【技术领域】

本发明属于光辐射测量领域， 具体涉及一种光谱仪。

【背景技术】

光谱仪用来测量分析光谱辐射功率分布的光谱 组成的设备， 广泛应用于光 源辐射测量、 颜色测量、 元素鉴定、 化学分析等领域。 常用的光谱仪包括单色 仪和多色仪（多通道光谱仪、 阵列式快速光谱仪等）， 采用多通道探测器的阵列 光谱仪具有毫秒级的测量速度， 近年来发展迅速， 应用也越来越广泛。

杂散光指标是阵列光谱仪的重要指标， 针对阵列光谱仪， 杂散光是指照射 在某个特定波长点所对应的象元上的其他光谱 成分， 其大小决定着阵列光谱仪 的测量准确度。 现有的阵列一般通过整段方式测量， 即一次测量即可获得整个 待测波段的光谱功率分布， 这种测量方法虽然测试速度快， 成本也较低， 但杂 散光较大， 准确度相对较低。 此外， 光谱仪的带宽、 能量利用率、 灵敏度、 波 长分辨率对于测试结果的影响也较大。

为了减小杂散光， 公开号为 CN101324468B的专利公开了一种利用带通色 轮进行逐段测量的技术方案， 通过转动带通色轮将不同导通波段的滤色片切 入 光路， 从而将不同的波段导入到光路中进行测量。 这种测量方式可对每段光谱 准确测量， 测量准确度高， 但由于每次测量均需要切换滤色片， 耗时较长， 测 试速度慢； 而且所有被测光一次均被引入到光谱仪内部， 虽然在光栅分光前采 用的导通滤色片， 仍会有较多的非期望反射带来杂散光， 影响测量准确度。 更 为重要的是， 对于同一个光谱仪， 阵列探测器上的测量波段已经确定， 即波长 的细分程度也已经确定。 该技术方案利用同一个光谱仪测量不同波段的 光线， 每次测量时， 阵列探测器仅能被利用其中的较少部分，不能 被充分利用，例如， 整个待测波段的波长范围为 380nm~780nm， 阵列探测器上各个像素上的测量波 长已经确定，在测量 380nm~480nm波段时，仅较少部分的像素点参与光� ��响应， 其它像素点不参与响应， 像素点不能被充分利用。

公告号为 "CN 201476880U"公开了由多个单色仪组成的一种光谱� ��， 各个 单色仪分别输出不同波段的单色光， 且输出的单色光波段首尾交叠。每个单色仪 实际工作时，均通过转动光栅输出不同波长的 单色光，不仅耗时长;且如上所述， 所有被测光线一次性引入到单色仪内部， 引入大量杂散光， 测量准确度较低。 此外， 由于光栅的零级光谱能量最大但不能发生色散 ， 光谱仪实际测量的是 光栅发生色散的一级光谱， 但由于其能量较低， 限于探测器的灵敏度， 往往需要 较大能量的入射光， 才能保证一级光谱被探测器探测到， 能量利用率较低； 但入 射光能量增大，其零级光谱以及其它级次的光 谱的能量也更大， 光谱仪内部的杂 散光也更多， 影响测量的准确度。

【发明内容】

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一 种高精度阵列光谱仪， 该光谱 仪仅需一次测量，即可通过逐段测量的方式高 精度地实现整个待测波段光谱的测 量， 大幅降低了杂散光干扰水平， 具有速度快、 测量准确度高、 波长精度高、 能 量利用率高、 操作方便等特点。

本发明所述的一种光谱仪是通过以下技术方案 实现的。一种光谱仪， 其特征 在于，包括光束分离器以及两个或者两个以上 阵列光谱仪， 所述的光束分离器包 括一个光输入端口、两个或者两个以上的光输 出端口， 光输出端口与阵列光谱仪 的数目相等且一一对应，各个阵列光谱仪的测 量波段首尾相接且覆盖整个待测波 段； 各个光输出端口将待测光线导入到对应的阵列 光谱仪中， 各个阵列光谱仪接 收和测量不同波段的光线。

