CN107991237A - 光谱测量装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱测量装置及***。光谱测量装置包括光源产生器、输入模块、输出模块及光谱测量器；所述光源产生器用于产生测量光；所述输入模块包括拉锥光纤单元及输入光纤；所述光源产生器耦合于所述拉锥光纤单元，所述拉锥光纤单元输出准直测量光；所述输入光纤与所述拉锥光纤单元连接，用于将所述准直测量光传导至待测量样品；所述输出模块包括输出光纤，用于收集并传导经所述待测量样品反射、透射、衍射或漫射得到的光线；及所述光谱测量器与所述输出光纤连接。本发明提供的光谱测量装置及***能够准确反映待测量样品薄膜表面的反射率、透射率或光能量数据，且光谱测量装置结构简单、成本低。

Description

光谱测量装置及***

技术领域

本发明涉及光谱探测领域，尤其涉及一种光谱测量装置及***。

背景技术

对于具有多层薄膜结构的待测量样品，在光谱测量过程中，是通过将测量光照射在待测量样品的任一层薄膜表面进行检测，由于测量光具有一定的发散性，且受环境因素影响，使测量过程中无法区分该薄膜表面与待测量样品其他表面反射或者透射的光，导致测试数据无法准确反映该薄膜表面的反射率、透射率数据或光能量数据。为解决该技术问题，出现了高分辨率的空间结构设计(如高倍显微镜等)，虽然可以解决上述的问题，但成本较高。

发明内容

基于此，有必要提供一种准确反映待测量样品薄膜表面的反射率、透射率和光能量数据，且结构简单、成本低的光谱测量装置及***。

一种光谱测量装置包括光源产生器，用于产生测量光；输入模块，包括拉锥光纤单元及输入光纤；该光源产生器耦合于该拉锥光纤单元，该拉锥光纤单元输出准直测量光，该输入光纤与该拉锥光纤单元连接，用于将该准直测量光传导至待测量样品；输出模块，包括输出光纤，用于收集并传导经该待测量样品反射、透射、衍射或漫射得到的光线；及光谱测量器，与该输出光纤连接。

上述光谱测量装置，在实际测量中，光源产生器产生的测量光通过输入模块的拉锥光纤单元输出准直测量光。当该准直测量光通过输入光纤照射在多层薄膜结构的待测量样品的任一层薄膜表面上时，因准直测量光发散角度小且可以自由设定光束尺寸，测量过程中可以有效区分作用于不同薄膜表面的光束，从而使输出模块的输出光纤能准确接收到来自该薄膜表面反射、透射、衍射或漫射的光，光谱测量器能准确反映该薄膜表面的反射率、透射率或光能量数据。此外，相比高分辨率的空间结构设计，该光谱测量装置结构简单、成本低。

在一个实施例中，上述拉锥光纤单元包括一个拉锥光纤或多个串联成链路的拉锥光纤。

在一个实施例中，上述光谱测量装置还包括法兰适配器，上述光源产生器通过该法兰适配器耦合于上述拉锥光纤单元；或上述光源产生器通过熔接耦合于上述拉锥光纤单元。

在一个实施例中，上述输入模块还包括至少一个分束器，每一该分束器包括一个光输入端及至少一个光输出端；上述拉锥光纤单元包括至少一个，上述光源产生器耦合于该光输入端，每一上述拉锥光纤单元对应的一个该光输出端与连接。

在一个实施例中，上述分束器包括多级，下一级的该分束器的上述光输入端连接于上一级的对应的该分束器一个上述光输出端。

在一个实施例中，上述光源产生器耦合于位于第1级的上述分束器的光输入端；每一上述拉锥光纤单元与位于第N级的对应的上述分束器的一个上述光输出端连接；其中，N为分束器的级数，且大于等于2。

在一个实施例中，上述输入模块还包括模场匹配器，该模场匹配器连接于上述分束器与上述拉锥光纤单元之间。

在一个实施例中，上述输出模块还包括合束器，该合束器包括至少一个测量信号输入端和一个测量信号输出端；上述输出光纤包括至少一根，每一上述输出光纤与对应的一个该测量信号输入端连接，该测量信号输出端与上述光谱测量器连接。

