專利名稱：雙光束光譜儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于光譜測量領域，涉及一種可以同時顯示和分析參考光和探測光的雙光束光譜儀。
背景技術：
光譜儀是進行光譜研究和分析的基本光學檢測儀器，通過對透射、反射、吸收光譜的測量來實現對光成分的分析、材料屬性的分析、物質成分的鑒定等。目前，光譜儀廣泛應用于光學檢測、生物化學分析、冶金工業、環境檢測、大氣遙感、天文研究等領域，對于光譜測量的準確性要求也越來越高。光譜儀按照其儀器的光路結構通常可以分為單光束光譜儀和雙光束光譜儀兩類。單光束光譜儀采用單束復色光分別兩次測量參考光和探測光來進行光譜測量和分析。該種光譜儀無法同時顯示和測量參考光和探測光，其光路結構無法抵消光源波動帶來的誤差，同時由于需要取放被測樣品會導致光束采集系統的機械位置變動而進一步引入測量誤差；但是單光束光譜儀結構簡單，體積可以做的很小，便于攜帶，并且由于是采用單束光照明被測樣品，光強相比較雙光束光譜儀的強，信噪較高，儀器靈敏度高，價格較低。雙光束光譜儀運用兩束單色光同時測量和顯示參考光和探測光，可以一定程度上抵消光源波動、雜散光和電路噪聲帶來的影響，在用于定點測量時，具有更好的光度準確度。雙光路光譜儀內部運用機械轉動機構來對單色波長進行掃描致使測量速度大大受限，另外雙光束的機構是將同一束光分成兩束降低了參考光的光強致使信噪比下降，這類儀器結構復雜，價格昂貴。國際上對于光譜儀中單光束和雙光束的優劣看法不一一種認為雙光束光譜儀可以抵消一部分雜散光、電路噪聲、光源波動對光譜儀穩定性的影響，光譜測量的結果準確性更高；另一種則認為由于光譜預處理算法的發展，單光束光譜儀的可靠性可以用軟件來進行補償，其性噪比高、體積小、測量快速、價格低廉的特點使其更有優勢。
發明內容
為克服傳統單光束光譜儀和雙光束光譜儀存在的問題和不足，本發明提供了一種能快速測量、具有雙光路結構的雙光束光譜儀，其內部沒有轉動機械部件，采集面陣探測器同時采集參考光和探測光，實現對光譜的準確、快速測量。一種雙光束光譜儀，包括用于發出參考光和探測光的光源，以及光譜儀主機，其特征在于，還設有第一光纖，用于將來自光源的參考光輸送至光譜儀主機；第二光纖，用于將來自光源的探測光輸送至樣品；第三光纖，用于將來自樣品的已帶有樣品信息的探測光輸送至光譜儀主機；所述光譜儀主機包括沿光路依次布置的狹縫片、準直鏡、平面光柵、成像鏡、柱面鏡和面陣探測器；所述第一光纖和第三光纖的出射光線均進入所述狹縫片。所述第一光纖、第二光纖和第三光纖組成雙芯光纖，該雙芯光纖具有貼近光源的第一雙芯端口，以及靠近狹縫片的第二雙芯端口。采用雙芯光纖可以有效的將光源光分成兩束，形成參考光和探測光，并最后同時由光譜儀探測器接收。這種光纖連接的模式，結構緊湊，成本低，有效避免了開放光路裝調的困難，適應了系統微型化的需求。所述第一光纖和第二光纖的輸入端組成所述的第一雙芯端口，第一光纖和第三光纖的輸出端組成第二雙芯端口，所述第二光纖的輸出端為第一單芯端口，所述第三光纖的輸入端為第二單芯端口 ；所述的第一雙芯端口、第二雙芯端口、第一單芯端口和第二單芯端口均為SMA905接口，其出射或接收的光數值孔徑(NA)為0. 22。SMA905和NA0. 22為光譜儀器中最為常用的光纖接口方式和數值孔徑，使用該種接口和數值孔徑可以保證雙芯光纖與光譜儀主機的連接。第二光纖和第三光纖之間依次設有第一光纖準直鏡、樣品架和第二光纖準直鏡，第一光纖準直鏡用于將第二光纖出射的光束準直后照射到樣品上，第二光纖準直鏡用于將帶有樣品信息的探測光聚焦到第二單芯端口并耦合進入第三單芯光纖。