紫外‑可见光‑近红外透反射光谱测量装置和测量方法与流程

本发明涉及透反射光谱的测量，特别是一种紫外-可见光-近红外透反射光谱测量装置和测量方法。

背景技术：

紫外-可见光-近红外透反射光谱测量技术在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域以及在化工、医药、环境检测、冶金等现代工业生产与管理部门都获得了广泛而重要的应用(参见[1]倪一,黄梅珍,袁波,赵海鹰,窦晓鸣.紫外可见分光光度计的发展与现状[J].现代科学仪器,2004,03:3-7+11.[2]朱英,和惠朋,武晓博,张学俊.紫外可见分光光度计及其应用[J].化工中间体,2012,11:34-37.)。目前紫外-可见光-近红外透反射光谱普遍采用双光路光度法的测量构架，如图1所示，主要包括复色光源1，单色器2，光阑3，偏振片4，分束器5，参考光探测器6，待测样品7和测试光探测器8，数据采集器9和计算机10。复色光源出射的复色光经过单色器后形成测量所需要的单色光，单色光经过光阑和偏振片后形成测量所需的线偏振光，线偏振光经过分束器后形成一束测量光和一束参考光，参考光被参考光探测器收集，测试光经过样品后被测试光探测器所接收，参考光探测器和测试光探测器输出的电压信号被数据采集器记录，计算机用来控制单色器和进行数据运算。基于目前的测量系统，样品透射光谱的主要测量过程如下：

(1)在复色光源关闭的情况下测量参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值；

(2)打开复色光源，在光路中不放置样品，使测试光束照射在测试光探测器上；

(3)把单色器的工作波长设置为λ₁，然后测量参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；

(4)把单色器的工作波长依次设置为λ₂,λ₃……λ_n，分别重复步骤(3)，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的明场强度值；

(5)在测试光束中安装待测样品，把单色器的工作波长设置为λ₁，然后测量此时参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；

(6)把单色器的工作波长依次设置为λ₂,λ₃……λ_n，分别重复步骤(5)，得到各个波长下参考光探测器和测试光探测器的信号强度值；

(7)根据参考光探测器和测试光探测器的暗场强度值，以及在各个波长下的明场强度值和信号强度值，分别计算波长为λ₁,λ₂,λ₃……λ_n时待测样品的透射率，进而得到待测样品的透射光谱。

目前的测量装置和测量方法可以比较准确的完成样品透反射光谱的测量，测量精度约为0.1％～0.3％，但是主要存在下面几个缺点：

(1)在测量过程中，单色器内部的机械结构需要断断续续的完成不连续的间歇运动(如图2所示，单色器的出射波长在一定时间内是以阶梯式的方式从800nm增加到810nm，而单色器的出射波长是通过移动内部机械机构来实现的)，探测器需要进行间歇的数据采集(如图3所示，黑色圆点表示探测器的采集位置)，他们之间的动作是分时间先后顺序完成的，因而样品透反射光谱的测试速度比较缓慢，如为测得800nm～1100nm波段范围内的透射光谱曲线，往往需要3～5分钟左右的时间，而在实际的透射光谱的测试过程中，为了观察样品透射光谱特性在化学反应、温度、湿度等环境因素下的动态变化情况，需要样品的透射光谱能够在较短的时间内完成，目前普遍采用的测试装置和方法显然是无法胜任的；(2)在目前样品透反射光谱的测量过程中，仪器内部的机械构件需要保持断断续续的间歇运动状态，因此测试仪器的机械稳定性较差；(3)由于目前样品透反射光谱的测量耗时较长，测试仪器的工作效率因而较低，因而无法满足大批量光学元件的测试需求。

