专利名称：可见光-近红外光纤光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿物分析用的光谱仪，尤其是一种可见光-近红外光纤光谱仪，属于分析仪器技术领域。
背景技术：
光纤光谱仪种类很多，然而针对矿物分析的光纤光谱仪却很少。据申请人了解，现 有光谱仪在地质应用上有缺陷，因为在矿物信息丰富的2000nm-2500nm波段，现有光谱仪 (例如美国的ASD光谱仪)信噪比较低。其结构实质为200 IlOOnm的CCD线阵器件光谱 仪和1100 2500nm的扫描式光谱仪组合叠加而成，因此系统体积大，而且速度较慢，因此
需要改进。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺点，提出一种可测波段宽(光谱 范围可以覆盖400 2500nm)并且结构紧凑的可见光-近红外光纤光谱仪。为了达到以上目的，本发明的可见光-近红外光纤光谱仪含有光源；所述光源的 发光光路上设有样品反射装置，所述样品反射装置的反射光路上设有分光装置；所述分光 装置的分光光路中部设有响应相应波长光谱的第一光电信号转换装置(CCD)，两侧分别设 有将第一光电信号转换装置未接受光谱全反射的左、右分光反射装置；所述左、右分光反射 装置的分光反射光路上分别设有响应相应波长光谱的第二和第三光电信号转换装置；所述 各光电信号转换装置的信号输出端分别接计算机的响应端口，所述计算机用以将各光电信 号转换装置分别输出的不同波长光谱信号拼合为分光装置分出的连续波长光谱信号。据申请人了解，现有技术中没有覆盖波长400 2500nm全谱段的单个CXD器件， 因此要覆盖这么宽区域的光谱必须采用多块响应不同波长区域的的CCD器件，如果将这些 CCD器件参照现有技术分别构成不同波段的光谱仪，势必结构臃肿，成本昂贵；而如果将其 并排在同一受光面，由于各CCD的边框及安装间隙，相邻处必然存在间隔，即相邻感光面无 法实现无缝衔接，因此势必存在漏谱现象，无法得到连续的全波长光谱。本发明采用空间分 布的CCD，并借助分光反射装置巧妙分配各CCD的光谱波段，进而通过各波段光谱的拼合， 实现了单套光路多个CCD的像面拼接，从而以紧凑的结构，解决了全波段光谱信号的一次 性接收难题。具体实施时，第一光电信号转换装置宜采用响应950nm 1650nm波长光谱 的CCD探测器，而左、右分光反射光路上的第二和第三光电信号转换装置则分别采用响应 400nm 1050nm波长光谱的CCD传感器和响应1650nm_2500nm的波长光谱的CCD探测器。 当此三个CCD将各自转换的光谱信号传输到计算机后，即可拼合为覆盖波长400 2500nm 的全谱段信号。本发明进一步的完善是，所述样品反射装置与分光装置之间设有传导反射光的传 导光纤。这样可以灵活合理地布置样品反射装置与分光装置，更有利于节省空间。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本发明一个实施例的结构示意图。图2为图1实施例中的光路示意图。图3为图1实施例中C⑶的分布示意图。
具体实施方式
实施例一待分析矿石的光谱波段范围为400 2500nm。由于现有技术没有覆盖波长400 2500nm全谱段的单个CXD器件，因此要覆盖这么长区域的波长，必须采用多块响应不同波 长区域的的CCD器件。在该区域实现全谱段瞬间测量的方案一是采用多套光路和多个CCD ； 二是采用单套光路多个CCD像面拼接。前者系统体积庞大，对光入口需要进行光能量的重 新分配。后者结构紧凑，但需要解决像面拼接的难体。本实施例经过反复研究，确认的方案如图1和图2所示，该可见光-近红外光纤光 谱仪光源的发光光路上设有样品反射装置，该样品反射装置的反射光路上设有分光装置。 样品反射装置与分光装置之间设有传导反射光的传导光纤1。分光装置含有将传导光纤1 输出的反射光投射到准直镜3的狭缝2、位于所述准直镜3准直光路上的光栅4、位于光栅 4连续分光路径上的聚光镜5，所述聚光镜5的分光光路中部设有响应950nm 1650nm波 长光谱的第一光电信号转换装置——CCD探测器CCD10，两侧分别设有将第一光电信号转 换装置未接受光谱全反射的左、右分光反射镜6和7。左、右分光反射镜的分光反射光路上 分别设有响应400nm 1050nm波长光谱的第二光电信号转换装置——Si材料CXD传感器 (XD9，和响应1650nm-2500nm波长光谱的第三光电信号转换装置——InGaAs材料CXD探测 器 CCDll。三个CXD传感器在分光装置上的分布参见图3，(XD9、CXDlO和CXDll形成立体拼 接，其中作为第一光电信号转换装置的CCDlO安装在分光装置侧面，而作为第二和第三光 电信号转换装置的CCD9、CCD11则安装在分光装置顶面，从而实现连续光谱无缝拼接。