【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及散射信号探测装置及方法，具体涉及一种光学元件近红外波段散射信号探测装置及方法。
技术介绍
1、近红外波段的散射特性研究在元件科学和工程领域中具有重要的意义。随着近红外技术的不断发展，人们对于元件在这一波段中的散射行为的理解也逐渐深入。相比可见光波段，近红外波段有更强的穿透性，能够穿透生物组织和其他材料。因此，近红外波段被广泛应用于生物医学领域、食品安全检测、环境监测等领域。研究近红外波段的散射特性，可以帮助我们更好地理解近红外波段在不同材料中的传播和相互作用规律，为相关领域的应用提供理论和实验基础。
2、散射是光在材料中遇到不均匀性时发生的现象，它会导致光的传输和成像质量下降。通过研究近红外波段的散射特性，可以了解材料的散射机制和散射强度，进而优化光学元件的设计，提高其光学性能。
3、目前，光学元件的近红外波段散射特性研究常用的方法是采用高灵敏度的光电倍增管作为探测器进行探测。光电倍增管具备高增益、高光子探测效率、低噪声、快速响应等特性，在诸多领域中都有应用，特别是在微弱光信号探测方面，它是首选的光信号传感器。而在近红外波段，光电倍增管的性能会急速下降，输出噪声和暗电流较大，探测灵敏度和探测精度大幅下降。
4、为解决光电倍增管的性能在近红外波段急速下降的问题，常用的方法是采用高透明度的材料制备光学透镜和窗口，减小光学损失；采用反射镜和折射镜来改变光路，提高信号的采集效率；采用偏振滤波器和光纤耦合器等光学元件，提高信号的传输和耦合效率；对电路进行改进与优化，采用增益放大器和滤波器等
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有光学元件散射信号探测装置在近红外波段散射信号探测时，系统响应率直线下降，灵敏度急速降低，探测精度大幅下降，探测难度很大的不足之处。
2、为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
3、一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特殊之处在于：包括激光器、组合透镜组、斩波器、分光镜、第一探测组件和第二探测组件；
4、所述激光器用于发射入射光线；所述组合透镜组、斩波器、分光镜沿入射光线的光路依次设置；所述组合透镜组用于对入射光线进行整形处理输出整形后光线；所述斩波器用于对整形后光线进行调制输出调制后光线；所述分光镜用于将调制后光线分为光线i和光线ii；
5、所述第一探测组件包括用于采集光线i的第一探测器；
6、所述光线ii入射至待测光学元件后产生散射光；所述第二探测组件用于采集散射光，第二探测组件包括沿散射光光路依次设置的门控开关、第二探测器，以及锁相放大器、数据处理系统和控制系统；
7、所述门控开关用于仅在激光脉冲期间采集散射光以减小背景噪声，第二探测器用于采集通过门控开关的散射光，并转化为电信号后输入锁相放大器；锁相放大器的输入端还连接斩波器的调制电信号输出端，用于得到斩波器的调制电信号作为参考信号，锁相放大器用于对电信号与参考信号进行相位锁定，将电信号中与参考信号频率相同的成分放大，并抑制其他频率成分，输出处理后电信号至数据处理系统；所述数据处理系统的输入端还连接第一探测器的输出端，数据处理系统用于将第一探测器的输出作为实时参考信号，根据实时参考信号对处理后电信号降噪后得到待测光学元件的散射特征；
8、所述控制系统的输入端连接第二探测器，控制系统的输出端连接门控开关的输入端，控制系统用于根据第二探测器的输入信号值与门控开关的期望输出信号值的差值，得到门控开关控制曲线，然后控制门控开关按照门控开关控制曲线工作。
9、进一步地，所述第二探测组件还包括位于第二探测器与锁相放大器之间的调校系统，调校系统包括依次连接的补偿电路a、补偿电路b、补偿电路c，以及反馈回路；所述补偿电路a、补偿电路b、补偿电路c均为增益补偿电路；所述第二探测器的输出端连接补偿电路a的输入端，所述补偿电路c的输出端连接锁相放大器的输入端，用于输出补偿后信号至锁相放大器；反馈回路与补偿电路c互连，用于通过调整补偿电路c的增益来实现信号调节。
10、进一步地，所述补偿电路a、补偿电路b、补偿电路c分别为可调放大器电路、运算放大器电路和差分放大器电路，反馈回路为比例积分控制器。
11、进一步地，所述第一探测组件还包括分别与第一探测器连接的调整电路a和调整电路b；所述调整电路a用于调整第一探测器的增益系数，使第一探测器的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配；调整电路b用于调整第一探测器的零点，使第一探测器的输出信号在没有输入信号时为零。
12、进一步地，所述第二探测组件还包括分别与第二探测器连接的调整电路c和调整电路d，所述调整电路c用于调整第二探测器的增益系数，使第二探测器的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配；调整电路d用于调整第二探测器的零点，使第二探测器的输出信号在没有输入信号时为零。
13、同时，本专利技术还提供一种光学元件近红外波段散射信号探测方法，其特殊之处在于，采用上述光学元件近红外波段散射信号探测装置，包括如下步骤：
14、步骤1、根据待测光学元件调整激光器的设置，然后根据激光器的设置计算门控开关的期望输出信号值；
15、步骤2、通过激光器输出近红外波段的入射光线，并通过组合透镜组对入射光线进行整形处理输出整形后光线，通过斩波器对整形后光线进行调制输出调制后光线，同时输出调制电信号，然后通过分光镜将调制后光线分为光线i和光线ii；
16、步骤3、通过第一探测器采集光线i，并使光线ii入射至待测光学元件后产生散射光；
17、步骤4、通过门控开关筛选出待测元件的散射光，再通过第二探测器采集通过门控开关的散射光；然后通过控制系统收集第二探测器的输入信号值，作为门控开关的输出信号值；
18、步骤5、通过一个非线性函数对门控开关的输出信号值进行处理，得到处理后输出信号值；
19、步骤6、将步骤5的处理后输出信号值与步骤1所得的门控开关的期望输出信号值进行比较，并计算差值；
20、步骤7、判断步骤6的差值是否小于等于预设差值，若是，则将步骤5所使用的非线性函数作为门控开关控制曲线，然后执行步骤8，否则，调整步骤5所使用的非线性函数的参数，然后返回步骤5；
21、步骤8、通过控制系统控制门控开关按照门控开关控制曲线采集散射光，再通过第二探测器采集通过门控开关的散射光，并转化为电信号后输入锁相放大器；
22、步骤9、由锁相放大器得到斩波器的调制电信号作为参考信号，并通过锁相放大器对电信号与参考信号进行相位锁定，将电信号中与参考信号频率相同的成分放大，并抑制其他频率成分，输出处理后电信号；
