CN103134588A - 一种光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱仪，包括光束分离器和多个阵列光谱仪，光束分离器将被测光线分为多个光束，通过测量范围首尾相接且覆盖整个待测波段的各个阵列光谱仪，对各个波段精确测量，仅需一次测量即可精确获得整个待测波段的光谱功率分布，具有测量速度快、测量准确度高、波长细分度高、能量利用率高、操作方便等特点。

Description

一种光谱仪
技术领域
本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种光谱仪。
背景技术
光谱仪用来测量分析光谱辐射功率分布的光谱组成的设备，广泛应用于光源辐射测量、颜色测量、元素鉴定、化学分析等领域。常用的光谱仪包括单色仪和多色仪（多通道光谱仪、阵列式快速光谱仪等），采用多通道探测器的阵列光谱仪具有毫秒级的测量速度，近年来发展迅速，应用也越来越广泛。
杂散光指标是阵列光谱仪的重要指标，针对阵列光谱仪，杂散光是指照射在某个特定波长点所对应的象元上的其他光谱成分，其大小决定着阵列光谱仪的测量准确度。现有的阵列一般通过整段方式测量，即一次测量即可获得整个待测波段的光谱功率分布，这种测量方法虽然测试速度快，成本也较低，但杂散光较大，准确度相对较低。此外，光谱仪的带宽、能量利用率、灵敏度、波长分辨率对于测试结果的影响也较大。
为了减小杂散光，公开号为CN101324468B的专利公开了一种利用带通色轮进行逐段测量的技术方案，通过转动带通色轮将不同导通波段的滤色片切入光路，从而将不同的波段导入到光路中进行测量。这种测量方式可对每段光谱准确测量，测量准确度高，但由于每次测量均需要切换滤色片，耗时较长，测试速度慢；而且所有被测光一次均被引入到光谱仪内部，虽然在光栅分光前采用的导通滤色片，仍会有较多的非期望反射带来杂散光，影响测量准确度。更为重要的是，对于同一个光谱仪，阵列探测器上的测量波段已经确定，即波长的细分程度也已经确定。该技术方案利用同一个光谱仪测量不同波段的光线，每次测量时，阵列探测器仅能被利用其中的较少部分，不能被充分利用，例如，整个待测波段的波长范围为380nm~780nm，阵列探测器上各个像素上的测量波长已经确定，在测量380nm~480nm波段时，仅较少部分的像素点参与光线响应，其它像素点不参与响应，像素点不能被充分利用。
公告号为“CN 201476880U”公开了由多个单色仪组成的一种光谱仪，各个单色仪分别输出不同波段的单色光，且输出的单色光波段首尾交叠。每个单色仪实际工作时，均通过转动光栅输出不同波长的单色光，不仅耗时长；且如上所述，所有被测光线一次性引入到单色仪内部，引入大量杂散光，测量准确度较低。
此外，由于光栅的零级光谱能量最大但不能发生色散，光谱仪实际测量的是光栅发生色散的一级光谱，但由于其能量较低，限于探测器的灵敏度，往往需要较大能量的入射光，才能保证一级光谱被探测器探测到，能量利用率较低；但入射光能量增大，其零级光谱以及其它级次的光谱的能量也更大，光谱仪内部的杂散光也更多，影响测量的准确度。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种高精度阵列光谱仪，该光谱仪仅需一次测量，即可通过逐段测量的方式高精度地实现整个待测波段光谱的测量，大幅降低了杂散光干扰水平，具有速度快、测量准确度高、波长精度高、能量利用率高、操作方便等特点。
本发明所述的一种光谱仪是通过以下技术方案实现的。一种光谱仪，其特征在于，包括光束分离器以及两个或者两个以上阵列光谱仪，所述的光束分离器包括一个光输入端口、两个或者两个以上的光输出端口，光输出端口与阵列光谱仪的数目相等且一一对应，各个阵列光谱仪的测量波段首尾相接且覆盖整个待测波段；各个光输出端口将待测光线导入到对应的阵列光谱仪中，各个阵列光谱仪接收和测量不同波段的光线。