上述的第一光纖準直鏡和第一光纖準直鏡可以是單透鏡、雙膠合消色差透鏡、雙分離消色差透鏡或自聚焦透鏡。所述光源包括發光燈泡，以及用于將光束聚焦到第一雙芯端口端面的光束整形透鏡。發光燈泡根據測量波段可以選取氘燈(紫外可見波段)、鹵鎢燈(可見近紅外波段)或者氙燈(紫外可見近紅外波段)。所述第一雙芯端口和第二雙芯端口的兩個纖芯直徑相同，且兩個纖芯沿端面直徑方向對稱排列。第一雙芯端口中兩個相同直徑纖芯，可以保證從光源接收到同等光強的光用作參考光(第一光纖)和照明光束(第二光纖)。第二雙芯端口中兩個相同直徑的纖芯，其中一個纖芯為第一光纖，另一個纖芯(第三光纖)必須保證與第一光纖纖芯相同，保證在無樣品情況下第一光纖與第二、三光纖兩路光路的能量同等傳輸。雙芯光纖的設計中，纖芯的直徑需要與兩纖芯中心距離相配合。纖芯的直徑決定了探測器像面上成像點的大小，纖芯的中心距離決定了兩束光(第一光纖和第三光纖)在探測器上成像點的距離。如果兩者設置不當，會造成兩束光成像的串擾，無法再探測器上分辨兩束光的光強。本發明選用了 IOOum纖芯的光纖配合中心距離800um，可以很清晰的在探測器上分辨出參考光和探測光。纖芯的中心距離不可以過大，否則也會影響成像質量，考慮到實際加工的工藝，纖芯和纖芯距離必須是偶數，故所述纖芯的直徑為IOOum或200um，所述兩個纖芯中心距離為600um、800um、lOOOum、1200um或1400um。所述狹縫片設置為單縫或雙縫；所述單縫位于狹縫片中芯，其縫寬IOum IOOum ；所述雙縫位于狹縫片的中心，且豎直排列，其縫寬IOum lOOum。狹縫的縫寬與光譜儀的分辨率有關，縫寬越小分辨率越高采集到的光能也就越小，光譜儀的分辨率要求與測量要求有關。本實例選取了 25um寬的狹縫片來構建光譜儀。單縫結構狹縫長度需要不影響雙芯端口兩個纖芯的通光，本發明狹縫長度設置為1_ ;雙縫結構單縫的長度需要確保雙芯端口的單個纖芯的通光，本發明將單縫長度設置為400um。所述面陣探測器CCD、CMOS 或者 PDA 器件。CCD (Charge-CoupledDevice)中文全稱電荷稱合器件。CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor)中文全稱互補金屬氧化物半導體。PDA(Photo-Diode Arrary)中文全稱光電二極管陣列。針對目前主流的商品化成像器件，本實例選取了成像質量更好，噪聲更小的CCD器件作為光譜儀的光電探測器。本發明的優點是(I)雙光束光譜儀同時用面陣探測器接收并顯示參考光和探測光，有效消除了光源波動、雜散光、電噪聲的影響，避免了單光束光譜儀需要兩次測量帶來的測量誤差；(2)本發明的雙光束光譜儀不包含機械掃描轉動結構，測量速度快，體積小，成本低，可以適合于各種條件下的光譜測量。
圖1為本發明雙光束光譜儀的光學結構示意圖。圖2為本發明的雙芯光纖和狹縫片連接示意圖。圖3為本發明的面陣探測器成像結果示意圖。圖4為本發明的雙芯端口和單芯端口示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的雙光束光譜儀作進一步的說明。如圖1所示，一種雙光束光譜儀包括光源1、第一光纖7、第二光纖6、第三光纖14和光譜儀主機17，光譜儀主機17包括沿光路依次布置的狹縫片18、準直鏡19、平面光柵20、成像鏡21、柱面鏡22和面陣探測器23。光源I包括發光燈泡2和光束整形透鏡3 ;光束整形透鏡3用于將發光燈泡2發出的探測光和參考光聚焦到光纖端面上，有效提高了光源效率和光纖耦合效率。