在一个实施例中，上述光谱测量装置还包括固定装置，该固定装置包括第一固定装置、第二固定装置及与该第一固定装置和该第二固定装置连接的控制装置；该第一固定装置包括第一固定部件、与该第一固定部件连接的第一传动机构，该第二固定装置包括第二固定部件，与该第二固定部件连接的第二传动机构；其中，上述输入模块装设于该第一固定部件，上述输出模块装设于该第二固定部件，该控制装置用于控制该第一传动机构及该第二传动机构带动该第一固定部件及该第二固定部件移动至预设位置。

在一个实施例中，上述光谱测量器为光谱仪、光电二极管或热敏探头。

一种光谱测量***，包括上述的光谱测量装置，该光谱测量***还包括处理器，该处理器与上述光谱测量器连接。

上述光谱测量***，在实际测量中，光源产生器产生的测量光通过输入模块的拉锥光纤单元输出准直测量光。当该准直测量光通过输入光纤照射在多层薄膜结构的待测量样品的任一层薄膜表面上时，因准直测量光发散角度小且可以自由设定光束尺寸，测量过程中可以有效区分作用于不同薄膜表面的光束，从而使输出模块的输出光纤能准确接收到来自该薄膜表面反射、透射、衍射或漫射的光，光谱测量器能准确反映该薄膜表面的反射率、透射率或光能量数据。此外，相比高分辨率的空间结构设计，该光谱测量装置结构简单、成本低。另外，通过将光谱测量器与处理器连接，可以对光谱测量器的检测结果进行分析处理，从而得到更加精准的光谱测量值。

附图说明

图1是本发明一实施方式中的光谱测量装置的示意图；

图2是本发明另一实施方式中的光谱测量装置的示意图；

图3是本发明又一实施方式中的光谱测量装置的示意图；

图4是本发明光谱测量装置的输入光纤及输出光纤的测量光相对待测量样品的光路示意图；

图5是本发明再一实施方式中的光谱测量装置的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施例提供的光谱测量装置100，包括光源产生器10、输入模块、输出模块及光谱测量器60。

光源产生器10用于产生测量光；输入模块包括拉锥光纤单元30及输入光纤40；光源产生器10耦合于拉锥光纤单元30，拉锥光纤单元30输出准直测量光，输入光纤40与拉锥光纤单元30连接，用于将准直测量光传导至待测量样品200；输出模块包括输出光纤50，用于收集并传导经待测量样品200反射、透射、衍射或漫射得到的光线；光谱测量器60与输出光纤50连接。

具体地，准直测量光传导至输入光纤40，再通过输入光纤40的输出端照射至待测量样品200的任一层薄膜表面上，经薄膜表面反射、透射、衍射或漫射后，测量光被与输入光纤40相配的输出光纤50接收并传导致光谱测量器60进行光谱测量。更具体地，通过调整输出光纤50的参数和摆放位置可能够接收到来自待测量样品200表面发出的测量光。

需要说明的是，因从输入光纤40照设至待测量样品200任一层薄膜表面的光后可检测来自该薄膜表面的反射光或者透射光等，故与输入光纤40相配的输出光纤50摆放位置可位于待测量样品200的该薄膜表面侧或与该薄膜表面相对的另一侧，本实施例中均是以测量透射光，即输出光纤50摆放位置位于与该薄膜表面相对的另一侧为例进行说明。

可以理解地，上述准直测量光为近准直测量光，可在一定发散角度范围的波动，在此不做限定。

在实际测量中，光源产生器10产生的测量光通过输入模块的拉锥光纤单元30输出准直测量光。当该准直测量光通过输入光纤40照射在多层薄膜结构的待测量样品200的任一层薄膜表面上时，因准直测量光发散角度小且可以自由设定光束尺寸，测量过程中可以有效区分作用于不同薄膜表面的光束，从而使输出模块的输出光纤50能准确接收到来自该薄膜表面反射或透射的光，光谱测量器60能准确反映该薄膜表面的反射率、透射率数据或光能量数据。

此外，相比高分辨率的空间结构设计，该光谱测量装置100结构简单、成本低。

还应当理解的是，由于对待测量样品200光谱测量要求不同，则可根据待测量样品200需要检测的光谱类别，利用光源发生器10调整光源种类。例如，需要待测量样品200的光谱类别为某特定波长光线的反射率，则需要该特定波长的光源；另外一些待测量样品200，需要检测波长范围宽的光线的反射率，则需要该光源为宽光谱光源。在其他实施例中，可根据需要检测的待测量样品200的光谱类别，确定光源种类。

