CN216955721U - 一种大动态范围光谱透射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大动态范围光谱透射率测量装置。为解决了传统光谱仪存在的动态范围低、抗背景光干扰能力弱、适用范围窄的问题。本实用新型采用的技术方法由复合光源、光束整形组件、标定轮盘、色散元件、光谱探测组件和主控单元组成，所述的光谱探测组件由光电探测阵列、放大倍数可调的放大电路、同步数据采集单元和运动组件组成。

Description

一种大动态范围光谱透射率测量装置

技术领域

本实用新型涉及光谱测量技术领域，具体涉及一种大动态范围光谱透射率测量装置。

背景技术

光谱透射率是衡量光源和物质光谱特性的重要参数，是光谱学和光谱技术中最基本的内容之一。其被广泛地用于光源显色指数检测、屏幕检测、光学元件检测、航天航空遥感、化学成分分析、环境检测、食品安全检测、材料分析、临床检验等领域。

光谱仪是一种将复色光分解成光谱线并进行测量的仪器。传统的光谱仪通过设置狭缝将入射光转化为光谱仪成像系统的物像，经过准直元件、色散元件、聚焦元件最终在探测器上获取到各波长的光强度从而得到光谱信息。传统的点源探测光谱仪不能在同一时刻完成整个光谱的测量，测量效率低；而采用CCD成像元件采集光谱信息的仪器，背景光会对光谱采集产生较大的影响，装置存在去噪效果不佳、探测灵敏度低的问题。

传统光谱仪在需要效率高、动态范围大、抗背景噪声能力强的领域，如大体积光学元件检测、快速分析未知材料的光谱信息和发光光源的光谱均匀性检测等领域进行应用仍存在一定的局限。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型为解决传统光谱仪存在的动态范围低、抗背景光干扰能力弱、适用范围窄的问题，提供一种大动态范围光谱透射率测量装置。

为解决现有技术存在的问题，本实用新型的技术方案是：一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的光源、光束整形器件、斩波器、标定轮盘、色散元件和光电探测组件，所述的光电探测组件与主控单元连接，主控单元还与标定轮盘连接。

进一步，光电探测组件由光电探测阵列、放大电路、同步数据采集单元和运动组件组成，光电探测阵列、放大电路、同步数据采集单元依次连接，运动组件设置于光电探测阵列下使之运动；运动组件和同步数据采集单元分别与主控单元连接，斩波器与同步数据采集单元连接。

进一步，色散元件为色散棱镜或光栅。

进一步，光电探测阵列的阵列面为弧形。

进一步，光源为白光光源或复合光源。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

1、本实用新型同步采集多路光电探测器的信号及参考信号，并对其进行相关检测去噪运算，消除背景光及电路的噪声，不仅提高了测量信号的信噪比，也提高了测量效率和系统的测量精度；

2、本实用新型使用比值测量法，并对测量范围进行分段标定，不仅增加大动态范围内的信噪比、同时也消除背景光及电路的噪声，提高了标定信号的信噪比，测量效率和系统的测量精度；

3、本实用新型通过运动组件使光电探测阵列运动，通过控制光电探测组件位移，补偿光敏面间隔导致的光谱分辨率下降的问题，提高了装置的光谱分辨率；

4、本实用新型装置通过主控单元进行控制，标定过程和测量过程均是自动进行，避免了由于调整光源、各光学元件的位置所导致的测量误差，提高了系统的测量精度。

附图说明：

图1为大动态范围光谱透射率测量装置标定原理图；

图2为大动态范围光谱透射率测量装置测量原理图；

图3为标定轮盘的示意图；

附图标记为：1-光源；2-光束整形器件；3-斩波器；4-标定片轮盘；5-色散元件；6-光电探测阵列；7-放大电路；8-同步数据采集单元；9-主控单元；10-运动组件；11-待测样品。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的实施例，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型工作原理：基于光电探测阵列对光谱信息进行采集，配合前置放大电路、运动组件和相关检测去噪处理，使其具有较强的抗背景光干扰能力，且可以实现信号的同步采集、利用软件实现多路信号的相关检测处理，从而实现精准、高效地获取高信噪比、高分辨率、微弱的光谱信息。

本实施例提供一种大动态范围光谱透射率测量装置，如图1所示，包括沿光轴方向依次设置的光源1、光束整形器件2、斩波器3、标定轮盘4、色散元件5、光电探测阵列6、放大倍数可调的放大电路7、同步数据采集单元8，运动组件10设置于光电探测阵列6下使之运动；运动组件10和同步数据采集单元8分别与主控单元9连接，斩波器3与同步数据采集单元8连接。主控单元9还与标定轮盘4连接。

