專利名稱：基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜分析儀器領(lǐng)域，具體涉及一種基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜儀器已成為對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進(jìn)行測量和分析的基本設(shè)備，廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，也是軍事偵查、宇宙探索、資源和水文探測等必不可少的遙感設(shè)備。雜散光是光譜分析儀器重要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，是進(jìn)行光度分析時(shí)主要的誤差來源，它直接決定了儀器的工作可靠性和檢測靈敏度，過大的雜散光不但會(huì)淹沒小吸收峰，造成光譜圖線條的連續(xù)不光滑，還會(huì)降低儀器的測光精度。雜散光對光譜儀分析測試誤差的影響可分為兩種形式第一種形式是雜散光的波長與測試波長相同。它是由于測試波長因?yàn)槟承┰蚨x正常光路，在不通過樣品的情況下，直接照射到光電轉(zhuǎn)換器上的。這種雜散光大多數(shù)是由于光學(xué)元件、機(jī)械零件的反射和漫射所引起，可以通過一個(gè)對測試結(jié)波長不透明的樣品來檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)放在比色皿中的不透明樣品的透射比不為零時(shí)，說明儀器中有這種雜散光存在。第二種形式是指測試波長以外的、偏離正常光率到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器的光線。它通常是由光學(xué)系統(tǒng)的某些缺陷所引起的。如光學(xué)元件的表面被擦傷、儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不好、機(jī)械零件加工不良等引起。通常情況下所講的雜散光，是指包括上述兩種雜散光在內(nèi)的雜散光。由于受到加工水平以及制作工藝的限制，雜散光在任何一實(shí)際的光譜分析系統(tǒng)中都是存在的，不可能完全消除。因此，根據(jù)不同測試分析要求，我們需要采取不同的措施，盡量的去抑制雜散光，降低雜散光對測試分析結(jié)果的影響。Kostkowski, Brown和hng等對光譜儀的雜散光校正方法進(jìn)行了研究，用可調(diào)激光器測量光譜儀的狹縫散射函數(shù)(SSF)，從而用反卷積、迭代或矩陣運(yùn)算的方法對雜散光進(jìn)行算法校正。應(yīng)用此方法對雜散光進(jìn)行校正，需要用可調(diào)激光器測量光譜儀各個(gè)波長點(diǎn)上的SSF，由于可調(diào)激光器本身價(jià)格昂貴，而且波長可調(diào)范圍要覆蓋整個(gè)光譜儀可測波長范圍，因此實(shí)施成本很高，測量的工作量很大。并且SSF測量波長范圍只能達(dá)到光譜儀可測波長范圍，此范圍之外的雜散光是無法校正的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明的目的是提供一種采用面陣探測器進(jìn)行雜散光實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)墓庾V儀，其可以相對傳統(tǒng)的以線陣探測器為接收器的光譜儀更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的進(jìn)行雜散光的補(bǔ)償校正，實(shí)現(xiàn)對測試樣品快速準(zhǔn)確進(jìn)行光譜分析的目的。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，包括面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路、光學(xué)平臺(tái)和光信號采集處理裝置，光學(xué)平臺(tái)通過面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路與光信號采集處理裝置連接，光學(xué)平臺(tái)包括入射狹縫、準(zhǔn)直反射鏡、光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)、色散元件和多通道面陣探測器，被測光通過入射狹縫入射到準(zhǔn)直反射鏡上，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡準(zhǔn)直后入射到色散元件上，色散元件對光束進(jìn)行分光，并通過光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)把色散光譜的像投射到多通道面陣探測器上；其特征在于，所述光學(xué)平臺(tái)還包括陣列式帶阻濾光片窗口，該陣列式帶阻濾光片窗口由沿光譜分布方向分布的多片帶阻濾光片組成，所述多通道面陣探測器被分為測量通道和參考通道，所述陣列式帶阻濾光片窗口設(shè)置在參考通道外，所述光信號采集處理裝置把多通道面陣探測器采集到的光信號進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)參考通道測得的雜散光對測量通道獲得的信號進(jìn)行補(bǔ)償校正，進(jìn)而校正了光譜儀全波段范圍內(nèi)的測量雜散光。