距f的条件下，若方程两边同时乘以焦距f，这样就可以得到方程

f(sinθ_i1-sinθ_i2)＝±f(sinθ_d2-sinθ_d1)

f sinθ_d1近似等于波长为λ的光在图像传感器第二CCD 7上距离中心的色散距离。方程右边是来自入射狭缝1两个像素的波长为λ的光在色散图像(即光谱面)上的距离；同理，左边是来自入射狭缝1两个像素的波长为λ的光在入射狭缝1平面上沿x轴上的距离(即在非色散图像第一CCD 6上的距离)。

根据上述位移不变性特性，第一CCD 6和第二CCD 7上测量得到的光通量分布与入射光源光谱函数S(x；λ)关系可以表示为：

f₂(x)＝f₁(x)*S(x；λ)，*为卷积运算符号

其中：f₂(x)是第二CCD 7上测得的一级光谱的图像，f₁(x)是第一CCD 6测得的零级光谱的图像；入射光源的光谱函数S(x；λ)可以经由f₂(x)和f₁(x)进行反卷积而得出。

本实施例的装置采用分光测量单元100和光谱数据处理器200两个部分来实现光谱的测量，分光测量单元100包括入射狭缝1、准直镜2、光栅3、狭缝成像镜4、光谱成像镜5、图像传感器第一CCD 6和第二CCD 7，其中：准直镜2、狭缝成像镜4和光谱成像镜5的焦距相同。全部光路可以采用反射式光路，如图1中(a)所示；也可以全部采用透射式光路，如图1中(b)所示；或其中的成像光路采用透射式，光栅采用反射式，如图1中(c)所示；或成像部分采用反射式，光栅采用透射式，如图1中(d)所示。

被测光源由外光路或光纤耦合进入分光测量单元100，经入射狭缝1后经过准直镜2准直变成平行光，其中入射狭缝1要放在准直镜2的焦平面上，平行光入射光栅3，经光栅3衍射，其中的零级光谱经过狭缝成像镜4将入射狭缝1成像于第一CCD 6，一级衍射光经过光谱成像镜5将光谱成像于第二CCD 7，第一CCD 6与第二CCD 7的信号由光谱数据处理器200进行前置处理、放大、A/D转换、去噪和反卷积等运算，最终获得待测光谱。

其中，采用以下公式进行运算：

$x^{\left(n\right)}\left(i\right)=x^{(n-1)}\left(i\right)\×\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h(j,i)\frac{y\left(j\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{M-1}h(j,k)x^{(n-1)}\left(k\right)}.$

其中：x表示变换后的数据，y表示测量的原始数据，h表示大狭缝上的归一化光强分布，n表示循环次数。M表示变换后的数据x的长度，N表示测量的原始数据y的长度，i∈<0,M-1>，k＝0，…，M-1，j＝1，…，N-1。

光谱数据处理器200可以采用单片机、芯片或者计算机等实现，其中的反卷积等运算可以采用现有常用软件实现，比如Matlab商业软件，前置处理、放大、A/D转换、去噪和反卷积等均属于现有处理，具体算法的设置不是本实用新型的创新，本实用新型主要是提供了一种硬件的光谱测量装置。

如图2所示，设选取非对称交叉式切尔尼—特纳型拉曼光谱测量系统，将本实用新型所述的光谱测量装置应用于该系统，得到如图2所示的光路图。其中光源的光谱范围为794nm-985nm，光纤8的芯径为200μm，传统的光谱测量装置原有的狭缝宽度较小为50μm，测量得到的光谱数据如图3中宽度较小狭缝测量光谱图；采用本实用新型装置，将其中入射狭缝宽度更换为150μm，增加狭缝成像镜4和第一CCD 6测量分支，其中第一CCD 6检测到的是零级光谱，即图3中宽度较大狭缝测量图像，第二CCD 7检测到的是一级光谱，即图3中宽度较大狭缝测量得到的光谱图；光谱数据处理器200将光谱数据导入Matlab中进行反卷积计算，得到重构光谱，即本实验的结果光谱，如图4所示；通过图中光谱对比可知，两者具有几乎相同的分辨率，而经计算可以得出，由于高通量，重构光谱的RMS信噪比PSNR＝26.8dB，小狭缝测量光谱的信噪比PSNR＝23.5dB，通过本实用新型重构光谱后信噪比得到了明显的提高。

本实用新型只是在传统光谱仪原有的结构基础上进行了较小的改动，但可以同时实现高分辨率和高通量，对于传统光谱仪的性能，特别是在弱光源的情况下，有较大的提升与改善。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (5)

1.一种提高光通量的光谱测量装置，其特征在于，所述装置包括分光测量单元和光谱数据处理器，其中：分光测量单元包括入射狭缝、准直镜、光栅、狭缝成像镜、光谱成像镜、第一CCD和第二CCD，入射狭缝宽度大于传统色散光谱仪或光谱测量系统中的入射狭缝的宽度一倍以上；被测光源由外光路或光纤耦合进入分光测量单元，即：经入射狭缝后经过准直镜准直变成平行光，平行光以一角度入射光栅，经光栅衍射后以不同角度出射，其中的零级光谱经过狭缝成像镜将入射狭缝成像于第一CCD，一级衍射光经过光谱成像镜将光谱成像于第二CCD；第一CCD与第二CCD的信号连接到光谱数据处理器。

2.根据权利要求1所述的一种提高光通量的光谱测量装置，其特征在于，所述准直镜、狭缝成像镜和光谱成像镜的焦距相同。

3.根据权利要求1所述的一种提高光通量的光谱测量装置，其特征在于，所述入射狭缝宽度值为检测成像器件CCD单位像素宽度的整数倍。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高光通量的光谱测量装置，其特征在于，所述装置，其中的全部光路采用反射式光路；或者全部采用透射式光路。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高光通量的光谱测量装置，其特征在于，所述装置，其中的成像光路采用透射式光路，光栅采用反射式光路；或成像部分采用反射式光路，光栅采用透射式光路。