第一光纖7、第二光纖6和第三光纖14組成雙芯光纖4和雙芯光纖15，雙芯光纖4具有貼近光源I的第一雙芯端口 5，雙芯光纖15具有靠近狹縫片18的第二雙芯端口 16 ；第一雙芯端口 5包括第一光纖7的輸入端和第二光纖6的輸入端,第二雙芯端口 16包括第一光纖7的輸出端和第三光纖14的輸出端；第二光纖6的輸出端為第一單芯端口 8,第三光纖14的輸入端為第二單芯端口 13。如圖2所示，第一雙芯端口 5和第二雙芯端口 16的兩個纖芯直徑相同，可以為75um> IOOum或200um ;且兩個纖芯沿端面直徑方向對稱排列，纖芯中心距離可以是600um、800um或1400um，本發明優選為IOOum纖芯的光纖配合中心距離為800um。第一單芯端口 8和第二單芯端口 13具有單個光纖纖芯，纖芯位于端面中心，纖芯直徑可以為75um、100um或200um。第一光纖7、第二光纖6和第三光纖14的纖芯通光波段為200 llOOnm，且纖芯為普通多模光纖。第二光纖6和第三光纖14之間依次設有第一光纖準直鏡9、樣品架10和第二光纖準直鏡12，第一光纖準直鏡9用于將第二光纖6出射的光束準直后照射到樣品11上，第二光纖準直鏡12用于將帶有樣品信息的探測光聚焦到第二單芯端口 13并耦合進入第三光纖14。第一光纖準直鏡9和第二光纖準直鏡12可以是單透鏡、雙膠合消色差透鏡、雙分離消色差透鏡或自聚焦透鏡。
光譜儀主機17為爾尼特納光學結構，第二雙芯端口 16緊貼狹縫片18，如圖3所示，狹縫片18的縫可以為單縫30或雙縫29。若采用單縫30的狹縫片18，單縫30應位于狹縫片中心，縫寬IOum lOOum，狹縫長度Imm ;若采用雙縫29的狹縫片，雙縫29的兩個狹縫位于狹縫片的中心，豎直排列，縫寬IOum lOOum，單縫長度400um。狹縫的寬度與光譜儀的分辨率有關，縫寬的選取取決于光譜測量的分辨率要求。準直鏡19為球面發射鏡；成像鏡21可以是球面反射鏡，也可以是校正慧差的拋物面反射鏡，且成像鏡表面鍍鋁，具有較高的能量利用率。平面光柵20可以是平面刻劃光柵或平面全息光柵；本發明優選為平面全息光柵，其具有更好的色散效率和更低的雜散光。由于面陣探測器23接收到的是色散后的狹縫像(長條形)，必須使用柱面鏡22會聚光譜儀非色散方向的光，將長條形的像斑會聚到一點，提高光能利用率并保證參考光和探測光不會在面陣探測器23上相互重疊和串擾。該柱面鏡22可以是普通柱面鏡、楔形柱面鏡或者自由曲面柱面鏡，其材料可以是石英玻璃或K9玻璃。
面陣探測器23可以是(XD、CM0S或者PDA器件，面陣探測器23光譜范圍可以是紫夕卜、可見、近紅外波段范圍。本發明采用SONY公司的ICX285AL(黑白)探測器，具有較好的分辨率和靈敏度。面陣探測器23的光敏元表面24如圖4所示，認為該面陣探測器23接收到的上半部分光譜31均為色散后的探測光,下半部分光譜32均為色散后的參考光。上述的裝置工作過程如下發光燈泡2發出的參考光和探測光在光束整形透鏡3作用下，經第一雙芯端口 4分別進入第一光纖7和第二光纖6，參考光從第二雙芯端口 16出射至狹縫片18，探測光經第一單芯端口 8出射并通過第一光纖準直鏡9作用后照射到樣品11上，第二光纖準直鏡12將來自樣品11的且帶有樣品信息的探測光聚焦到第二單芯端口 12并耦合進入第三光纖14傳輸，然后帶有樣品信息的探測光經第二雙芯端口 16出射至狹縫片18，參考光和探測光沿狹縫長度方向豎直排列，兩束光經過準直鏡19后平行入射到平面光柵20上，平面光柵20將兩束光色散后由成像鏡21成像，柱面鏡22將兩束光在非色散方向聚焦，并在面陣探測器23的光敏元表面24上同時成像為參考光譜27和探測光譜28。本發明的雙光束光譜儀，參考光和探測光的光能損耗不一致，即在光路中不放置樣品11時，面陣探測器23接收到的兩路光能信號27和28不相等，所以，在進行樣品透過
