基于AOTF的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪的制作方法

基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪
技术领域
1.本专利涉及光谱探测技术，具体指一种基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪，它适用于物质光谱检测与分析领域。


背景技术：

2.光谱分析是利用物质吸收光谱信息对物质进行定性定量分析的一种技术, 广泛应用在农业、纺织业、制药业、生物医学等各个领域。与传统的光谱分析仪器使用的分光器件相比,aotf近红外光谱仪采用声光可调谐滤光器(acousto
‑
optic tunable filter，aotf)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描，其具有电调谐区域大、衍射率高、重现性好等优点。aotf光谱仪因为没有移动性部件、波长转换速度快,具有可在线分析等优点,越来越广泛地应用在各种场合。
3.公开文献和专利已有基于aotf分光特性进行光谱探测的方法，如申请公布号cn208902595u公布了一种主动照明的光谱探测仪，该专利通过主动复色光源汇聚照射于样品表面，接收样品表面的漫反射光进入aotf分光，通过格兰棱镜滤除+1级衍射光和0级光，只探测－1级衍射光汇聚进入探测器实现光谱探测，然而该仪器照射样品表面区域很小，容易导致探测结果不准确，以及该方法在aotf分光前探测样品，易引入杂散光，并且浪费了－1级衍射光能量；申请公布号cn205898677u公布了一种声光调制双光路双探测器型近红外光谱仪，该专利采用双光路双探测器设计，经声光可调谐滤光器分光后的单色光由可调分束器分为能量分束比可控的参考光和测量光进行探测，然而没有对0级光进行处理，容易产生噪声基底影响信噪比，并且现有光谱仪都只利用了漫反射光的一定角度的信号光，接收效率低。