专利(CN100451611C，CN1752739，CN2837834Y)及研究论文([1]谭力,刘玉玲,余飞鸿.光学器件光谱透过率反射率实时测量系统的研制[J].光学仪器,2004,03:9-13，[2]刘征峰,王术军,张保洲.快速光谱测量分析系统[J].光电工程,2001,02:27-31.)提出了基于CCD的快速测量样品透反射光谱的方法，但是该方法的缺点是测量精度低，测量误差约为5％～8％。傅里叶变换光谱仪(E.V.Loewenstein,"HISTORY AND CURRENT STATUS OF FOURIER TRANSFORM SPECTROSCOPY,"Applied Optics,vol.5,pp.845-+,1966.[2]杨琨.傅里叶变换红外光谱仪若干核心技术研究及其应用[D].武汉大学,2010.)同样可以实现透反射光谱的快速测量，但是其主要缺点也是测量精度较低，测量误差约为2％～3％。因此尽管多通道光谱仪和傅里叶变换光谱仪在快速测量中得到了一定程度的应用，但是测量精度低的缺点使得他们无法在高精度、快速测量环境中获得应用。

技术实现要素：

为了解决现有紫外-可见光-近红外透反射光谱测量装置和测量方法中存在的问题，本发明提出一种紫外-可见光-近红外透反射光谱的测量装置和测量方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种紫外-可见光-近红外透反射光谱测量装置，包括复色光源，在复色光源的光束输出方向依次是单色器、光阑、偏振片和分束器，其特点在于，在所述分束器的参考光出射方向是参考光高速探测器，在所述分束器的测试光出射方向依次是待测样品和测试光高速探测器，所述的参考光高速探测器的输出端与示波器的第一输入端相连，所述的测试光高速探测器的输出端与所述的示波器的第二输入端相连，所述的示波器的输出端与所述计算机的输入端相连，该计算机的输出端与所述的单色器控制端相连。

利用上述紫外-可见光-近红外透反射光谱测量装置测量待测样品的透射光谱的方法，主要包括以下步骤：

①在光路中不放置待测样品，利用计算机控制所述的单色器的出射波长从λ₁匀速的增加到λ_n，持续时间为t，所述的参考光高速探测器(11)和测试光高速探测器采集连续的光强信号，所述的示波器记录参考光高速探测器和测试光高速探测器采集到的光强信号序列，分别记为和并输入所述的计算机；

②在所述的分束器和测试光高速探测器之间的光路中安装待测样品，所述的计算机控制所述的单色器的出射波长从λ₁匀速的增加到λ_n，持续时间为t，所述的参考光高速探测器和测试光高速探测器保持连续的光强信号采集，所述的示波器记录参考光探测器和测试光探测器采集到的光强信号序列，分别记为和并输入所述的计算机；

③所述的计算机按如下公式计算待测样品的透射比序列T(t)：

④根据如下公式，分别计算k和b：

b＝λ₁ (1.7)

⑤把透射比序列T(t)的横坐标t，按照如下公式转化为波长λ，

λ＝kt+b (1.8)

得到待测样品(7)的透射光谱T(λ)。

与现有紫外-可见光-近红外透反射光谱的测量方法相比，本发明测量装置和测量方法同时具有以下优点：

(1)测量速度快。由于本发明选用单色器出射波长连续变化、探测器高速采集光强的方案，因而可以解决普通光度测量法测量速度慢的缺点，能在2～5秒钟之内完成800～1100nm波段范围内透射光谱的测量；