如图2所示，在一个实施例中，拉锥光纤单元30包括一个拉锥光纤31或多个串联成链路的拉锥光纤31。使用多个串联成链路的拉锥光纤31对输入的测量光进行处理，可使该测量光的数值孔径及发散角降至最低，获得更准直的测量光，使光谱测量结果更加准确可靠。

具体地，拉锥光纤31包括细端和与细端相对的粗端，测量光从细端进入，从粗端输出成为准直测量光，拉锥光纤31用于降低光线的数值孔径及发散角，使得光成近准直输出。

在一个实施方式中，控制装置能单独控制第一传动机构或第二传动机构，从而单独使第一固定部件带动输入模块移动至预设位置或单独使第二固定部件带动输出模块移动至预设位置。在其他实施方式中，控制装置也能同时控制第一传动机构和第二传动机构。

在一个实施例中，光谱测量装置100还包括法兰适配器，光源产生器10通过法兰适配器耦合于拉锥光纤单元30；或光源产生器10通过熔接耦合于拉锥光纤单元30。使用法兰适配器或通过熔接进行光耦合处理，能得到不同光功率或其他参数不同的测量光。

在传统光谱测量装置对待测量样品200进行光谱测量前，有大量的空间光学元件来对光源的光线进行耦合处理，这些光学元件都需要进行相应的机械调试，调试过程复杂繁琐，且对环境要求高，使用法兰适配器或熔接耦合的方式对测量光进行耦合处理，结构和调试都简单、对环境要求低。

此外，当需要对不同待测量样品200进行光谱测量时，可以快速的调整光谱测量装置100中各元件的参数、更换快捷。传统方式中环境要求高、光谱检测仪器调试繁琐及对环，导致对同一待测量样品200的光谱测量重复性及一致性较差，但本发明的光谱测量装置100，调试简单，对同一待测量样品200的检测重复性及一致性好。

具体地，法兰适配器上有螺纹孔，法兰适配器两边的光纤都设有螺纹头，使用法兰适配器的螺纹孔与两边的光纤的螺纹头连接，当从光源产生器10发出的测量光经过法兰适配器后可形成耦合测量光进入拉锥光纤单元30的一端。在其他实施例中，光谱测量装置100还包括衰减器，衰减器与法兰适配器连接，利用衰减器来调节光功率。

如图3所示，在一个实施例中，输入模块还包括至少一个分束器20，每一分束器20包括一个光输入端及至少一个光输出端；拉锥光纤单元30包括至少一个，光源产生器10耦合于光输入端，每一拉锥光纤单元30与对应的一个光输出端连接。使用分束器20对测量光进行分束产生多束测量光，对待测量样品200薄膜表面的多个区域的多个测试点进行光谱测量或对多个待测量样品200进行光谱测量，易实现批量测试的需求。

进一步地，拉锥光纤单元30包括多个，每个拉锥光纤单元30与对应的一个光输出端连接。测量光经分束器20进行分束处理后得到从多个光输出端发出的对应的测量光，让每一个光输出端与对应的一个拉锥光纤单元30相连，能够充分利用分束器20，检测一个待测量样品上的大量的来自不同区域的多个不同检测点或多个待测量样品的检测点，满足批量检测的需求。

可以理解地，根据测试点的数量不一，分束器20的多个光输出端不一定完全利用，可以只使用其中一部分光输出端，使用与该部分的光输出端对应数量的拉锥光纤单元30进行连接即可。

在一个实施例中，光源产生器10也可通过法兰适配器耦合于分束器的光输入端；或光源产生器10通过熔接耦合于分束器的光输入端。

请继续参阅图3，进一步地，分束器20包括多级，下一级的分束器20的光输入端连接于上一级的对应的分束器20一个光输出端。应当理解的是，由于受单个分束器20分束能力的限制，以及当需要检测待测量样品200上大量的来自不同区域的多个检测点或多个待测量样品的多个检测点时，为了提高检测效率，可使用多级的分束器20，从而得到多束测量光，并且分束器20结构简单、使用起来操作简单，易满足批量检测的需求。

具体地，光源产生器10耦合于位于第1级的分束器20的光输入端；每个拉锥光纤单元30与位于第N级的对应的分束器20的一个光输出端连接；其中，N为分束器20的级数，且大于等于2。仅第1级分束器20的光输入端接收来自光源产生器10的测量光，然后利用第1级～第N级光束器20进行测量光的分束处理，得到多束测量光，能够减少光源产生器10的数量，节约成本，并且满足批量检测的需求。可以理解地，N可为2、3、4等数值。

