CN210036964U - 一种高速光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种高速光谱仪。该高速光谱仪包括：色散模块，用于对探测光进行色散；互补金属氧化物半导体COMS图像传感器，用于探测经色散处理后照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的探测光；控制模块，与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，用于控制互补金属氧化物半导体COMS图像传感器工作，且根据互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号，获取探测光的光谱。本实用新型实施例的技术方案可以与高重频激光器同步工作，提高超快激光光谱测量速度、精度与信噪比。

Description

一种高速光谱仪

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，尤其涉及一种高速光谱仪。

背景技术

超快激光光谱学就是应用光谱学的理论和方法探究超短极限时间尺度内物质运动和变化过程。它的应用非常广泛，是激发态、光催化和光化学、材料中的能量及电荷传输过程、纳米材料的表征、蛋白质材料动力学、超导、自旋电子学、生物医学等领域的重要研究手段。同时正在向更多的领域渗透，被越来越多的科研单位与企业掌握。

超快瞬态吸收光谱、超快二维傅里叶变换电子光谱是超快激光光谱学的最常见的两种应用形式。瞬态吸收光谱的测量方法一般如下：使用脉冲激光器作为光源，将该光源分为两束，分别经过非线性光学参量放大成为泵浦光和探测光。其中泵浦光的脉冲重复频率经过光学斩波器分频调制为探测光频率的一半，二者在样品处同一点汇聚。泵浦光用来激发样品，探测光透过样品被高速光谱仪检测。通过分别检测有泵浦光激发样品和无泵浦光激发样品时透过样品的探测光谱变化，获得瞬态吸收信号。探测光谱的变化一般很小，因此瞬态吸收的信号一般为千分之几甚至万分之几量级。通过延迟线改变泵浦光和探测光的相对延迟，即可以获得瞬态吸收光谱的动力学演化图像。泵浦-探测型超快二维傅里叶变换电子光谱装置基于瞬态吸收光谱演化而来，但更加复杂。

然而，目前市售的光谱仪中，对于满足超快激光光谱测量，缺乏以下条件：

光谱采集速率低。目前超快激光光谱学中一般的做法为多次测量并平均以获得低噪声的信号，对于千分之一量级的信号，一般需要数百次平均，对于万分之一的信号，一般需要数万次平均。这需要光谱仪具有极快的探测速度。目前主流的高速光谱仪采集光谱速度多停留在1KHz水平，无法满足与5KHz，甚至40KHz高重频激光同步工作以提高信噪比的要求。

缺乏高精度。瞬态吸收的信号一般为千分之几，万分之几，甚至更小量级，需要探测器至少具有16位(65536)精度。现有的高速光谱仪中，一般多为14位或12位精度，无法满足测量高精度超快激光光谱的要求。

缺少同步触发信号功能。即缺少接收激光器同步信号及斩波器的判断信号，以同步读取有泵浦光和没有泵浦光激发样品的探测光谱的功能。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种高速光谱仪，以提高光谱探测速度与精度。

本实用新型实施例提供了一种高速光谱仪，包括：

色散模块，用于对探测光进行色散；

互补金属氧化物半导体COMS图像传感器，用于探测经色散处理后照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的探测光；

控制模块，与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，用于控制互补金属氧化物半导体COMS图像传感器工作，且根据互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号，获取探测光的光谱。

进一步地，色散模块为单色仪，单色仪包括沿光路设置的入射狭缝、平面镜、凹面镜、光栅和出射狭缝。

进一步地，控制模块的触发信号输入端与脉冲激光器连接，控制模块用于在每接收到一次脉冲激光器输出的触发信号时，控制互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器对当前的探测光进行一次采集，其中，触发信号与脉冲激光器发射的激光脉冲同步且一一对应。

进一步地，控制模块的斩波同步信号输入端与泵浦探测装置中的光学斩波器连接，控制模块根据光学斩波器输出的斩波同步信号，确定当前的检测信号的探测光类型。

进一步地，还包括计算机，控制模块通过网线与计算机连接，计算机用于根据用户数据报协议，获取控制模块发送的光谱数据。

进一步地，计算机还用于显示光谱波形。

进一步地，互补金属氧化物半导体COMS图像传感器包括呈阵列排布的多个光敏单元，任一光敏单元包括光敏结构和缓冲放大结构。

进一步地，控制模块包括电压比例运算电路、模数转换器和控制器，电压比例运算电路的输入端与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，电压比例运算电路的输出端与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与控制器电连接，模数转换器用于将互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号转换成16位的数字信号，控制器用于根据数字信号，获取探测光的光谱。

