[发明专利]双光束光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量领域，涉及一种可以同时显示和分析参考光和探测光的双光束光谱仪。

背景技术

光谱仪是进行光谱研究和分析的基本光学检测仪器，通过对透射、反射、吸收光谱的测量来实现对光成分的分析、材料属性的分析、物质成分的鉴定等。目前，光谱仪广泛应用于光学检测、生物化学分析、冶金工业、环境检测、大气遥感、天文研究等领域，对于光谱测量的准确性要求也越来越高。

光谱仪按照其仪器的光路结构通常可以分为单光束光谱仪和双光束光谱仪两类。单光束光谱仪采用单束复色光分别两次测量参考光和探测光来进行光谱测量和分析。该种光谱仪无法同时显示和测量参考光和探测光，其光路结构无法抵消光源波动带来的误差，同时由于需要取放被测样品会导致光束采集系统的机械位置变动而进一步引入测量误差；但是单光束光谱仪结构简单，体积可以做的很小，便于携带，并且由于是采用单束光照明被测样品，光强相比较双光束光谱仪的强，信噪较高，仪器灵敏度高，价格较低。双光束光谱仪运用两束单色光同时测量和显示参考光和探测光，可以一定程度上抵消光源波动、杂散光和电路噪声带来的影响，在用于定点测量时，具有更好的光度准确度。双光路光谱仪内部运用机械转动机构来对单色波长进行扫描致使测量速度大大受限，另外双光束的机构是将同一束光分成两束降低了参考光的光强致使信噪比下降，这类仪器结构复杂，价格昂贵。

国际上对于光谱仪中单光束和双光束的优劣看法不一：一种认为双光束光谱仪可以抵消一部分杂散光、电路噪声、光源波动对光谱仪稳定性的影响，光谱测量的结果准确性更高；另一种则认为由于光谱预处理算法的发展，单光束光谱仪的可靠性可以用软件来进行补偿，其性噪比高、体积小、测量快速、价格低廉的特点使其更有优势。

发明内容

为克服传统单光束光谱仪和双光束光谱仪存在的问题和不足，本发明提供了一种能快速测量、具有双光路结构的双光束光谱仪，其内部没有转动机械部件，采集面阵探测器同时采集参考光和探测光，实现对光谱的准确、快速测量。

一种双光束光谱仪，包括用于发出参考光和探测光的光源，以及光谱仪主机，其特征在于，还设有：

第一光纤，用于将来自光源的参考光输送至光谱仪主机；

第二光纤，用于将来自光源的探测光输送至样品；

第三光纤，用于将来自样品的已带有样品信息的探测光输送至光谱仪主机；

所述光谱仪主机包括沿光路依次布置的狭缝片、准直镜、平面光栅、成像镜、柱面镜和面阵探测器；所述第一光纤和第三光纤的出射光线均进入所述狭缝片。

所述第一光纤、第二光纤和第三光纤组成双芯光纤，该双芯光纤具有贴近光源的第一双芯端口，以及靠近狭缝片的第二双芯端口。

采用双芯光纤可以有效的将光源光分成两束，形成参考光和探测光，并最后同时由光谱仪探测器接收。这种光纤连接的模式，结构紧凑，成本低，有效避免了开放光路装调的困难，适应了系统微型化的需求。

所述第一光纤和第二光纤的输入端组成所述的第一双芯端口，第一光纤和第三光纤的输出端组成第二双芯端口，所述第二光纤的输出端为第一单芯端口，所述第三光纤的输入端为第二单芯端口；所述的第一双芯端口、第二双芯端口、第一单芯端口和第二单芯端口均为SMA905接口，其出射或接收的光数值孔径(NA)为0.22。SMA905和NA0.22为光谱仪器中最为常用的光纤接口方式和数值孔径，使用该种接口和数值孔径可以保证双芯光纤与光谱仪主机的连接。

第二光纤和第三光纤之间依次设有第一光纤准直镜、样品架和第二光纤准直镜，第一光纤准直镜用于将第二光纤出射的光束准直后照射到样品上，第二光纤准直镜用于将带有样品信息的探测光聚焦到第二单芯端口并耦合进入第三单芯光纤。上述的第一光纤准直镜和第一光纤准直镜可以是单透镜、双胶合消色差透镜、双分离消色差透镜或自聚焦透镜。

所述光源包括发光灯泡，以及用于将光束聚焦到第一双芯端口端面的光束整形透镜。发光灯泡根据测量波段可以选取氘灯(紫外可见波段)、卤钨灯(可见近红外波段)或者氙灯(紫外可见近红外波段)。

所述第一双芯端口和第二双芯端口的两个纤芯直径相同，且两个纤芯沿端面直径方向对称排列。第一双芯端口中两个相同直径纤芯，可以保证从光源接收到同等光强的光用作参考光(第一光纤)和照明光束(第二光纤)。第二双芯端口中两个相同直径的纤芯，其中一个纤芯为第一光纤，另一个纤芯(第三光纤)必须保证与第一光纤纤芯相同，保证在无样品情况下第一光纤与第二、三光纤两路光路的能量同等传输。