(2)测量精度高。本发明测量方法是基于双光路光度测量法，能达到光度法同样的测量精度(约为0.1％～0.3％)；

(3)机械稳定性好。本发明的测量过程中，单色器内部的机械结构保持匀速运动状态，测试系统因而具有较高的机械稳定性。

附图说明

图1是现有紫外-可见光-近红外透射光谱测量构架的结构图；

图2是现有方法测量过程中单色器出射波长随时间的变化曲线；

图3是现有方法测量过程中光强的采集位置示意图；

图4是本发明紫外-可见光-近红外透射光谱测量装置的示意图；

图5是本发明单色器出射波长随时间的变化曲线；

图6是本发明光强采集位置示意图；

图7是本发明紫外-可见光-近红外反射光谱测量装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明紫外-可见光-近红外透反射光谱测量装置，如图4所示，该装置主要包括复色光源1，单色器2，光阑3，偏振片4，分束器5，待测样品7，参考光高速探测器11，测试光高速探测器12，示波器13和计算机10。复色光源1用于为测量系统提供复色的光源，单色器2用于把复色光源转化成单色的入射光束，光阑3用于过滤杂散光和调节入射光束的孔径，偏振片4用于产生测量所需要的线偏振光，分束器5用于形成一束参考光和一束测试光，参考光高速探测器11用于高速测量参考光束的光强，测试光高速探测器12用来高速测量测试光束的强度，示波器13用来记录参考光高速探测器11和测试光高速探测器12采集到的电压信号，计算机12用于控制单色器2、控制示波器13以及进行数据处理。

工作原理：

在如图4所示的紫外-可见光-近红外透反射光谱的测量装置中，复色光源1发出的复色光依次传输通过单色器2、光阑3、偏振片4和分束器5，然后形成一束参考光和一束测试光，参考光束的光强被参考光高速探测器11采集，测试光束通过待测样品7后被测试光高速探测器12所收集。

在测量过程中，通过计算机控制单色器和示波器，使单色器的出射波长从λ₁匀速的增加到λ_n(如图5所示，使单色器的出射波长在一定时间内从800nm连续增加到810nm)，同时使参考光高速探测器和测试光高速探测器保持持续的光强采集(如图6所示，黑色圆点表示高速探测器的采集位置)，示波器用来记录参考光高速探测器和测试光高速探测器采集到的模拟电压信号，计算机用来进行数据处理及运算。

基于如图4所示的紫外-可见光-近红外透反射光谱的测量装置，本发明紫外-可见光-近红外透反射光谱的快速测量方法，主要包括以下步骤：

①在光路中不放置样品，利用计算机使单色器的出射波长从λ₁匀速的增加到λ_n，持续时间为t，同时使参考光高速探测器和测试光高速探测器采集连续的光强信号，用示波器记录参考光高速探测器和测试光高速探测器采集到的光强信号序列，分别记为和

②在分束器和测试光高速探测器之间的光路中安装待测样品，利用计算机使单色器的出射波长从λ₁匀速的增加到λ_n，持续时间为t，同时使参考光高速探测器和测试光高速探测器保持连续的光强信号采集，用示波器记录参考光探测器和测试光探测器采集到的光强信号序列，分别记为和

③根据步骤①和②获取的光强序列和利用计算机根据如下公式计算待测样品的透射比序列T(t)：

④根据如下公式，分别计算k和b：

b＝λ₁ (1.11)

⑤把透射比序列T(t)的横坐标t，按照如下公式转化为波长λ，得到待测样品的透射光谱T(λ)。

λ＝kt+b (1.12)

实施例1：

图4是本发明紫外-可见光-近红外透射光谱的测量装置结构图，光源1采用FemtoPower FP1060-20超连续光纤激光器，单色器2采用Photon系列光栅单色器，光阑3采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，起偏器4采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，分束器5采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，样品7为透射样品，参考光高速探测器11和测试光高速探测器12均采用Newport带宽为150MHZ的1811系列高速光电探测器，示波器13采用Tektronix的带宽为500MHZ，采样率为5GS/s的DPO7054C系列示波器。

实施例2：

图7是本发明紫外-可见光-近红外反射光谱测量装置结构图，光源1采用FemtoPower FP1060-20超连续光纤激光器，单色器2采用Photon系列光栅单色器，光阑3采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，起偏器4采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，分束器5采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，样品14为反射样品，参考光高速探测器11和测试光高速探测器12均采用Newport带宽为150MHZ的1811系列高速光电探测器，示波器13采用Tektronix的带宽为500MHZ，采样率为5GS/s的DPO7054C系列示波器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。