标定轮盘4上安装不同衰减倍数的衰减片，既可作为标定片也可作为衰减片使用

所说的色散元件可以根据实际的测量需求，选择色散棱镜或光栅；

所说的运动组件为可以推动光电探测阵列6进行精细位移移动的器件，例如压电陶瓷位移控制器；

所说的光源1为白光光源或复合光源。

所说的探测器阵列的每个光电二极管沿弧面安装。

本实用新型在使用时，待测样品11在测量阶段置于标定轮盘4和色散元件5之间，如图2所示。

本实用新型光电探测阵列6安装在运动组件10上，可以对光电探测阵列进行精细位移，从而补偿由于光敏面间隔导致的装置光谱分辨率下降的问题；探测器阵列沿弧面安装(即光谱边界反向延长线交点为对应弧面的圆心)，确保探测器光敏面与接收的光束中心垂直，使光电输出信号最大化，提高光能利用率；由斩波器获得光功率通断的参考频率信号，通过同步采集多路光电探测器的信号和参考信号并对其进行相关检测去噪处理，不仅提高了采集信号的信噪比，也提高了测量效率。

本实用新型一种大动态范围光谱透射率测量装置的标定与测量方法，步骤如下：

a)光源1输出稳功率光信号，经整形器件2扩束、准直，被斩波器3调制，照射到标定轮盘4的标定片中心(标定片由不同透过率的中性衰减片组成，可以由主控单元控制其旋转到光路上对光强进行衰减)；

b)出射光信号经过色散元件5后，被光电探测阵列6转换为电信号，放大电路7对其进行放大后送同步数据采集单元8、同时斩波器3的光强调制频率参考信号也送同步数据采集单元8，同步采集后传输至主控单元9，选择合适的放大倍率，对多路信号进行相关检测去噪处理，保存对应的电压，不仅提高了装置的信噪比，也提高了测量效率；

c)运动组件10对光电探测组件进行位移，位移量为光敏面间隔，主控单元9驱动标定轮盘4旋转，重复步骤b)完成系统的分段标定；

d)放入待测样品，轮盘转至无衰减片孔位，光100％穿过后照射在待测样品11上，产生的光谱信号被光电探测阵列6转换为电信号，放大电路7对其进行放大后送同步数据采集单元8、同时斩波器3的光强调制频率参考信号也送同步数据采集单元8，同步采集后传输至主控单元9，对多路信号进行相关检测去噪处理，放大电路运算后的信号与之前存储的标定数据进行比值运算，得到待测样品的光谱透射率信息。若测量数据饱和，则可以通过调整前置放大电路放大倍率并配合旋转轮盘对入射光进行衰减后再测量处理；

比值测量法具体表现为下式。

式中为Φ_i(λ)测量阶段探测器光敏面接受的光通量，Φ₀(λ)为标定阶段探测器光敏面接受的光通量，S(λ)为探测器的灵敏度，U_i(λ)为测量电压，U₀(λ)为标定电压，T_i(λ)为待测样品的透射率，T₀(λ)为标定片的透过率。

通过对光谱强度信息进行分段标定，基于比值测量法进行测量可以消除装置的系统误差，提高了系统的测量精度；同步采集多路光电探测器的信号和参考信号，并对其进行相关检测去噪处理，提高了信号的信噪比和测量效率；并通过运动组件对光电探测阵列6进行精细移动，补偿由于光敏面间隔导致的光谱分辨率下降的问题，提高了装置的光谱分辨率，提高了装置的光谱分辨率，步骤d)中，装置在进行高透过率测量时对光进行衰减，实现大动态范围的测量；

e)运动组件10对光电探测组件进行位移后，重复d)；

在实际使用的过程中，若待测样品本身会对光线产生偏折作用，则需要微调各部件的相对位置，并根据实际需求选择标定轮盘的孔位个数及标定片的衰减倍率。

以上流程不仅可以进行对待测样品的光谱信息检测，亦可以将复合光源更改为激光光源等特种光源，实现对待测样品某些特定光谱的检测。此外，装置可以在标定完成后，将光源更换为待检测光源，通过与标定数据进行比值运算，实现对待测光源发光特性的检测。如果使用发光二极管或激光二极管作光源，可以使用电调制实现光强的调制。

本实用新型通过使用复合光源并匹配色散光路，使用光电探测阵列、前置放大电路和同步数据采集单元，实现多路光电信号的同步采集，利用主控单元对采集的信号进行相关检测去噪处理，提升了采集信号的信噪比且提高了采集的效率。

本实用新型的检测方法可行、简单、操作简便，且抗背景光干扰能力强，装置在测量和标定的过程中无需在暗场环境下进行，扩展了装置的应用场景。

以上所述仅是本实用新型的优选实施例，并非用于限定本实用新型的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本实用新型原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的光源(1)、光束整形器件(2)、斩波器(3)、标定轮盘(4)、色散元件(5)和光电探测组件，所述的光电探测组件与主控单元(9)连接，主控单元(9)还与标定轮盘(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：所述的光电探测组件由光电探测阵列(6)、放大电路(7)、同步数据采集单元(8)和运动组件(10)组成，光电探测阵列(6)、放大电路(7)、同步数据采集单元(8)依次连接，运动组件(10)设置于光电探测阵列(6)下使之运动；运动组件(10)和同步数据采集单元(8)分别与主控单元(9)连接，斩波器(3)与同步数据采集单元(8)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：所述的色散元件(5)为色散棱镜或光栅。

4.根据权利要求2所述的一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：所述的光电探测阵列的阵列面为弧形。

5.根据权利要求4所述的一种大动态范围光谱透射率测量装置，其特征在于：所述的光源(1)为白光光源或复合光源。

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