进一步地，控制器包括现场可编程门阵列。

本实用新型实施例的技术方案通过互补金属氧化物半导体COMS图像传感器探测经色散模块色散处理后照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的探测光；控制模块与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，用于控制互补金属氧化物半导体COMS图像传感器工作，且根据互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号，获取探测光的光谱，互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的每个光敏单元独立具有放大器，电荷转换成电压的工作是在每一像素上进行，转换速度快，解决了采用电荷耦合器件CCD传感器时所有光敏单元依次通过一个共同的放大器进行电压转换，导致对探测光进行检测时速度较慢的问题，使高速光谱仪可与高重频激光器同步工作，从而提高了超快激光光谱的测量速度、精度与信噪比。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种高速光谱仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200沿图1中AA＇方向的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种单色仪的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种高速光谱仪的测试场景；

图5为本实用新型实施例提供的一种控制模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

本实用新型实施例提供一种高速光谱仪。图1为本实用新型实施例提供的一种高速光谱仪的结构示意图。该高速光谱仪包括：色散模块100、互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200和控制模块300。

色散模块100用于对探测光进行色散；互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200用于探测经色散处理后照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200的探测光；控制模块300与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200电连接，控制模块300用于控制互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200工作，且根据互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200输出的检测信号，获取探测光的光谱。

其中，该高速光谱仪可用于测量可见光的光谱。可选的，探测光可为脉冲光。可选的，该高速光谱仪可用于测量脉冲激光器发出的激光脉冲的光谱。该色散模块100可包括棱镜或光栅等。探测光为具有一定的频率范围的复色光，探测光经色散模块100色散分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列，以实现波长的空间分辨。不同频率的光将照射在COMS图像传感器的感光区域的不同的位置。COMS图像传感器200利用光电效应将光强转换为电信号。图2为本实用新型实施例提供的一种互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200沿图1中AA＇方向的结构示意图。结合图1和图2所示，互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200固定在控制模块100上，互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200和控制模块300位于保护壳1的内部，该保护壳1与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200相对的表面上设置有开孔，以使互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200的感光区域201暴露在外面，以使经色散模块100色散后的探测光，照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200的感光区域201上，以使互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200将光强转换为电信号。

其中，CMOS图像传感器包括呈阵列排布的多个光敏单元，任一光敏单元包括光敏结构和缓冲放大结构，光敏结构的输出端与缓冲放大结构的输入端连接，缓冲放大结构的输出端为COMS图像传感器的输出端。被光照射到的位置的光敏单元将光信号转换成电压信号。COMS图像传感器200的每个光敏单元内都有一个将电荷转化为电压信号的缓冲放大结构，电荷转换成电压的工作是在每一光敏单元上进行，转换速度快，读出速率高。而传统电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)传感器是将各光敏单元的光子信号转换成电子包，并顺序传送到一个共同输出结构，然后依次把电荷转换成电压，由CCD传感器边缘的信号放大器进行放大输出，转换速度慢。在以往的一些光谱仪中，若将多个CCD传感器拼接成一个完整的图像传感器，也能实现较高的光谱采集速度。但不同CCD传感器的线性度不同，同样的光谱在不同CCD传感器上的读数不同，故存在光谱信号变形的问题。与CCD传感器相比，COMS图像传感器转换速度快、成本低、功耗低，解决了传统CCD传感器所有光敏单元依次通过一个共同的放大器进行电压转换，导致在超快激光光谱测量中对探测光进行检测时速度较慢的问题，使高速光谱仪可与高重频激光器同步工作，从而提高了超快激光光谱的测量速度、精度与信噪比。