率計算時需要進行補償，補償系數n定義為
權利要求
1.一種雙光束光譜儀，包括用于發出參考光和探測光的光源，以及光譜儀主機，其特征在于，還設有 第一光纖，用于將來自光源的參考光輸送至光譜儀主機； 第二光纖，用于將來自光源的探測光輸送至樣品； 第三光纖，用于將來自樣品的已帶有樣品信息的探測光輸送至光譜儀主機； 所述光譜儀主機包括沿光路依次布置的狹縫片、準直鏡、平面光柵、成像鏡、柱面鏡和面陣探測器；所述第一光纖和第三光纖的出射光線均進入所述狹縫片。
2.如權利要求1所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述第一光纖、第二光纖和第三光纖組成雙芯光纖，該雙芯光纖具有貼近光源的第一雙芯端口，以及靠近狹縫片的第二雙芯端口。
3.如權利要求2所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述第一光纖和第二光纖的輸入端組成所述的第一雙芯端口，第一光纖和第三光纖的輸出端組成第二雙芯端口，所述第二光纖的輸出端為第一單芯端口，所述第二光纖的輸入端為第二單芯端口 ；所述的第一雙芯端口、第二雙芯端口、第一單芯端口和第二單芯端口均為SMA905接口，其出射或接收的光數值孔徑為O. 22。
4.如權利要求3所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述第一雙芯端口和第二雙芯端口的兩個纖芯直徑相同，且兩個纖芯沿端面直徑方向對稱排列。
5.如權利要求4所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述纖芯的直徑為IOOum或200um。
6.如權利要求5所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述兩個纖芯中心距離為600um、800um、lOOOum、1200um 或 1400um。
7.如權利要求6所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述光源包括發光燈泡，以及用于將光束聚焦到第一雙芯端口端面的光束整形透鏡。
8.如權利要求7所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述狹縫片設置為單縫或雙縫。
9.如權利要求8所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述單縫位于狹縫片中芯，其縫寬IOum IOOum,狹縫長度Imm ;所述雙縫位于狹縫片的中心,且豎直排列，其縫寬IOum IOOum,單縫長度400um。
10.如權利要求9所述的雙光束光譜儀，其特征在于，所述面陣探測器CCD、CMOS或者PDA器件。
全文摘要
本發明公開了一種雙光束光譜儀，包括用于發出參考光和探測光的光源，以及光譜儀主機，還設有第一光纖，用于將來自光源的參考光輸送至光譜儀主機；第二光纖，用于將來自光源的探測光輸送至樣品；第三光纖，用于將來自樣品的已帶有樣品信息的探測光輸送至光譜儀主機；所述光譜儀主機包括沿光路依次布置的狹縫片、準直鏡、平面光柵、成像鏡、柱面鏡和面陣探測器；所述第一光纖和第三光纖的出射光線均進入所述狹縫片。本發明將參考光和探測光同時顯示并接收，有效消除了光源波動、雜散光、電噪聲的影響。
文檔編號G01N21/25GK103048046SQ201210563398
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者劉康, 莊振鋒, 余飛鴻 申請人:浙江大學