宽光谱高分辨率微型光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种宽光谱高分辨率微型光谱仪，它由分光成像部分、光谱信号获取与处理两大部分构成，主要由可控闭合狭缝、平面反射镜、平场凹面光栅、面阵光电探测器、光谱信号读取电路、Ａ／Ｄ转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件等部分组成。本发明专利技术是集成多个特定工作波段的平场凹面光栅和一块面阵光电探测器，从而在保证光谱仪微型化的同时实现宽光谱高分辨率的测试要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于分析仪器
，特别涉及一种宽光谱高分辨率的微型光谱分析仪。
技术介绍
现有的光谱仪产品类型，按分光方式分，主要包括滤光片、光栅扫描、傅立叶变换、 光栅二极管阵列检测、声光调谐几类。其中滤光片式光谱仪原理简单，操作方便，但分辨 率极低，只能用于特定的场合；USP5187368披露的光栅扫描型属光栅扫描光谱仪类型， 其原理简单，分辨率适中，光谱范围较宽，但局限是扫描机械轴长时间使用容易磨损，影 响波长精度和重现性，抗震性较差，不易实现小型化；USP6072579披露的傅立叶变换型 光谱仪分辨率高，灵敏度高，光谱范围宽，但主要局限在于干涉仪有移动部件，抗震性差 且对使用环境要求较高，也难于实现小型化。随着技术的进步，特别是人们对在线光谱检 测的需求，出现了如USP5406084公开的光栅二极管阵列型和USP5317379公开的声光调 谐型微小型光谱仪，它们的共同特点是无移动部件，扫描速度快，能实现微小型化在线检 测，但对光栅二极管阵列型光谱仪而言，宽光谱和高分辨率是一对不可调和的矛盾，而声 光调谐型光谱仪一般只用于近红外波段，且价格昂贵。采用多平场凹面光栅和面阵光电探测器件的光谱仪，其光路固定，无移动部件，可实 现仪器的微型化，同时实现宽光谱和高分辨率检测。在公开的文献中，尚未见采用多平场 凹面光栅和面阵光电探测器的微型光谱仪的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有微型化光谱仪的局限性而提出的一种扩展性好，可应用于紫 外、可见、近红外、中红外光谱波段的宽光谱高分辨率微型光谱仪。本专利技术通过以下技术方案来加以实现宽光谱高分辨率微型光谱仪，它由分光成像部 分、光谱信号获取与处理两大部分构成。其中，分光成像部分由可控闭合狭缝，平面反射 镜，平场凹面光栅等元器件组成。在这些组件中，可控闭合狭缝是可由软件和电路控制实 现开合从而有选择性的切换进入分光系统的光路；平面反射镜是镀金属膜的普通平面反射 镜，实现光路的转折；平场凹面光是针对特定波长采用全息方法制作的平场凹面光栅，用 它来实现分光成像的功能，平场凹面光栅采用多个特定工作波段的平场凹面光栅，每一个平场凹面光栅对应一可控闭合狭缝。光谱信号获取与处理部分由一个面阵光电探测器、以 及光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件等组成。本专利技术的主要技术特征是采用多个特定工作波段的平场凹面光栅，其中每一个平场 凹面光栅的工作波段较窄，这样对于有限长度的光谱展宽要求，也即光电探测器阵列的长 度一定时，可提高系统分辨率，而且根据不同的系统参数要求，此分辨率最高可达理论极 限分辨率；同时，为解决宽光谱工作范围的要求，本专利技术采用多个工作波段叠加的方式， 也即采用多个不同工作波段的平场凹面光栅的方式来实现宽光谱测试。另外，为实现系统 的微型化、集成化要求，本专利技术采用了面阵式光电探测器件，并通过光路设计，让所有的 光栅都成像在面阵探测器上，但各自成像的位置不同；最后，通过采用软件和电路控制可 控闭合狭缝控制进入系统光路的光信号和探测器采集相应位置信号，实现分段采集并组合 最终完成成对较宽范围连续光谱高分辨率探测的功能。本专利技术的光谱仪采用多平场凹面光栅和面阵光电探测器件，其光路固定，无移动部件， 实现了仪器的微型化，可用于便携式仪器在线检测；同时，实现了宽光谱和高分辨率检测， 解决了通常微小型便携仪器功能有限的问题。 附图说明图1是宽光谱高分辨率微型光谱仪光路示意图。在图1中，(1)(2)是可控闭合狭缝，(3)(4) 是平面反射镜，(5)(6)是平场凹面光栅，(7)是面阵光电探测器。图2是宽光谱高分辨率微型光谱仪系统框图。 