三个 CCD的信号输出端分别接控制与分析计算机的响应端口，该计算机用以将各光电信号转换 装置分别输出的不同波长光谱信号拼合为分光装置分出的400-2500nm的连续波长光谱信 号。工作时，光源发出的光束照射到待分析矿石样品后，反射的混合光通过光纤1透 过狭缝2，经准直3后变成平行光打在光栅4上，经光栅4分光后，由聚焦镜分成400-2500nm 的连续光，其中400-950nm波段经过反射镜6垂直向上偏转后被(XD9接收，950-1650nm波 段直接被CXDlO接收，1650-2500nm波段经过反射镜7偏转垂直向上后被CXDll接收。三个 CCD的信号输出传输到计算机后，拼合成连续的可见光-近红外全波段光谱，从而可以对待 分析矿石进行全面的分析。本实施例采用反射式成像分光系统最大的好处是，具有适用光谱范围宽、无色差、 光谱面平直性好和体积小等优点。特别是反射效率高，光通量衰减小，提高了信噪比。本实 施例利用一块光栅完成400-2500nm的宽谱带分光，该光栅在400nm 2500nm波段内闪耀 波长设置在1900nm ；光栅在400 1050m效率低(5% 10% )，选用的探测器在该光谱段的响应非常高，从而弥补了此处的能量缺陷。
采用光纤作为光信号输入，光束出射后产生衍射作用，要将衍射的中央极大值射 向准光物镜，并充满它的整个口径，由此可以确定入射光纤纤芯直径的利润最大值a = 2 X 1. 22 λ X f/D ；式中f为准光物镜焦距，D为准光物镜的孔径直径。本实施例针对没有覆盖400-2500nm全谱线阵探测器的现状，采用三个线阵探测 器在像面进行立体交错拼接，从而合理实现了全谱段探测，并采用单路信号处理电路实现 三路线阵探测器的数据采集。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
一种可见光-近红外光纤光谱仪，含有光源；所述光源的发光光路上设有样品反射装置，所述样品反射装置的反射光路上设有分光装置；其特征在于所述分光装置的分光光路中部设有响应相应波长光谱的第一光电信号转换装置，两侧分别设有将第一光电信号转换装置未接受光谱全反射的左、右分光反射装置；所述左、右分光反射装置的分光反射光路上分别设有响应相应波长光谱的第二和第三光电信号转换装置；所述各光电信号转换装置的信号输出端分别接计算机的对应端口，所述计算机用以将各光电信号转换装置分别输出的不同波长光谱信号拼合为分光装置分出的连续波长光谱信号。
2.根据权利要求1所述的可见光-近红外光纤光谱仪，其特征在于所述样品反射装 置与分光装置之间设有传导反射光的传导光纤。
3.根据权利要求2所述的可见光-近红外光纤光谱仪，其特征在于所述分光装置含 有将所述传导光纤输出的反射光投射到准直镜的狭缝、位于所述准直镜准直光路上的光 栅、位于所述光栅连续分光路径上的聚光镜；所述聚光镜的分光光路中部设有所述第一光 电信号转换装置，两侧分别设有将第一光电信号转换装置未接受光谱全反射的左、右分光 反射镜；所述左、右分光反射镜的分光反射光路上分别设有所述第二光电信号转换装和第 三光电信号转换装置。
4.根据权利要求3所述的可见光-近红外光纤光谱仪，其特征在于所述第一光电信 号转换装置采用响应950nm 1650nm波长光谱的(XD探测器，而左、右分光反射光路上的 第二和第三光电信号转换装置则分别采用响应400nm 1050nm波长光谱的C⑶传感器和 响应1650nm-2500nm的波长光谱的CCD探测器。
5.根据权利要求4所述的可见光-近红外光纤光谱仪，其特征在于光栅在400nm 2500nm波段内闪耀波长设置在1900nm。
6.根据权利要求5所述的可见光-近红外光纤光谱仪，其特征在于所述第一光电信 号转换装置安装在分光装置侧面；所述第二和第三光电信号转换装置安装在分光装置顶
全文摘要
本发明涉及一种可见光-近红外光纤光谱仪，属于分析仪器技术领域。该光谱仪光源的发光光路上设有样品反射装置，样品反射装置的反射光路上设有分光装置；分光装置的分光光路中部设有响应相应波长光谱的第一光电信号转换装置，两侧分别设有左、右分光反射装置；左、右分光反射装置的分光反射光路上分别设有响应相应波长光谱的第二和第三光电信号转换装置；各光电信号转换装置的信号输出端分别接计算机的对应端口，计算机用以将各光电信号转换装置分别输出的不同波长光谱信号拼合为分光装置分出的连续波长光谱信号。本发明实现了单套光路多个CCD的像面拼接，从而以紧凑的结构，解决了全波段光谱信号的一次性接收难题。
文档编号G01N21/35GK101865838SQ201010204848
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者俞正奎, 修连存, 修铁军, 张秋宁, 殷靓, 王弥建, 郑志忠, 陈春霞, 黄俊杰, 黄宾 申请人:南京地质矿产研究所