專利名稱：寬光譜高分辨率微型光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分析儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種寬光譜高分辨率的微型光譜分析儀。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光譜儀產(chǎn)品類型，按分光方式分，主要包括濾光片、光柵掃描、傅立葉變換、 光柵二極管陣列檢測、聲光調(diào)諧幾類。其中濾光片式光譜儀原理簡單，操作方便，但分辨 率極低，只能用于特定的場合；USP5187368披露的光柵掃描型屬光柵掃描光譜儀類型， 其原理簡單，分辨率適中，光譜范圍較寬，但局限是掃描機(jī)械軸長時間使用容易磨損，影 響波長精度和重現(xiàn)性，抗震性較差，不易實(shí)現(xiàn)小型化；USP6072579披露的傅立葉變換型 光譜儀分辨率高，靈敏度高，光譜范圍寬，但主要局限在于干涉儀有移動部件，抗震性差 且對使用環(huán)境要求較高，也難于實(shí)現(xiàn)小型化。隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是人們對在線光譜檢 測的需求，出現(xiàn)了如USP5406084公開的光柵二極管陣列型和USP5317379公開的聲光調(diào) 諧型微小型光譜儀，它們的共同特點(diǎn)是無移動部件，掃描速度快，能實(shí)現(xiàn)微小型化在線檢 測，但對光柵二極管陣列型光譜儀而言，寬光譜和高分辨率是一對不可調(diào)和的矛盾，而聲 光調(diào)諧型光譜儀一般只用于近紅外波段，且價格昂貴。
采用多平場凹面光柵和面陣光電探測器件的光譜儀，其光路固定，無移動部件，可實(shí) 現(xiàn)儀器的微型化，同時實(shí)現(xiàn)寬光譜和高分辨率檢測。在公開的文獻(xiàn)中，尚未見采用多平場 凹面光柵和面陣光電探測器的微型光譜儀的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有微型化光譜儀的局限性而提出的一種擴(kuò)展性好，可應(yīng)用于紫 外、可見、近紅外、中紅外光譜波段的寬光譜高分辨率微型光譜儀。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來加以實(shí)現(xiàn)寬光譜高分辨率微型光譜儀，它由分光成像部 分、光譜信號獲取與處理兩大部分構(gòu)成。其中，分光成像部分由可控閉合狹縫，平面反射 鏡，平場凹面光柵等元器件組成。在這些組件中，可控閉合狹縫是可由軟件和電路控制實(shí) 現(xiàn)開合從而有選擇性的切換進(jìn)入分光系統(tǒng)的光路；平面反射鏡是鍍金屬膜的普通平面反射 鏡，實(shí)現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)折；平場凹面光是針對特定波長采用全息方法制作的平場凹面光柵，用 它來實(shí)現(xiàn)分光成像的功能，平場凹面光柵采用多個特定工作波段的平場凹面光柵，每一個平場凹面光柵對應(yīng)一可控閉合狹縫。光譜信號獲取與處理部分由一個面陣光電探測器、以 及光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路和光譜信號處理及分析軟件等組成。
本發(fā)明的主要技術(shù)特征是采用多個特定工作波段的平場凹面光柵，其中每一個平場 凹面光柵的工作波段較窄，這樣對于有限長度的光譜展寬要求，也即光電探測器陣列的長 度一定時，可提高系統(tǒng)分辨率，而且根據(jù)不同的系統(tǒng)參數(shù)要求，此分辨率最高可達(dá)理論極 限分辨率；同時，為解決寬光譜工作范圍的要求，本發(fā)明采用多個工作波段疊加的方式， 也即采用多個不同工作波段的平場凹面光柵的方式來實(shí)現(xiàn)寬光譜測試。另外，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的微型化、集成化要求，本發(fā)明采用了面陣式光電探測器件，并通過光路設(shè)計，讓所有的 光柵都成像在面陣探測器上，但各自成像的位置不同；最后，通過采用軟件和電路控制可 控閉合狹縫控制進(jìn)入系統(tǒng)光路的光信號和探測器采集相應(yīng)位置信號，實(shí)現(xiàn)分段采集并組合 最終完成成對較寬范圍連續(xù)光譜高分辨率探測的功能。
本發(fā)明的光譜儀采用多平場凹面光柵和面陣光電探測器件，其光路固定，無移動部件， 實(shí)現(xiàn)了儀器的微型化，可用于便攜式儀器在線檢測；同時，實(shí)現(xiàn)了寬光譜和高分辨率檢測， 解決了通常微小型便攜儀器功能有限的問題。


圖1是寬光譜高分辨率微型光譜儀光路示意圖。在圖1中，(1)(2)是可控閉合狹縫，(3)(4) 是平面反射鏡，(5)(6)是平場凹面光柵，(7)是面陣光電探測器。