上述陣列式帶阻濾光片窗口中有二片到十片之間任意數(shù)量的帶阻濾光片，上述帶阻濾光片沿光譜分布方向陣列化排布，且覆蓋整個(gè)光譜儀的測量波長范圍。上述色散元件是光柵或棱鏡，所述的光柵是平面衍射光柵或帶平面場修正的凹面衍射光柵；根據(jù)光柵上凹槽形成方式的不同，所述的光柵是全息光柵或刻劃光柵。帶平面場修正的凹面衍射光柵可以充當(dāng)光學(xué)聚焦系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分光和光學(xué)聚焦兩種功能。上述多通道面陣探測器為電荷耦合器件CXD或光電二極管面陣探測器或CMOS面陣成像探測器或InGaAs面陣成像探測器。上述基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀的光學(xué)平臺(tái)可以采用凹面光柵，在入射狹縫與色散元件之間的光路上無準(zhǔn)直裝置。上述基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀可以在面陣探測器測量通道窗口處鍍膜，用以增強(qiáng)探測器在紫外或者其它波段的靈敏度。上述多通道面陣探測器的測量通道窗口可以為階躍式中性濾光片，調(diào)整光譜的能量分布，提高光譜儀的測量動(dòng)態(tài)范圍。上述基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀的測量范圍為380nm-780nm的可見波段，或紫外-可見-近紅外波段。本發(fā)明的有益效果是采用面陣探測器為接收裝置，利用其中一通道作為參考通道，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量探測器各個(gè)區(qū)域所接收到的雜散光變化情況，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)光譜分析系統(tǒng)雜散光的實(shí)時(shí)有效校正，得到全譜精確的測量結(jié)果，測量快速而準(zhǔn)確。


圖1為本發(fā)明基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的多通道面陣探測器窗口示意圖。圖中1、入射狹縫，2、準(zhǔn)直反射鏡，3、光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)，4、色散元件，5、陣列式帶阻濾光片窗口，6、多通道面陣探測器，7、面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路，8、光學(xué)平臺(tái)，9、光信號采集處理裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀包括光學(xué)平臺(tái)8 和光信號采集處理裝置9兩部分，入射光束通過入射狹縫1傳到光譜儀內(nèi)部，經(jīng)過準(zhǔn)直反射鏡2后進(jìn)一步入射到色散元件4上，色散元件4對光束進(jìn)行分光，并通過光學(xué)聚焦成像系統(tǒng) 3把色散光譜的像投射到多通道面陣探測器6上，陣列式帶阻濾光片窗口 5位于多通道面陣
4探測器6之前，陣列式帶阻濾光片窗口 5的結(jié)構(gòu)如圖2所示，5-1為參考通道，5-2為測量通道，5-1-1、5-1-2、5-1-3、5-1-4、5-1-5、5-1-6分別為不同波段范圍的帶阻濾光片，其沿光譜分布方向依次排列，透過帶阻濾光片到達(dá)參考通道的光信號即為其對應(yīng)的測量通道所測信號的雜散光，測試信號與參考信號同時(shí)通過面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路7傳輸至外圍的光信號采集處理裝置9，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，剔除光譜儀全波段雜散光對光譜分析信號的影響，實(shí)現(xiàn)參考通道的雜散光實(shí)時(shí)的對測量通道獲得信號的補(bǔ)償校正。本實(shí)施例所述色散元件4為平面刻劃閃耀光柵，所述的多通道面陣探測器6為電荷耦合器件CCD，沿光譜分布方向上不同位置的CCD像素對應(yīng)不同波長單色光的光電轉(zhuǎn)換， 垂直于光譜分布方向上的不同位置的CCD像素對應(yīng)同一波長單色光的光電轉(zhuǎn)換。面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路7與外圍的光信號采集處理裝置9相連，通訊接口為串口通信。陣列式帶阻濾光片窗口 5有六片陣列化排布的帶阻濾光片，各個(gè)帶阻波段依次相鄰，且覆蓋了光譜儀的整個(gè)波段范圍。本發(fā)明基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀的光學(xué)平臺(tái)8采用多通道面陣探測器6，在其中某一通道的窗口上，通過圖形化鍍膜的方法，加工形成沿光譜分布方向分布的若干個(gè)帶阻濾光片，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量探測器各個(gè)區(qū)域所接收到的雜散光變化情況，利用此通道作為參考通道，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)光譜分析儀雜散光的實(shí)時(shí)有效校正。