本发明公开了包括多个一一对应的光输出端口 和阵列光谱仪，测量光束从光 纤输入端口输入，光束分离器将光束分为多束 ， 每束光线分别入射到不同的阵列 光谱仪中进行测量。由于各个阵列光谱仪的测 量波段首尾相接且覆盖整个待测波 段， 即待测波段被分为多个波段， 对每个波段逐段测量， 每个波段测得的结果合 并即可得到整个待测波段的光谱功率分布。本 技术方案通过测量波段不同的阵列 光谱仪对各个波段精确测量，仅需一次测量即 可通过逐段测量即可获得整个待测 波段的光谱功率分布， 测量速度快、准确度高且操作方便； 相比于同一测量范围 的阵列光谱仪， 该阵列光谱仪具有不同的测量范围， 其内部的阵列探测器仅测量 部分波段的光线， 阵列探测器的同一像素上分布的波长范围更小 ， 即波长细分度 更高， 测量准确度也更高。

本发明还可以通过以下技术方案进一步限定和 完善。

作为一种技术方案， 所述的阵列光谱仪包括入射狭缝、 光栅和阵列探测器， 各个阵列光谱仪中的光栅一级闪耀波长均处于 该阵列光谱仪的测量波段内。从光 输出端口发出的光束入射到入射狭缝中， 经光栅色散后， 被阵列探测器探测。此 夕卜，所述的阵列光谱仪还包括准直镜和会聚 镜， 准直镜和会聚镜设置在入射狭缝 的光路后， 用以反射和会聚光束。

光栅衍射的光谱分为零级光谱、 一级光谱、 二级光谱……，光谱级次越高， 色散本领越好， 光强度越小； 光谱级次越低， 色散本领越弱， 光强度越大， 因而 零级光谱能量最大， 但没有发生色散。 为了得到光强度相对较大的色散光， 光谱 仪实际探测的是具有相对较高光强度、 同时也发生色散的一级光谱， 但由于光栅 绝大多数光能都集中在光栅的零级光谱上，光 谱仪内部的杂散光较多， 对测量结 果影响较大。

为了减小杂散光，通过在磨光的金属板或金属 膜的玻璃基板上， 刻划出一系 列等距离的锯齿形槽面形成闪耀光栅。该光栅 使得单个槽面衍射的零级主极大和 各槽面干涉的零级主极大分开，从而使得光能 量从干涉零级主极大转移并集中到 某一极光谱上去。根据光栅方程， 可以得到各级的闪耀波长， 如果光栅的单槽衍 射零级主极大正好落在某一波长的一级谱线上 ， 则该波长称为一级闪耀波长，一 级光谱获得最大的光强度， 兼具了色散和光强度的优势。各个阵列光谱仪 中的光 栅一级闪耀波长均处于该阵列光谱仪的测量波 段内，入射到各个阵列探测器上的 光线的单槽衍射零级主极大正好落在闪耀波长 的一级谱线上，即一级谱线的光强 度最强，其它级谱线的光强都很弱， 从而保证了各个阵列光谱仪内部的杂散光均 较小， 信噪比大幅增加， 波长能量利用率大幅提升。

作为优选，各个阵列光谱仪中的光栅一级闪耀 波长均位于该阵列光谱仪的中 心波长附近。不同阵列光谱仪中的光栅一级闪 耀波长均位于阵列光谱仪的中心波 长附近， 以最大程度地增大能量利用率。

作为优选，包括两个或者两个以上的带通滤色 片， 带通滤色片与阵列光谱仪 的数目相等且一一对应，各个带通滤色片的导 通波段略大于或者等于其对应的阵 列光谱仪的测量波段； 各个光输出端口发出的光线被对应的带通滤色 片滤光， 各 个阵列光谱仪接收和测量经带通滤色片滤光后 的光线。测量时， 多个带通滤色片 和阵列光谱仪一一对应，测量光束从光纤输入 端口输入， 光束分离器将光束分为 多束，每束光线经不同的带通滤色片后， 分别入射到不同的阵列光谱仪中进行测 量。 由于各个带通滤色片的对应的阵列光谱仪的测 量波段相同， 各个带通滤色片 仅让阵列光谱仪测量范围内的光线透过、而其 测量范围外的光线不能透过，因此， 进入到阵列光谱仪内部的光线仅是其测量范围 的光线，避免了待测波段中混入其 它波段的高级光谱， 可大幅降低杂散光水平， 提高测量准确度； 或者各个带通滤 色片仅让阵列光谱仪略大于其测量范围的光线 透过、而其它光线均不能透过， 相 比于其它非测量范围内的光线均进入阵列光谱 仪的情况，该技术方案进入到阵列 光谱仪内部的非期望光线大幅减小， 亦可大幅减小杂散光， 提高测量准确度。