本实施例的技术方案通过互补金属氧化物半导体COMS图像传感器探测经色散模块色散处理后照射到互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的探测光；控制模块与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，用于控制互补金属氧化物半导体COMS图像传感器工作，且根据互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号，获取探测光的光谱，互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的每个光敏单元都会设置一个放大器，电荷转换成电压的工作是在每一像素上进行，转换速度快，解决了采用电荷耦合器件CCD传感器时所有光敏单元依次通过一个共同的放大器进行电压转换，导致对探测光进行检测时速度较慢的问题，从而提高了超快激光光谱的测量速度。

可选的，色散模块100可为单色仪。单色仪可以是棱镜单色仪或光栅单色仪。可选的，在上述实施例的基础上，图3为本实用新型实施例提供的一种单色仪的结构示意图，单色仪包括沿光路设置的入射狭缝110、平面镜120、凹面镜130、光栅140和出射狭缝150。其中，探测光经入射狭缝110照射到平面镜120，经平面镜120反射到凹面镜130上，经凹面镜130调整为平行光，经过光栅140衍射色散，经凹面镜130汇聚，经出射狭缝150射出，成像于COMS图像传感器的感光区域201，不同波长的光色散在不同的位置，以实现波长的分辨。

图4为本实用新型实施例提供的一种高速光谱仪的测试场景。可选的，控制模块300的触发信号输入端与脉冲激光器400连接，控制模块300用于在每接收到一次脉冲激光器400输出的触发信号时，控制互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器200对当前的探测光进行一次采集，触发信号与脉冲激光器400发射的激光脉冲同步且一一对应。脉冲激光器400的脉冲重复频率可以是5KHz。

其中，图4为一种基于该高速光谱仪的瞬态吸收装置图。脉冲激光器400每发射一个激光脉冲的同时，向控制模块300的触发信号输入端发送一个触发信号，以使控制模块300对当前的激光脉冲进行采集，使得高速光谱仪与脉冲激光器400的触发信号同步，即每次收到脉冲激光器400的触发信号(与激光脉冲同步发出)时读取光谱。控制模块300依次通过光耦隔离芯片和卡扣配合型连接器(Bayonet Nut Connector，BNC)与脉冲激光器400连接。光耦隔离芯片具有隔绝干扰的作用。可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，控制模块300的斩波同步信号输入端与泵浦探测装置500中的光学斩波器510连接，控制模块300根据光学斩波器510输出的斩波同步信号，确定当前的检测信号的探测光类型。

其中，光学斩波器通过卡扣配合型连接器(Bayonet Nut Connector，BNC)和光耦隔离芯片与控制模块连接。泵浦探测装置500为利用脉冲激光探测样品瞬态吸收光谱的装置，其入射光为脉冲激光，出射光为交替出现的有泵浦光激发样品的探测光和无泵浦光激发样品的探测光。探测光类型包括有泵浦光激发的探测光和无泵浦光激发的探测光。为了区分有泵浦光和无泵浦光激发的探测光谱，控制模块需要同步接收来自光学斩波器的判断信号(上述斩波同步信号)，从而将光谱分类。光学斩波器510每进行一次遮光处理时，输出一斩波同步信号。

可选的，继续参见图4，泵浦探测装置500还包括分束片520、第一光学参量放大器530、第二光学参量放大器540、延迟线550、和样品560，光学斩波器510的触发端与脉冲激光器400连接。

其中，分束片520用于将脉冲激光器400发出的激光脉冲分成第一光束和第二光束；第一光学参量放大器530用于将第一光束光参量放大，得到泵浦光；第二光学参量放大器540用于将第二光束的进行光参量放大，得到探测光；光学斩波器510用于根据接收到脉冲激光器400输出的触发信号，对经放大后的第一光束中所有第奇数次或所有第偶数次的激光脉冲进行遮光处理，其中，触发信号与脉冲激光器400发射的激光脉冲同步且一一对应；延迟线550用于改变第一光束(泵浦光)和第二光束(探测光)的相对延迟；经光学斩波器510处理后的第一光束(泵浦光)和经放大后的第二光束(探测光)照射到样品的同一位置后，第二光束(探测光)透过样品，射入色散模块100。