如图4所示，在一个实施例中，当测量光为反射光时，输入光纤40的输出端与输出光纤50的接收端均位于待测量样品200的薄膜表面侧；当测量光为透射光时，输入光纤40输出端与输出光纤50的接收端位于待测量样品200的与薄膜表面相对的一侧；漫射和衍射光也是根据其相对于待测量样品200的发散位置来决定输出光纤50的摆放位置。

在一个实施方式中，对透射、漫射及衍射光进行检测时，输出光纤50可以使用芯径较粗、数值孔径较大的光纤。

在另一个实施方式中，要对反射光束进行高分辨率检测时，输出光纤50可以使用芯径较细、数值孔径较小的光纤，通过光纤芯径和数值孔径来过滤杂散光和其他层的反射光以提高分辨率。

在一个实施例中，输入模块还包括模场匹配器，模场匹配器连接于分束器20与拉锥光纤单元30之间。使用模场匹配器能够获得更高的传输率，提高光谱检测效率。

如图5所示，在一个实施例中，输出模块还包括合束器70，合束器70包括至少一个测量信号输入端和一个测量信号输出端，输出光纤50包括至少一根，每一输出光纤50与对应的一个测量信号输入端连接，测量信号输出端与光谱测量器60连接。利用合束器70对输出光纤50传导的多束测量光进行合束处理，得到合束测量光，合束测量光可以为待测量样品200的某一个区域的多个检测点的测量光，或者多个区域的同一光谱种类的测量光。将测量光进行合束处理，减少了光谱测量器60的数量，节约了光谱测量装置100的占用空间，能够在不影响检测结果的前提下更快速有效的进行检测，满足批量检测的需求。

可以理解地，根据测试点的数量不一，合束器70的多个测量信号输入端不一定完全利用，可以只使用其中一部分测量信号输入端，使用与该部分的测量信号输入端对应数量的输出光纤50进行连接即可。

进一步地，合束器70包括多级，每一输出光纤50与对应的第1级合束器70的对应的一个测量信号输入端连接，第N级合束器70的测量信号输出端与光谱测量器60连接。受合束器70的合束能力限制，采用多级合束器70，能够在有大量检测点被大量输出光纤50接收并传导时，加快光谱检测效率，减少光谱检测器50的数量、降低成本，且合束器70结构及操作简单，易实现批量检测。

请继续参阅图5，在一个实施例中，光谱测量装置100还包括固定装置，固定装置包括第一固定装置81、第二固定装置82及与第一固定装置81和第二固定装置82连接的控制装置；第一固定装置81包括第一固定部件、与第一固定部件连接的第一传动机构，第二固定装置82包括第二固定部件，与第二固定部件连接的第二传动机构；其中，输入模块装设于第一固定部件，输出模块装设于第二固定部件，控制器控制第一传动机构及第二传动机构带动第一固定部件及第二固定部件移动至预设位置。设置固定装置80能够更加快捷、准确地调整输入模块和输出模块的位置而保证检测结果精准，且无需人工手动调试，使光谱测量效率高。

可以理解地，该预设位置为能有效区分作用于不同薄膜表面的光束的最佳位置。

在一个实施例中，光谱测量器60为光谱仪、光电二极管或热敏探头。使用光谱仪可以对多个波长的测量光进行光谱检测，可得到各个波长的光谱测量数据；使用光电二极管可以对多个波长的测量光进行光谱检测，会得到一个总的波长的光谱测量数据，光电二极管也可以只对一个波长的测量光进行光谱检测，可以得到该波长的光谱测量数据；使用热敏探头可以对测量光进行光谱检测得到光谱测量数据。在其他实施例中，光谱测量器60也可以是光谱仪、光电二极管或热敏探头三个中的任意组合，另外，光谱测量器60还可以是其他任何可以对光进行测量的装置，在此不做限定。

基于上述的光谱测量装置100，本发明还提供一种光谱测量***，包括上述的光谱测量装置100、与光谱测量器60连接的处理器。

上述光谱测量***，能将光谱测量装置100检测到的检测结果传送至处理器，处理器对检测结果进行分析处理，从而获得更加精准的光谱测量值。

在一个实施例中，处理器包括基础数据，该基础数据能对来自光谱测量器60的检测结果数据进行分析处理，例如，复杂的分析计算，从而得到想要的光谱测量值，例如，反射率或透射率等。