本发明中，所述的带通滤色片可以设置在阵列 光谱仪之前的光路上； 或者所 述的带通滤色片设置在阵列光谱仪内部， 是阵列光谱仪的一部分。带通滤色片的 位置可灵活设置， 只要其能将被测光源发出的光束划分为不同的 测量波段即可。 此外，所述的两个或者两个以上的带通滤色片 的导通波段覆盖紫外到红外的波段。 阵列光谱仪的测量波段覆盖紫外一可见光一红 外波段，因而带通滤色片的导通波 段应相应地覆盖阵列光谱仪的待测波段。

作为一种技术方案，包括混光器， 所述的混光器设置在光输出端口之前的光 路上，所述的混光器为积分球或漫反射板或者 漫透射板。混光器将从被测目标发 出的光信号充分混合， 并输出到光纤输入端口， 用以测量被测光源的平均光谱信 息。

作为一种技术方案，所述的光束分离器为石英 分叉光纤或者可获得多路光束 的分光半透半反镜或者分光半透半反镜组。石 英光纤可传输紫外、可见、 红外等 各个波段的光线， 适用范围广。

作为优选，包括控制各个阵列光谱仪同步测量 或积分的控制中心， 所述的控 制中心与各个阵列光谱仪均电连接。控制中心 控制各个阵列光谱仪进行电子同步 测量，一次测量即可实现整个待测波段的测量 ；同时各个阵列光谱仪测量结束后， 还可以将各自测得的结果传输到控制中心上， 整合为整个待测波段的相对光谱功 率分布。

作为一种技术方案，所述的各个阵列光谱仪的 积分时间可独立设置或者根据 入射光的强弱自动调节。各个阵列光谱仪的积 分时间均可独立设置， 以适用于不 同的入射光线； 同时可根据入射光的强弱， 各个阵列光谱仪还可以自动调节各自 的积分时间， 以得到合理的 A/D值。 作为优选， 所述的带通滤色片和阵列光谱仪并列设置。此 外， 带通滤色片和 阵列光谱仪不限于这种排列方式， 也包括其它设置方式， 如带通滤色片和阵列光 谱仪两者设置在一个球面上。

作为优选， 包括机箱， 所述的光束分离器、 阵列光谱仪、 带通滤色片均设置 在机箱内。 各个装置均设置在一个机箱内， 集成化程度高、 设计一体化、 操作方 便。

此外， 在光路中还可以设置会聚装置、 成像装置、 可调光阑等装置。 例如， 包括成像装置，所述的成像装置设置在光束分 离器之前的光路上， 且光束分离器 位于成像装置的像面位置上； 或者所述的成像装置设置在光束分离器之后、 阵列 光谱仪之前的光路上。这里的成像装置为透镜 或者其他装置， 若成像装置设置在 光束分离器之前， 被测目标的光线经成像装置成像到光束分离器 的输入端口上， 用以测量被测目标的图像光谱和图像光谱辐亮 度；若成像装置设置在光束分离器 之后、阵列光谱仪之前， 成像装置将经光输出端口输出的光线会聚到不 同阵列光 谱仪的入光口上进行测量。或者包括可调光阑 ， 所述的可调光阑设置在光束分离 器之前的光路上； 或者所述的可调光阑设置在光束分离器之后、 阵列光谱仪之前 的光路上。可调光阑设置在光束分离器之前， 用以限制入射到光束分离器输入端 口中的被测目标的光线； 可调光阑设置在光束分离器之后、阵列光谱仪 用以限制 入射到阵列光谱仪中的光线。