技术实现要素：

4.本专利针对现有技术而需重点解决的技术问题是：不能充分利用经aotf 分出的
±
1级信号光，以及不能充分接收样品漫反射信号光，从而降低仪器信噪比的问题。
5.本专利的目的是提供了一种基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪，该专利基于声光可调谐滤波器(aotf)的电控分光特性，采用双探测器分束参比定标实现实时光谱定标和光源性能检测，通过加入对0级光的空间遮挡、2个分光片和反射镜，使
±
1级衍射光共同照射于样品表面同一位置增加照射光能量，采用漫反射式探测将样品置于椭球反光碗的一个焦点，信号光接收装置位于椭球反射碗的另一个焦点，增加样品漫发射信号光的接收效率；并利用锁相电路对0级光不敏感的特点，提高光谱探测信噪比，该专利信噪比高、结构紧凑、探测速度快、使用方便简单，适用于食品、药品等成分检测领域。
6.所述的光源分光模块1由宽谱卤素光源11、准直透镜组12、声光可调谐滤波器13、一次汇聚透镜组14和0级光挡板15组成；宽谱卤素光源11发出的光束经过准直透镜组12出射准直光，进入声光可调谐滤波器13，当声光可调谐滤波器13未工作时，衍射光无法产生，
当声光可调谐滤波器13在某一射频频率下工作时，某一波长的光会分离成两束正交偏振的单波长衍射光和一束0 级复色光，该三束光经过一次汇聚透镜组14后汇聚分离，0级光挡板15遮挡 0级光，
±
1级衍射光从两边出射。
7.所述的宽谱卤素光源11为前端带透镜的卤素灯泡。
8.所述的准直透镜组12为内部带小孔光阑的2片式透镜组，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜。
9.所述的声光可调谐滤波器13为光谱仪分光器件，内部无消色散设计，可分出具有一定夹角的0级复色光和
±
1级单色衍射光。
10.所述的一次汇聚透镜组14为2片式透镜组，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜。
11.所述的
±
1级信号光参比和出射模块2由－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、二次汇聚透镜23、参比探测器24、－1级反射镜25、+1级反射镜26和样品台27组成；
±
1级衍射光分别经－1级平板分光片21和+1级平板分光片22共光路依次反射进二次汇聚透镜23和参比探测器24完成参比探测，经－1级平板分光片21和+1级平板分光片22透射的
±
1级衍射光分别经－1级反射镜25和+1级反射镜26都照射到样品台27上的样品表面产生漫反射光。
12.所述的－1级平板分光片21和+1级平板分光片(22)为平面窗口片，表面镀光谱仪适用波段并具有90:10比例的透反射膜；
13.所述的二次汇聚透镜23为1片平凸透镜，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜。
14.所述的参比探测器24为光谱仪适用波段相应的单元探测器。
15.所述的－1级反射镜25和+1级反射镜(26)表面镀光谱仪适用波段反射膜。
16.所述的样品台27为石英玻璃平片，平片表面镀光谱仪适用波段增透膜。
17.所述的光谱接收模块3由椭球反光碗31、接收透镜组32和接收探测器33 组成；样品表面的漫反射信号光经椭球反光碗31汇聚进接收透镜组32，最后收集进入接收探测器33中，从而实现物质特征光谱探测。
18.所述的椭球反光碗31采用铝作为基底材料，反光碗内部镀光谱仪适用波段反射膜。
19.所述的接收透镜组32为3片式透镜组，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜。
20.所述的接收探测器33采用与参比探测器(24)相同的单元探测器。
21.所述的数据采集与控制模块4由主控模块41、射频功率放大器42、模拟信号处理电路43、参比探测器前放电路44和接收探测器前放电路45组成，其中主控模块41又包括计算机411、usb通信电路412、fpga主控电路413、射频驱动信号发生电路414、tec闭环制冷电路415、参比光路a/d转换电路 416和接收光路a/d转换电路417；光谱探测仪工作时，主控模块41中计算机 411向usb通信电路412发送光谱采集指令，通过fpga主控电路413控制光谱采集系统工作；fpga主控电路413控制射频驱动信号发生电路414产生所需频率的射频信号并调制输出，通过射频功率放大器42放大，施加于声光可调谐滤波器13；fpga主控电路413控制tec闭环制冷电路415对红外探测器进行闭环制冷控制；模拟信号处理电路43将参比探测器前放电路44和接收探测器前放电路45接收到的微弱的调制光谱信号进行锁相放大处理，fpga 主控电路413控制参比光路a/d转换电路416和接收光路a/d转换电路417 将模拟信号处理电路43输出的光谱信号进行a/d转换，fpga主控电路413 将光谱数据打包后通过usb通信电路412发送至计算机411；采用锁相放大的方式对探测器接收到的光信号进行信号放
大，可程控调整系统的增益，在保证采样速度的前提下提升光谱采集的信噪比和灵活性。
22.所述的一种基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪，其特征在于方法步骤如下：
23.1)设备上电自检