23、步骤10、由数据处理系统得到第一探测器的输出作为实时参考信号，再通过数据本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：包括激光器(1)、组合透镜组(2)、斩波器(3)、分光镜(4)、第一探测组件和第二探测组件；
2.根据权利要求1所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第二探测组件还包括位于第二探测器(11)与锁相放大器(18)之间的调校系统，调校系统包括依次连接的补偿电路A(14)、补偿电路B(15)、补偿电路C(16)，以及反馈回路(17)；所述补偿电路A(14)、补偿电路B(15)、补偿电路C(16)均为增益补偿电路；所述第二探测器(11)的输出端连接补偿电路A(14)的输入端，所述补偿电路C(16)的输出端连接锁相放大器(18)的输入端，用于输出补偿后信号至锁相放大器(18)；所述反馈回路(17)与补偿电路C(16)互连，用于通过调整补偿电路C(16)的增益来实现信号调节。
3.根据权利要求2所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述补偿电路A(14)、补偿电路B(15)、补偿电路C(16)分别为可调放大器电路、运算放大器电路和差分放大器电路，所述反馈回路(17)为比
4.根据权利要求1至3任一所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第一探测组件还包括分别与第一探测器(5)连接的调整电路A(6)和调整电路B(7)；所述调整电路A(6)用于调整第一探测器(5)的增益系数，使第一探测器(5)的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配；调整电路B(7)用于调整第一探测器(5)的零点，使第一探测器(5)的输出信号在没有输入信号时为零。
5.根据权利要求4所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第二探测组件还包括分别与第二探测器(11)连接的调整电路C(12)和调整电路D(13)，所述调整电路C(12)用于调整第二探测器(11)的增益系数，使第二探测器(11)的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配；调整电路D(13)用于调整第二探测器(11)的零点，使第二探测器(11)的输出信号在没有输入信号时为零。
6.一种光学元件近红外波段散射信号探测方法，其特征在于，采用权利要求1所述光学元件近红外波段散射信号探测装置，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测方法，其特征在于，步骤8中，所述通过第二探测器(11)采集通过门控开关(9)的散射光，并转化为电信号后输入锁相放大器(18)具体为；
8.根据权利要求6或7所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测方法，其特征在于，步骤3中，所述通过第一探测器(5)采集光线I具体为：通过第一探测器(5)采集光线I，同时通过调整电路A(6)调整第一探测器(5)的增益系数，使第一探测器(5)的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配，通过调整电路B(7)调整第一探测器(5)的零点，使第一探测器(5)的输出信号在没有输入信号时为零。
9.根据权利要求6或7所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测方法，其特征在于，步骤4中和步骤8中，所述通过第二探测器(11)采集通过门控开关(9)的散射光具体为：通过第二探测器(11)采集通过门控开关(9)的散射光，同时通过调整电路C(12)调整第二探测器(11)的增益系数，使第二探测器(11)的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配，通过调整电路D(13)调整第二探测器(11)的零点，使第二探测器(11)的输出信号在没有输入信号时为零。
...【技术特征摘要】
1.一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：包括激光器(1)、组合透镜组(2)、斩波器(3)、分光镜(4)、第一探测组件和第二探测组件；
2.根据权利要求1所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第二探测组件还包括位于第二探测器(11)与锁相放大器(18)之间的调校系统，调校系统包括依次连接的补偿电路a(14)、补偿电路b(15)、补偿电路c(16)，以及反馈回路(17)；所述补偿电路a(14)、补偿电路b(15)、补偿电路c(16)均为增益补偿电路；所述第二探测器(11)的输出端连接补偿电路a(14)的输入端，所述补偿电路c(16)的输出端连接锁相放大器(18)的输入端，用于输出补偿后信号至锁相放大器(18)；所述反馈回路(17)与补偿电路c(16)互连，用于通过调整补偿电路c(16)的增益来实现信号调节。
3.根据权利要求2所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述补偿电路a(14)、补偿电路b(15)、补偿电路c(16)分别为可调放大器电路、运算放大器电路和差分放大器电路，所述反馈回路(17)为比例积分控制器。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第一探测组件还包括分别与第一探测器(5)连接的调整电路a(6)和调整电路b(7)；所述调整电路a(6)用于调整第一探测器(5)的增益系数，使第一探测器(5)的输出信号与输入信号之间的比例关系达到精确匹配；调整电路b(7)用于调整第一探测器(5)的零点，使第一探测器(5)的输出信号在没有输入信号时为零。
5.根据权利要求4所述的一种光学元件近红外波段散射信号探测装置，其特征在于：所述第二探测组...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，李朝辉，毛振，赵建科，魏紫薇，尹云飞，刘勇，朱辉，孙熙函，刘金博，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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