综上所述，本发明采用光束分离器将被测光线 分为多个光束， 通过测量范围 首尾相接且覆盖整个待测波段的各个阵列光谱 仪，对各个波段精确测量， 仅需一 次测量即可通过逐段测量即可获得整个待测波 段的光谱功率分布，具有测量速度 快、 波长细分度高、 测量准确度高且操作方便等特点； 此外， 在各个阵列光谱仪 前分别设置导通波段与其测量波段相同的各个 带通滤色片，还可大幅降低杂散光 干扰， 进一步提高测量准确度。

【附图说明】

附图 1是实施例 1的示意图；

附图 2是实施例 2的示意图；

附图 3是实施例 3的示意图。

1-光束分离器； 1-1-光输入端口； 1-2-光输出端口； 2-阵列光谱仪； 3-带通滤 色片； 4-控制中心； 5-机箱； 6-混光器。

【具体实施方式】

实施例 1

如图 1所示， 本实施例公开了一种光谱仪， 包括光束分离器 1、 5个带通滤 色片 3、 5个阵列光谱仪 2、 控制中心 4和机箱 5; 光束分离器 1、 带通滤色片 3 和阵列光谱仪 2均设置在机箱 5内。

光束分离器 1为 "一拖五"分叉光纤， 包括一个光输入端口 1-1、 5个光输 出端口 1-2; 待测光线的波段为 380nm-780nm， 各个阵列光谱仪 2的测量波段分 别为 380nm-460nm、460nm-540nm、540nm-620nm、620nm-700nm和 700nm-780nm， 上述各个阵列光谱仪 2的导通波段首位交叠且覆盖整个待测波段；� �个带通滤色 片 3的导通波段略大于其对应的阵列光谱仪 2的测量波段，其导通波段也依次为 360nm-480nm 440nm-560nm、 520nm-620nm、 620nm-700nm禾卩 700nm-780nm。 测试时， 阵列光谱仪 2接收经各个带通滤色片 3滤光后的光输出端口 1-2发出的 光束， 5个阵列光谱仪 2分别测量 380nm-460nm、 460nm-540nm、 540nm-620nm、 620nm-700nm和 700nm-780nm波段的光谱功率分布。

本实施例还包括控制和整合各个阵列光谱仪 2测量结果的控制中心 4， 控制 中心 4与各个阵列光谱仪 2均电连接。各个阵列光谱仪 2测量结束后， 将各自测 得的结果传输到控制中心 4上， 整合为整个待测波段的相对光谱功率分布。

该实施例通过一次测量，即可得到整个待测波 段的测量，可大幅降低杂散光， 波长细分程度高， 具有测量速度快、 准确度高且操作方便。

实施例 2

如图 2所示， 与实施例 1不同的是， 本实施例的光束分离器 1为分光半透半 反镜组， 光束从光输出端口 1-1输入， 分光半透半反镜组包括三个分光棱镜， 每 个棱镜上分别有一个光输出端口 1-2; 每个光输出端口 1-2分别设置一个阵列光 谱仪 2， 且每个阵列光谱仪 2前均设置一个带通滤色片 3。

本实施例中，各个带通滤色片 3与各个阵列光谱仪 2—一对应， 各个带通滤 色片 3的导通波段等于其对应的阵列光谱仪 2的测量波段。 待测波段为

380nm-780nm,三个阵列光谱仪 2的测量波段分别为 380nm-500nm、500nm-620nm 和 620nm-780nm， 各个带通滤色片 3的导通波段也依次为 380nm-500nm、 500nm-620nm和 620nm-780nm。

此外， 本实施例中的阵列光谱仪 2包括入射狭缝、 闪耀光栅和阵列探测器， 光栅的一级闪耀波长处于对应的阵列光谱仪 2的测量波段内，被测光源经带通滤 色片滤光后，透过的光线的单槽衍射零级主极 大正好落在闪耀波长的一级谱线上， 即一级谱线的光强度最强， 其它级谱线的光强都很弱， 从而保证了阵列光谱仪 2 内部的杂散光较小， 信噪比大幅增加， 波长能量利用率大幅提升。

实施例 3

如图 3所示， 与实施例 1不同的是， 包括混光器 6， 该混光器 6为积分球， 设置在光输出端口 1-2之前的光路上， 被测光线经到混光器 6中充分混光， 然后 经各个带通滤色片 3滤光后进入对应的阵列光谱仪 2中分析测量。