24.连接电源给宽谱卤素光源11和数据采集与控制模块4供电，连接计算机411 和usb通信电路412，打开上位机软件与光谱仪建立通信连接；
25.2)设备预热，工作前准备
[0026]2‑
1)开启tec闭环制冷电路415对参比探测器24和接收探测器33进行闭环制冷控制，直至探测器制冷稳定；
[0027]2‑
2)宽谱卤素光源11在加电一段时间后输出的光信号也更为稳定，样品台27上放置待测样品。
[0028]
3)光谱数据采集
[0029]3‑
1)fpga主控电路413控制射频驱动信号发生电路414工作，在声光可调谐滤波器13上施加不同频率的射频驱动信号，对被测物的不同波长散射光进行光谱扫描，通过参比探测器24和接收探测器33同时探测经声光可调谐滤波器13分光后的单色光和经过待测样品漫反射的单色光；
[0030]3‑
2)参比探测器24和接收探测器33探测到的微弱光信号经前级放大后同步进入模拟信号处理电路43，fpga主控电路413同步控制参比光路a/d 转换电路416和接收光路a/d转换电路417对模拟信号处理电路43输出的信号进行采样并保存，待全光谱扫描完成后通过usb通信电路412将参比定标光谱和目标光谱传输至上位机；
[0031]
4)数据分析及处理
[0032]4‑
1)通过比对参比定标光谱曲线和目标光谱曲线，计算出待测样品在测量波长范围内的吸收率曲线；
[0033]4‑
2)通过将待测样品的吸收率曲线与标准模型进行比对判断待测样品的成份及含量。
[0034]
该专利的优点主要体现在：1、对aotf分光后产生的0级光进行遮挡，对
±
1级衍射光通过2个平面分光片反射至同一个光路做参比接收可实时定标探测和监测光源稳定性；2、运用2个平面反射镜将
±
1级衍射光照射至样品台同一位置，充分利用了
±
1级衍射光，增强照射于样品的光能量从而增大样品的漫反射信号光；3、利用椭球反光碗的反射原理使样品漫反射的信号光充分反射至接收透镜组中，有效提高仪器信噪比。基于该模型的光谱探测方法可以利用到其它光学探测领域中，具有重要的应用价值和参考意义。
附图说明
[0035]
图1为仪器整体结构示意图。
[0036]
图2为数据采集与控制模块4工作原理示意图。
具体实施方式
[0037]
本专利为一种基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪，它包括光源分光模块1、
±
1级信号光参比和出射模块2、光谱接收模块3和数据采集与控制模块4，如图1
所示，用以说明本专利的结构特征和实施方法。
[0038]
本专利中所采用的主要器件描述如下：
[0039]
1)宽谱卤素光源11：本实施方案中宽谱卤素光源11采用thorlabs公司稳定型红外钨光源，光谱范围为350
‑
2500nm。
[0040]
2)准直透镜组12、一次汇聚透镜组14、二次汇聚透镜23、－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、－1级反射镜25、+1级反射镜26和接收透镜组32：本实施方案中采用的准直透镜组12、一次汇聚透镜组14、二次汇聚透镜23、－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、－1级反射镜25、+1 级反射镜26和接收透镜组32均为自行设计的组件，其使用波长范围为 1100
‑
2300nm，以实现光路的准直、汇聚、透反射和漫反射信号光的接收。
[0041]
3)声光可调滤波器13：本实施例中所用声光可调滤波器13选用中国电子科技集团第26研究所定制产品，其主要技术指标为：
[0042]
a)工作波长：1100nm
‑
2300nm
[0043]
b)光谱分辨率：2nm
‑
12nm
[0044]
c)一级偏转角：2.6
°
[0045]
d)分离角：>＝6.1
°
[0046]
e)衍射效率：>＝60％
[0047]
f)尺寸：560mm*400mm*315mm
[0048]
g)驱动功率：<＝2w
[0049]
h)驱动频率范围：37mhz
‑
112mhz
[0050]
4)样品台27：本实施方案中采用双面抛光的石英作为样品台27的窗口片，可以保证900
‑
2500nm波长的光源可以通过石英窗口照亮被测物体，石英的双面抛光面面型精度要求为rms值小于λ/10@632.8nm。
[0051]
5)参比探测器24和接收探测器33：本实施方案中选用judson公司 j23te2
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66c型ingaas红外探测器件，主要技术指标为：其感光面积为光谱响应范围为0.9～2.5μm，暗电流最大值为1.0e
‑
5a；探测率： 8.4e
11
cmhz
1/2
w
‑1,2级tec制冷。
[0052]
本专利所涉及的一种基于aotf的双探测器椭球反光碗接收漫反射式光谱仪，具有结构紧凑、体积小、信噪比高、准确度高和探测方法简单等特点，相比传统的aotf光谱探测方法，采用双探测器分束参比可实时定标探测和监测光源性能稳定性，通过加入对0级光的空间遮挡、2个分光片和反射镜，使
±
1级衍射光共同照射于样品表面同一位置增加照射光能量，采用漫反射式探测将样品置于椭球反光碗的一个焦点，信号光接收装置位于椭球反射碗的另一个焦点，增加样品漫发射信号光的接收效率；并利用锁相电路对0级光不敏感的特点，提高光谱探测信噪比。