本发明公开了包括多个一一对应的光输出端口和阵列光谱仪，测量光束从光纤输入端口输入，光束分离器将光束分为多束，每束光线分别入射到不同的阵列光谱仪中进行测量。由于各个阵列光谱仪的测量波段首尾相接且覆盖整个待测波段，即待测波段被分为多个波段，对每个波段逐段测量，每个波段测得的结果合并即可得到整个待测波段的光谱功率分布。本技术方案通过测量波段不同的阵列光谱仪对各个波段精确测量，仅需一次测量即可通过逐段测量即可获得整个待测波段的光谱功率分布，测量速度快、准确度高且操作方便；相比于同一测量范围的阵列光谱仪，该阵列光谱仪具有不同的测量范围，其内部的阵列探测器仅测量部分波段的光线，阵列探测器的同一像素上分布的波长范围更小，即波长细分度更高，测量准确度也更高。
本发明还可以通过以下技术方案进一步限定和完善。
作为一种技术方案，所述的阵列光谱仪包括入射狭缝、光栅和阵列探测器，各个阵列光谱仪中的光栅一级闪耀波长均处于该阵列光谱仪的测量波段内。从光输出端口发出的光束入射到入射狭缝中，经光栅色散后，被阵列探测器探测。此外，所述的阵列光谱仪还包括准直镜和会聚镜，准直镜和会聚镜设置在入射狭缝的光路后，用以反射和会聚光束。
光栅衍射的光谱分为零级光谱、一级光谱、二级光谱……,光谱级次越高，色散本领越好，光强度越小；光谱级次越低，色散本领越弱，光强度越大，因而零级光谱能量最大，但没有发生色散。为了得到光强度相对较大的色散光，光谱仪实际探测的是具有相对较高光强度、同时也发生色散的一级光谱，但由于光栅绝大多数光能都集中在光栅的零级光谱上，光谱仪内部的杂散光较多，对测量结果影响较大。
为了减小杂散光，通过在磨光的金属板或金属膜的玻璃基板上，刻划出一系列等距离的锯齿形槽面形成闪耀光栅。该光栅使得单个槽面衍射的零级主极大和各槽面干涉的零级主极大分开，从而使得光能量从干涉零级主极大转移并集中到某一极光谱上去。根据光栅方程，可以得到各级的闪耀波长，如果光栅的单槽衍射零级主极大正好落在某一波长的一级谱线上，则该波长称为一级闪耀波长，一级光谱获得最大的光强度，兼具了色散和光强度的优势。各个阵列光谱仪中的光栅一级闪耀波长均处于该阵列光谱仪的测量波段内，入射到各个阵列探测器上的光线的单槽衍射零级主极大正好落在闪耀波长的一级谱线上，即一级谱线的光强度最强，其它级谱线的光强都很弱，从而保证了各个阵列光谱仪内部的杂散光均较小，信噪比大幅增加，波长能量利用率大幅提升。
作为优选，各个阵列光谱仪中的光栅一级闪耀波长均位于该阵列光谱仪的中心波长附近。不同阵列光谱仪中的光栅一级闪耀波长均位于阵列光谱仪的中心波长附近，以最大程度地增大能量利用率。
作为优选，包括两个或者两个以上的带通滤色片，带通滤色片与阵列光谱仪的数目相等且一一对应，各个带通滤色片的导通波段略大于或者等于其对应的阵列光谱仪的测量波段；各个光输出端口发出的光线被对应的带通滤色片滤光，各个阵列光谱仪接收和测量经带通滤色片滤光后的光线。测量时，多个带通滤色片和阵列光谱仪一一对应，测量光束从光纤输入端口输入，光束分离器将光束分为多束，每束光线经不同的带通滤色片后，分别入射到不同的阵列光谱仪中进行测量。由于各个带通滤色片的对应的阵列光谱仪的测量波段相同，各个带通滤色片仅让阵列光谱仪测量范围内的光线透过、而其测量范围外的光线不能透过，因此，进入到阵列光谱仪内部的光线仅是其测量范围的光线，避免了待测波段中混入其它波段的高级光谱，可大幅降低杂散光水平，提高测量准确度；或者各个带通滤色片仅让阵列光谱仪略大于其测量范围的光线透过、而其它光线均不能透过，相比于其它非测量范围内的光线均进入阵列光谱仪的情况，该技术方案进入到阵列光谱仪内部的非期望光线大幅减小，亦可大幅减小杂散光，提高测量准确度。
本发明中，所述的带通滤色片可以设置在阵列光谱仪之前的光路上；或者所述的带通滤色片设置在阵列光谱仪内部，是阵列光谱仪的一部分。带通滤色片的位置可灵活设置，只要其能将被测光源发出的光束划分为不同的测量波段即可。此外，所述的两个或者两个以上的带通滤色片的导通波段覆盖紫外到红外的波段。阵列光谱仪的测量波段覆盖紫外—可见光—红外波段，因而带通滤色片的导通波段应相应地覆盖阵列光谱仪的待测波段。
作为一种技术方案，包括混光器，所述的混光器设置在光输出端口之前的光路上，所述的混光器为积分球或漫反射板或者漫透射板。混光器将从被测目标发出的光信号充分混合，并输出到光纤输入端口，用以测量被测光源的平均光谱信息。
作为一种技术方案，所述的光束分离器为石英分叉光纤或者可获得多路光束的分光半透半反镜或者分光半透半反镜组。石英光纤可传输紫外、可见、红外等各个波段的光线，适用范围广。