其中，光学斩波器510在接收到脉冲激光器400输出的第奇数次触发信号的同时，对经放大后的第一光束中第奇数次的激光脉冲进行遮光处理；光学斩波器510在接收到脉冲激光器400输出的第偶数次触发信号的同时，对经放大后的第一光束中第偶数次的激光脉冲直接通过。或者，光学斩波器510在接收到脉冲激光器400输出的第偶数次触发信号的同时，对经放大后的第一光束中第偶数次的激光脉冲进行遮光处理；光学斩波器510在接收到脉冲激光器400输出的第奇数次触发信号的同时，对经放大后的第一光束中第奇数次的激光脉冲直接通过。经光学斩波器处理后的第一光束的脉冲重复频率为第二光束的脉冲重复频率的一半。高速光谱仪探测的第奇数次探测光和第偶数次探测光是不同的，相邻两次的探测光脉冲中，一个是有泵浦光激发样品的探测光脉冲，另一个是无泵浦光激发样品的探测光脉冲。泵浦光被光学斩波器分频为探测光频率的一半，即有泵浦光激发和无泵浦光激发样品的探测光交替快速出现，高速光谱仪需要检测到每一个探测光脉冲。

可选的，若光学斩波器在对经放大后的第一光束中第奇数次或第偶数次的激光脉冲进行遮光处理的同时，输出斩波同步信号，控制模块在接收到斩波同步信号的同时，可接收到无泵浦光激发的探测光；若光学斩波器在不对经放大后的第一光束中的光脉冲进行遮光处理时，不输出斩波同步信号，控制模块在接收不到斩波同步信号时，可接收到有泵浦光激发的探测光，从而将光谱分类。

可选的，在上述实施例的基础上，继续参见图4，该高速光谱仪还包括计算机600，控制模块300通过网线与计算机600连接，计算机600用于根据用户数据报协议，获取控制模块300发送的光谱数据。

其中，计算机用于显示交互界面，该交互界面通过Labview软件编辑实现。该交互界面可以显示的探测参数功能包括：外触发/积分模式切换、光谱数/积分时间、光谱数据中扣除的基底值、判断位数值、光谱数据、光谱数据的波形图。用户可通过计算机设置所需的探测参数。其中，外触发模式即为接收激光器的触发信号，与脉冲激光器同步读取光谱；积分模式即独立设定积分时间读取光谱；光谱数为外触发模式下为一次读取的光谱数，积分时间为积分模式下为积分时间，判断位数值为区分有泵浦光激发和无激泵浦光发的光谱的值，例如可以是用0代表有泵浦光激发的光谱，65535代表无泵浦光激发的光谱。计算机600可将用户设置的探测参数发送至控制模块300，以控制控制模块300的工作模式。可选的，计算机600还用于显示光谱波形。

可选的，在上述实施例的基础上，图5为本实用新型实施例提供的一种控制模块的电路结构示意图，控制模块300包括电压比例运算电路330、模数转换器310和控制器320，电压比例运算电路330的输入端与互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200电连接，电压比例运算电路330的输出端与模数转换器310的输入端电连接，模数转换器310的输出端与控制器320电连接，模数转换器310用于将互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200输出的检测信号转换成16位的数字信号，控制器用于根据数字信号，获取探测光的光谱。

其中，电压运算电路330用于将互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200输出的电压信号，进行放大或缩小，以输出至模数转换器310，以匹配模数转换器310的工作电压范围。可选的，电压运算电路包括运算放大器，运算放大器的输入端互补金属氧化物半导体COMS图像传感器200电连接，运算放大器的输出端与模数转换器310的输入端电连接。模数转换器310为16位高速模数转换器。超快激光光谱的信号，如瞬态吸收的信号一般为千分之几，万分之几，甚至更小量级，需要探测器至少具有16位(65536)精度，传统的高速光谱仪产品中，其模数转换精度一般在14位，甚至更低。在本实用新型实施例提供的高速光谱仪采用16位高速模数转换器，解决了超快激光光谱中对探测光进行检测时精度低的问题，从而提高了超快激光光谱探测精度。

其中，控制器320可以包括微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)。可选的，控制器300包括现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)。FPGA作为可编程硬件电路，其运行速度直接取决于晶振速度，可以轻松达到200M或更高主频，以满足高速电路的设计要求。控制模块通过千兆网线与计算机连接，采用用户数据报协议(UserDatagram Protocol，UDP)，以保证控制模块与计算机数据传输的速率。