圖2是寬光譜高分辨率微型光譜儀系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的寬光譜高分辨率微型光譜儀系統(tǒng)，參照圖2,它的基本工作原理為光源8
發(fā)出的光經(jīng)樣品系統(tǒng)9以后就攜帶被測物質(zhì)光譜信息，它經(jīng)耦合進(jìn)入光纖10,進(jìn)入光纖10 的光在光纖內(nèi)又被等分為強(qiáng)度相等的兩路分別依次進(jìn)入光譜儀11的兩個通路。光在光譜儀 內(nèi)被分光成像在光電探測器上，探測器響應(yīng)后的信號經(jīng)讀取電路采集、A/D轉(zhuǎn)換12后，傳 輸至計算機(jī)13對信號進(jìn)行處理和分析。這是微型光譜儀系統(tǒng)工作基本過程，其中，本發(fā)明 的核心一微型光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)及工作過程如下。
參照圖1，首先，在計算機(jī)軟件的要求下，控制電路實(shí)現(xiàn)對輸入光路的選擇，即通過 開關(guān)或閉合可控閉合狹縫1和2實(shí)現(xiàn)只有一路光信號進(jìn)入分光系統(tǒng)，這路光經(jīng)平面反射鏡 3或4照射到平場凹面光柵5或6上，兩只平場凹面光柵雖然功能相同，但參數(shù)不同，每
一只光柵均是具有較高分辨率，工作在特定波長范圍的，并通過合理設(shè)計，都分光成像在 面陣光電探測器7上，但是每一只光柵成像所對應(yīng)的探測器像元是不同的，于是通過系統(tǒng) 裝調(diào)及標(biāo)定，可確定出每一只光柵成像時對應(yīng)的有效像元，在工作時，通過控制電路只對 這些有效像元的信號進(jìn)行采集和處理。當(dāng)?shù)谝宦饭庑盘柌杉瓿梢院?，控制電路自動切換 可控閉合狹縫以關(guān)閉第一條光路并開啟第二條光路，同時切換光電探測器上的有效像元位 置以實(shí)現(xiàn)第二路光信號的采集。當(dāng)兩路光信號均采集完成以后，通過軟件對兩次采集的信 號利用信號處理技術(shù)按波長進(jìn)行組合疊加，從而完成對寬光譜范圍的檢測。
當(dāng)然，在本說明中，只闡述了兩路光信號的情況，在實(shí)際中，完全可以根據(jù)需求擴(kuò)展 到三路甚至更多通道的情況，從而實(shí)現(xiàn)寬光譜高分辨率的檢測。
權(quán)利要求
1、寬光譜高分辨率微型光譜儀，它由分光成像部分、光譜信號獲取與處理兩大部分構(gòu)成；其特征在于所述分光成像部分由可控閉合狹縫、平面反射鏡和平場凹面光柵組成，平面反射鏡位于經(jīng)可控閉合狹縫入射的光路上，平場凹面光柵位于平面反射鏡的反射光路上，平場凹面光柵采用多個特定工作波段的平場凹面光柵，每一個平場凹面光柵對應(yīng)一可控閉合狹縫；光譜信號獲取與處理部分由面陣光電探測器、光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路和光譜信號處理及分析軟件組成，面陣光電探測器獲取平場凹面光柵的信號，并依次將信號傳輸給光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路和光譜信號處理及分析軟件。
2、 如權(quán)利要求1所述的寬光譜高分辨率微型光譜儀，其特征在于所述的特定工作波段 是紫外、可見、近紅外或中紅外波段范圍。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的寬光譜高分辨率微型光譜儀，其特征在于采用多通道光路 對不同波段分光，并且通過光譜信號獲取與處理部分實(shí)現(xiàn)光路的自動切換和光電探測器有 效像元的自動采集切換，即通過可控閉合狹縫切換一路有效光路，并通過平場凹面光柵分 光成像在面陣光電探測器上，實(shí)現(xiàn)一個波段光譜信號的獲??；然后依次切換另外的光路， 實(shí)現(xiàn)另外幾個波段光譜信號的采集；最后利用信號處理技術(shù)對多波段光譜信號分段組合疊 加，實(shí)現(xiàn)寬光譜信號檢測。全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬光譜高分辨率微型光譜儀，它由分光成像部分、光譜信號獲取與處理兩大部分構(gòu)成，主要由可控閉合狹縫、平面反射鏡、平場凹面光柵、面陣光電探測器、光譜信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采集控制電路和光譜信號處理及分析軟件等部分組成。本發(fā)明是集成多個特定工作波段的平場凹面光柵和一塊面陣光電探測器，從而在保證光譜儀微型化的同時實(shí)現(xiàn)寬光譜高分辨率的測試要求。
文檔編號G01N21/25GK101187628SQ200710093178
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者向賢毅, 溫志渝, 龍?jiān)俅?申請人:重慶大學(xué)