權(quán)利要求
1.基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，包括面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路(7)、 光學(xué)平臺(tái)(8)和光信號采集處理裝置(9)，光學(xué)平臺(tái)(8)通過面陣探測器的驅(qū)動(dòng)處理電路 (7)與光信號采集處理裝置(9)連接，光學(xué)平臺(tái)(8)包括入射狹縫(1)、準(zhǔn)直反射鏡O)、光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)(3)、色散元件(4)和多通道面陣探測器(6)，被測光通過入射狹縫(1)入射到準(zhǔn)直反射鏡( 上，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡( 準(zhǔn)直后入射到色散元件(4)上，色散元件(4) 對光束進(jìn)行分光，并通過光學(xué)聚焦成像系統(tǒng)C3)把色散光譜的像投射到多通道面陣探測器 (6)上；其特征在于，所述光學(xué)平臺(tái)(8)還包括陣列式帶阻濾光片窗口(5)，該陣列式帶阻濾光片窗口( 由沿光譜分布方向分布的多片帶阻濾光片組成，所述多通道面陣探測器(6) 被分為測量通道和參考通道，所述陣列式帶阻濾光片窗口( 設(shè)置在參考通道外，所述光信號采集處理裝置(9)把多通道面陣探測器(6)采集到的光信號進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)參考通道測得的雜散光對測量通道獲得的信號進(jìn)行補(bǔ)償校正，進(jìn)而校正了光譜儀全波段范圍內(nèi)的測量雜散光。
2.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述帶阻濾光片的數(shù)量為2 10片，這些濾光片覆蓋整個(gè)光譜儀的測量波長范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述色散元件(4)是平面衍射光柵或帶平面場修正的凹面衍射光柵或棱鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述光柵是全息光柵或刻劃光柵。
5.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述多通道面陣探測器(6)為電荷耦合器件CCD或光電二極管面陣探測器或CMOS面陣成像探測器或InGaAs面陣成像探測器。
6.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述多通道面陣探測器(6)的測量通道窗口處鍍膜。
7.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述多通道面陣探測器(6)的測量通道窗口為階躍式中性濾光片。
8.如權(quán)利要求1所述的基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀，其特征在于，所述光譜儀的測量范圍為380nm 780nm的可見波段，或紫外-可見-近紅外波段。
全文摘要
基于面陣探測器的多通道低雜散光光譜儀屬于光譜分析儀器領(lǐng)域，該光譜儀包括光學(xué)平臺(tái)和光信號采集處理裝置兩部分，其特征在于，光學(xué)平臺(tái)采用多通道面陣探測器，在其中某一通道的窗口上，通過圖形化鍍膜的方法，加工形成沿光譜分布方向分布的若干個(gè)帶阻濾光片，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量探測器各個(gè)區(qū)域所接收到的雜散光變化情況，利用此通道作為參考通道，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)光譜分析儀雜散光的實(shí)時(shí)有效校正。本發(fā)明有效的校正了光譜分析系統(tǒng)全波段范圍內(nèi)的測量雜散光，可應(yīng)用于待測樣品光譜特征、吸光度值等各光色參數(shù)的測量方面。
文檔編號G01J3/44GK102175324SQ201110028388
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者吳一輝, 郝鵬, 黎海文 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所