综上，本实用新型实施例中的高速光谱仪中的控制模块，通过BNC接口、光耦芯片与脉冲激光器和光学斩波器连接，并在控制模块内部编写控制程序，实现了超快激光光谱探测中接收触发信号功能。即每次接收到脉冲激光器的触发信号(与激光脉冲同步发出)时读取光谱；以及接收来自光学斩波器的判断信号，区分有泵浦光和没有泵浦光激发的探测光谱。

本实用新型实施例提供的一种高速光谱仪工作流程：用户向计算机Labview程序中输入操作，使计算机得到工作所需的探测参数；计算机通过以太网向高速光谱仪中的控制模块发送与探测参数对应的光谱采集指令；控制模块使用UDP协议接收来自计算机的光谱采集指令；在控制模块内部进行计算机指令的读取与寄存；控制模块接收到来自脉冲激光器的触发信号，控制模块产生COMS图像传感器的控制信号；此时COMS图像传感器接收到来自控制模块的信号，COMS图像传感器将经单色仪色散后照射到其表面的光转换为电压信号；该电压信号经电压比例运算电路进行电压转换，转换后电压输入到模数转换器；控制模块产生模数转换器的控制信号，控制模数转换单元将电压信号转换为16位的数字信号，根据光学斩波器的斩波同步信号将光谱数据分类；控制模块内部将该数据封装为以太网帧；控制模块根据UDP协议通过以太网将太网帧数据发送给计算机；若计算机指令要求读多个光谱，则重复上述过程；光谱全部读取完成后，控制模块进入待机模式；计算机中Labview程序通过以太网接收光谱数据，读取光谱，作图等后续处理；全部光谱采集完成后，高速光谱仪关机。

本实用新型实施例的技术方案通过设置互补金属氧化物半导体COMS图像传感器，可以提高检测速度，通过设置16位高速模数转换器，在保证检测速度的同时提高检测精度，进而可以在固定的时间内检测更多组光谱，以求取低噪声的平均值，从而可以提高光谱测量的信噪比。故本实用新型实施例的技术方案可以与高重频激光器(最高80KHz)同步工作，提高超快激光光谱的测量速度、精度与信噪比。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种高速光谱仪，其特征在于，包括：

色散模块，用于对探测光进行色散；

互补金属氧化物半导体COMS图像传感器，用于探测经色散处理后照射到所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器的探测光；

控制模块，与所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，用于控制所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器工作，且根据所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号，获取所述探测光的光谱。

2.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，所述色散模块为单色仪，所述单色仪包括沿光路设置的入射狭缝、平面镜、凹面镜、光栅和出射狭缝。

3.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，所述控制模块的触发信号输入端与脉冲激光器连接，所述控制模块用于在每接收到一次所述脉冲激光器输出的触发信号时，控制所述互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器对当前的探测光进行一次采集，其中，所述触发信号与所述脉冲激光器发射的激光脉冲同步且一一对应。

4.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，所述控制模块的斩波同步信号输入端与泵浦探测装置中的光学斩波器连接，所述控制模块根据所述光学斩波器输出的斩波同步信号，确定当前的检测信号的探测光类型。

5.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，还包括计算机，所述控制模块通过网线与所述计算机连接，所述计算机用于根据用户数据报协议，获取所述控制模块发送的光谱数据。

6.根据权利要求5所述的高速光谱仪，其特征在于，所述计算机还用于显示光谱波形。

7.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器包括呈阵列排布的多个光敏单元，任一所述光敏单元包括光敏结构和缓冲放大结构。

8.根据权利要求1所述的高速光谱仪，其特征在于，所述控制模块包括电压比例运算电路、模数转换器和控制器，所述电压比例运算电路的输入端与所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器电连接，所述电压比例运算电路的输出端与所述模数转换器的输入端电连接，所述模数转换器的输出端与所述控制器电连接，所述模数转换器用于将所述互补金属氧化物半导体COMS图像传感器输出的检测信号转换成16位的数字信号，所述控制器用于根据所述数字信号，获取所述探测光的光谱。

9.根据权利要求8所述的高速光谱仪，其特征在于，所述控制器包括现场可编程门阵列。

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