作为优选，包括控制各个阵列光谱仪同步测量或积分的控制中心，所述的控制中心与各个阵列光谱仪均电连接。控制中心控制各个阵列光谱仪进行电子同步测量，一次测量即可实现整个待测波段的测量；同时各个阵列光谱仪测量结束后，还可以将各自测得的结果传输到控制中心上，整合为整个待测波段的相对光谱功率分布。
作为一种技术方案，所述的各个阵列光谱仪的积分时间可独立设置或者根据入射光的强弱自动调节。各个阵列光谱仪的积分时间均可独立设置，以适用于不同的入射光线；同时可根据入射光的强弱，各个阵列光谱仪还可以自动调节各自的积分时间，以得到合理的A/D值。
作为优选，所述的带通滤色片和阵列光谱仪并列设置。此外，带通滤色片和阵列光谱仪不限于这种排列方式，也包括其它设置方式，如带通滤色片和阵列光谱仪两者设置在一个球面上。
作为优选，包括机箱，所述的光束分离器、阵列光谱仪、带通滤色片均设置在机箱内。各个装置均设置在一个机箱内，集成化程度高、设计一体化、操作方便。
此外，在光路中还可以设置会聚装置、成像装置、可调光阑等装置。例如，包括成像装置，所述的成像装置设置在光束分离器之前的光路上，且光束分离器位于成像装置的像面位置上；或者所述的成像装置设置在光束分离器之后、阵列光谱仪之前的光路上。这里的成像装置为透镜或者其他装置，若成像装置设置在光束分离器之前，被测目标的光线经成像装置成像到光束分离器的输入端口上，用以测量被测目标的图像光谱和图像光谱辐亮度；若成像装置设置在光束分离器之后、阵列光谱仪之前，成像装置将经光输出端口输出的光线会聚到不同阵列光谱仪的入光口上进行测量。或者包括可调光阑，所述的可调光阑设置在光束分离器之前的光路上；或者所述的可调光阑设置在光束分离器之后、阵列光谱仪之前的光路上。可调光阑设置在光束分离器之前，用以限制入射到光束分离器输入端口中的被测目标的光线；可调光阑设置在光束分离器之后、阵列光谱仪用以限制入射到阵列光谱仪中的光线。
综上所述，本发明采用光束分离器将被测光线分为多个光束，通过测量范围首尾相接且覆盖整个待测波段的各个阵列光谱仪，对各个波段精确测量，仅需一次测量即可通过逐段测量即可获得整个待测波段的光谱功率分布，具有测量速度快、波长细分度高、测量准确度高且操作方便等特点；此外，在各个阵列光谱仪前分别设置导通波段与其测量波段相同的各个带通滤色片，还可大幅降低杂散光干扰，进一步提高测量准确度。
附图说明
附图1是实施例1的示意图；
附图2是实施例2的示意图；
附图3是实施例3的示意图。
1-光束分离器；1-1-光输入端口；1-2-光输出端口；2-阵列光谱仪；3-带通滤色片；4-控制中心；5-机箱；6-混光器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种光谱仪，包括光束分离器1、5个带通滤色片3、5个阵列光谱仪2、控制中心4和机箱5；光束分离器1、带通滤色片3和阵列光谱仪2均设置在机箱5内。
光束分离器1为“一拖五”分叉光纤，包括一个光输入端口1-1、5个光输出端口1-2；待测光线的波段为380nm-780nm，各个阵列光谱仪2的测量波段分别为380nm-460nm、460nm-540nm、540nm-620nm、620nm-700nm和700nm-780nm，上述各个阵列光谱仪2的导通波段首位交叠且覆盖整个待测波段；各个带通滤色片3的导通波段略大于其对应的阵列光谱仪2的测量波段，其导通波段也依次为360nm-480nm、440nm-560nm、520nm-620nm、620nm-700nm和700nm-780nm。测试时，阵列光谱仪2接收经各个带通滤色片3滤光后的光输出端口1-2发出的光束，5个阵列光谱仪2分别测量380nm-460nm、460nm-540nm、540nm-620nm、620nm-700nm和700nm-780nm波段的光谱功率分布。
本实施例还包括控制和整合各个阵列光谱仪2测量结果的控制中心4，控制中心4与各个阵列光谱仪2均电连接。各个阵列光谱仪2测量结束后，将各自测得的结果传输到控制中心4上，整合为整个待测波段的相对光谱功率分布。
该实施例通过一次测量，即可得到整个待测波段的测量，可大幅降低杂散光，波长细分程度高，具有测量速度快、准确度高且操作方便。
实施例2