本发明中的光谱测量装置100及***，相比现有技术具有以下优点：

(1)、通过光源产生器10产生的测量光通过拉锥光纤单元30输出准直测量光，使该准直测量光通过输入光纤40照射在多层薄膜结构的待测量样品200的任一层薄膜表面上时，因准直测量光发散角度小且可以自由设定光束尺寸，测量过程中可以有效区分作用于不同薄膜表面的光束，光谱测量器60能准确反映该薄膜表面的反射率、透射率数据或光能量数据。

(2)、通过使拉锥光纤单元30包括多个串联成链路的拉锥光纤31，可使该测量光的数值孔径及发散角降至最低，获得更准直的测量光，使光谱测量结果更加准确可靠。

(3)、通过分束器20，可以对测量光进行分束产生多束测量光，对待测量样品200薄膜表面的多个区域的多个测试点进行光谱测量或对多个待测量样品200进行光谱测量，易实现批量测试的需求。

(5)、通过使用多级的分束器20，可对待测量样品200上的大量检测点进行检测或对多个待测量样品200的检测点进行检测，提高检测效率，易实现批量检测。

(6)、通过合束器70，对多个输出光纤50的传导的多束测量光进行合束处理，能够在不影响检测结果的前提下更快速有效的进行检测，满足批量检测的需求。

(7)、通过设置固定装置80，能够更加快捷、准确地调整输入模块和输出模块的位置而保证检测结果精准，且无需人工手动调试，使光谱测量效率高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种光谱测量装置，其特征在于，包括：

光源产生器，用于产生测量光；

输入模块，包括拉锥光纤单元及输入光纤；所述光源产生器耦合于所述拉锥光纤单元，所述拉锥光纤单元输出准直测量光，所述输入光纤与所述拉锥光纤单元连接，用于将所述准直测量光传导至待测量样品；

输出模块，包括输出光纤，用于收集并传导经所述待测量样品反射、透射、衍射或漫射得到的光线；及

光谱测量器，与所述输出光纤连接。

2.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述拉锥光纤单元包括一个拉锥光纤或多个串联成链路的拉锥光纤。

3.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱测量装置还包括法兰适配器，所述光源产生器通过所述法兰适配器耦合于所述拉锥光纤单元；或

所述光源产生器通过熔接耦合于所述拉锥光纤单元。

4.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述输入模块还包括至少一个分束器，每一所述分束器包括一个光输入端及至少一个光输出端；

所述拉锥光纤单元包括至少一个，所述光源产生器耦合于所述光输入端，每一所述拉锥光纤单元与对应的一个所述光输出端连接。

5.根据权利要求4所述的光谱测量装置，其特征在于，所述分束器包括多级，下一级的所述分束器的所述光输入端连接于上一级的对应的所述分束器的一个所述光输出端。

6.根据权利要求5所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光源产生器耦合于位于第1级的所述分束器的所述光输入端；

每一所述拉锥光纤单元与位于第N级的对应的所述分束器的一个所述光输出端连接；

其中，N为分束器的级数，且大于等于2。

7.根据权利要求4所述的光谱测量装置，其特征在于，所述输入模块还包括模场匹配器，所述模场匹配器连接于所述分束器与所述拉锥光纤单元之间。

8.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述输出模块还包括合束器，所述合束器包括至少一个测量信号输入端和一个测量信号输出端；

所述输出光纤包括至少一根，每一所述输出光纤与对应的一个所述测量信号输入端连接，所述测量信号输出端与所述光谱测量器连接。

9.根据权利要求1～8任一项所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱测量装置还包括固定装置，所述固定装置包括第一固定装置、第二固定装置及与所述第一固定装置和所述第二固定装置连接的控制装置；所述第一固定装置包括第一固定部件、与所述第一固定部件连接的第一传动机构，所述第二固定装置包括第二固定部件，与所述第二固定部件连接的第二传动机构；

其中，所述输入模块装设于所述第一固定部件，所述输出模块装设于所述第二固定部件，所述控制器用于控制所述第一传动机构及所述第二传动机构带动所述第一固定部件及所述第二固定部件移动至预设位置。

10.根据权利要求1～8任一项所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱测量器为光谱仪、光电二极管或热敏探头。

11.一种光谱测量***，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的光谱测量装置，所述光谱测量***还包括处理器，所述处理器与所述光谱测量器连接。