具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的宽光谱高分辨率微型光谱仪系统，参照图2,它的基本工作原理为光源8发出的光经样品系统9以后就携带被测物质光谱信息，它经耦合进入光纤10,进入光纤10 的光在光纤内又被等分为强度相等的两路分别依次进入光谱仪11的两个通路。光在光谱仪 内被分光成像在光电探测器上，探测器响应后的信号经读取电路采集、A/D转换12后，传 输至计算机13对信号进行处理和分析。这是微型光谱仪系统工作基本过程，其中，本专利技术 的核心一微型光谱仪的光学系统及工作过程如下。参照图1，首先，在计算机软件的要求下，控制电路实现对输入光路的选择，即通过 开关或闭合可控闭合狭缝1和2实现只有一路光信号进入分光系统，这路光经平面反射镜 3或4照射到平场凹面光栅5或6上，两只平场凹面光栅虽然功能相同，但参数不同，每一只光栅均是具有较高分辨率，工作在特定波长范围的，并通过合理设计，都分光成像在 面阵光电探测器7上，但是每一只光栅成像所对应的探测器像元是不同的，于是通过系统 装调及标定，可确定出每一只光栅成像时对应的有效像元，在工作时，通过控制电路只对 这些有效像元的信号进行采集和处理。当第一路光信号采集完成以后，控制电路自动切换 可控闭合狭缝以关闭第一条光路并开启第二条光路，同时切换光电探测器上的有效像元位 置以实现第二路光信号的采集。当两路光信号均采集完成以后，通过软件对两次采集的信 号利用信号处理技术按波长进行组合叠加，从而完成对宽光谱范围的检测。当然，在本说明中，只阐述了两路光信号的情况，在实际中，完全可以根据需求扩展 到三路甚至更多通道的情况，从而实现宽光谱高分辨率的检测。权利要求1、宽光谱高分辨率微型光谱仪，它由分光成像部分、光谱信号获取与处理两大部分构成；其特征在于所述分光成像部分由可控闭合狭缝、平面反射镜和平场凹面光栅组成，平面反射镜位于经可控闭合狭缝入射的光路上，平场凹面光栅位于平面反射镜的反射光路上，平场凹面光栅采用多个特定工作波段的平场凹面光栅，每一个平场凹面光栅对应一可控闭合狭缝；光谱信号获取与处理部分由面阵光电探测器、光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件组成，面阵光电探测器获取平场凹面光栅的信号，并依次将信号传输给光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件。2、 如权利要求1所述的宽光谱高分辨率微型光谱仪，其特征在于所述的特定工作波段 是紫外、可见、近红外或中红外波段范围。3、 如权利要求1或2所述的宽光谱高分辨率微型光谱仪，其特征在于采用多通道光路 对不同波段分光，并且通过光谱信号获取与处理部分实现光路的自动切换和光电探测器有 效像元的自动采集切换，即通过可控闭合狭缝切换一路有效光路，并通过平场凹面光栅分 光成像在面阵光电探测器上，实现一个波段光谱信号的获取；然后依次切换另外的光路， 实现另外几个波段光谱信号的采集；最后利用信号处理技术对多波段光谱信号分段组合叠 加，实现宽光谱信号检测。全文摘要本专利技术涉及一种宽光谱高分辨率微型光谱仪，它由分光成像部分、光谱信号获取与处理两大部分构成，主要由可控闭合狭缝、平面反射镜、平场凹面光栅、面阵光电探测器、光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件等部分组成。本专利技术是集成多个特定工作波段的平场凹面光栅和一块面阵光电探测器，从而在保证光谱仪微型化的同时实现宽光谱高分辨率的测试要求。文档编号G01N21/25GK101187628SQ20071009本文档来自技高网...

【技术保护点】
宽光谱高分辨率微型光谱仪，它由分光成像部分、光谱信号获取与处理两大部分构成；其特征在于：所述分光成像部分由可控闭合狭缝、平面反射镜和平场凹面光栅组成，平面反射镜位于经可控闭合狭缝入射的光路上，平场凹面光栅位于平面反射镜的反射光路上，平场凹面光栅采用多个特定工作波段的平场凹面光栅，每一个平场凹面光栅对应一可控闭合狭缝；光谱信号获取与处理部分由面阵光电探测器、光谱信号读取电路、Ａ／Ｄ转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件组成，面阵光电探测器获取平场凹面光栅的信号，并依次将信号传输给光谱信号读取电路、Ａ／Ｄ转换电路、采集控制电路和光谱信号处理及分析软件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：向贤毅，温志渝，龙再川，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]