如图2所示，与实施例1不同的是，本实施例的光束分离器1为分光半透半反镜组，光束从光输出端口1-1输入，分光半透半反镜组包括三个分光棱镜，每个棱镜上分别有一个光输出端口1-2；每个光输出端口1-2分别设置一个阵列光谱仪2，且每个阵列光谱仪2前均设置一个带通滤色片3。
本实施例中，各个带通滤色片3与各个阵列光谱仪2一一对应，各个带通滤色片3的导通波段等于其对应的阵列光谱仪2的测量波段。待测波段为380nm-780nm，三个阵列光谱仪2的测量波段分别为380nm-500nm、500nm-620nm和620nm-780nm，各个带通滤色片3的导通波段也依次为380nm-500nm、500nm-620nm和620nm-780nm。
此外，本实施例中的阵列光谱仪2包括入射狭缝、闪耀光栅和阵列探测器，光栅的一级闪耀波长处于对应的阵列光谱仪2的测量波段内，被测光源经带通滤色片滤光后，透过的光线的单槽衍射零级主极大正好落在闪耀波长的一级谱线上，即一级谱线的光强度最强，其它级谱线的光强都很弱，从而保证了阵列光谱仪2内部的杂散光较小，信噪比大幅增加，波长能量利用率大幅提升。
实施例3
如图3所示，与实施例1不同的是，包括混光器6，该混光器6为积分球，设置在光输出端口1-2之前的光路上，被测光线经到混光器6中充分混光，然后经各个带通滤色片3滤光后进入对应的阵列光谱仪2中分析测量。

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于，包括光束分离器(1)以及两个或者两个以上阵列光谱仪(2)，所述的光束分离器(1)包括一个光输入端口(1-1)、两个或者两个以上的光输出端口(1-2)，光输出端口(1-2)与阵列光谱仪(2)的数目相等且一一对应，各个阵列光谱仪(2)的测量波段首尾相接且覆盖整个待测波段；各个光输出端口(1-2)将待测光线导入到对应的阵列光谱仪(2)中，各个阵列光谱仪(2)接收和测量不同波段的光线。
2.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的阵列光谱仪(2)包括入射狭缝、光栅和阵列探测器，各个阵列光谱仪(2)中的光栅一级闪耀波长均处于该阵列光谱仪(2)的测量波段内。
3.如权利要求2所述的一种光谱仪，其特征在于，各个阵列光谱仪(2)中的光栅一级闪耀波长均位于该阵列光谱仪(2)的中心波长附近。
4.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，包括两个或者两个以上的带通滤色片(3)，带通滤色片(3)与阵列光谱仪(2)的数目相等且一一对应，各个带通滤色片(3)的导通波段略大于或者等于其对应的阵列光谱仪(2)的测量波段；各个光输出端口(1-2)发出的光线被对应的带通滤色片(3)滤光，各个阵列光谱仪(2)接收和测量经带通滤色片(3)滤光后的光线。
5.如权利要求4所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的带通滤色片(3)设置在阵列光谱仪(2)之前的光路上；或者所述的带通滤色片(3)设置在阵列光谱仪(2)内部，是阵列光谱仪(2)的一部分。
6.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，包括控制各个阵列光谱仪(3)同步测量或积分的控制中心(4)，所述的控制中心(4)与各个阵列光谱仪(2)均电连接。
7.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的各个阵列光谱仪(3)的积分时间可独立设置或者根据入射光的强弱自动调节。
8.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，所述的光束分离器(1)为分叉光纤或者可获得多路光束的分光半透半反镜或者分光半透半反镜组。
9.如权利要求1所述的一种光谱仪，其特征在于，包括混光器(6)，所述的混光器(6)设置在光束分离器(1)的光输出端口(1-2)之前的光路上，所述的混光器(6)为积分球或漫反射板或者漫透射板。
10.如权利要求4所述的一种光谱仪，其特征在于，包括机箱(5)，所述的光束分离器(1)、阵列光谱仪(2)、带通滤色片(3)均设置在机箱(5)内。
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