專利名稱：一種光譜儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光譜輻射測試領域，尤其是涉及一種能夠將 光電倍增管的絕對靈敏度在大動態(tài)范圍內(nèi)進行校正的光譜儀。
背景技術：
光譜儀測量光譜輻射的原理一般為被測入射光照射在單色 儀的入射狹縫中，單色儀將被測光分成在一定波長范圍內(nèi)的單色 光后，讓一定帶寬內(nèi)的單色光從出射狹縫依次射出并照射到光電 傳感器件上，光電傳感器件所產(chǎn)生的信號與照射在其上的光線的 強度成正比。此信號與已知光譜功率分布的標準光源的信號相比 較，便可得到被測光的光譜功率分布。由于光譜儀可以用來測量 光的光譜功率分布，因此，被廣泛應用于顏色測量、元素鑒定、 化學分析等領域。
光譜儀中的光電傳感器件一般為光電倍增管(PMT)，它具有 低噪聲、高靈敏度、快速響應等優(yōu)點，非常適合作為光譜儀中的 光電傳感器件。但是，光電倍增管對溫度的影響比較敏感，其穩(wěn) 定性較差，并且負高壓電源的不穩(wěn)定也會造成光電倍增管響應的 不穩(wěn)定；另外，在實際使用中光電倍增管的絕對靈敏度(即信號 與光線強度的比值)存在非線性的問題，絕對靈敏度會隨入射光 強度變化而變化，信號不與光線強度成嚴格正比關系，這些都會 給光譜輻射測量帶來誤差。
為了提高光譜儀的測量精度，人們進行了長期的探索，提出 了各種各樣的實施方案。例如，美國專利文獻公開了一種提高光 電倍增管穩(wěn)定性的方法及其實施裝置〔U.S. Pat. No. 5,079,424〕， 該方案在光電倍增管旁邊設置了一個發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)
出恒定的參考光照射在光電倍增管上，用以調(diào)節(jié)光電倍增管靈敏 度使其穩(wěn)定。該方案提高了光電倍增管的工作穩(wěn)定性，但是由于 其采用的基準是恒定的，因而無法解決光電倍增管響應非線性的 問題，也無法實現(xiàn)大的動態(tài)測量范圍。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種設計合理，結 構簡單，能夠有效提高工作穩(wěn)定性，對光電倍增管的絕對靈敏度 進行線性校正，進而提升測量準確度，實現(xiàn)大動態(tài)測量范圍的光
譜儀；解決了現(xiàn)有技術中所存在的光電倍增管響應不穩(wěn)定、絕對 靈敏度存在非線性、動態(tài)范圍小，測量精確度差等技術問題。
為達到上述目的，本實用新型采用了下列技術方案本光譜 儀，包括一個用于將被測光線分成單色光的單色儀， 一個用于接 收單色光的光電倍增管，單色儀與光電倍增管光學連接，所述的 光電倍增管通過一個信號處理電路與微控制器電連接，其特征在 于，它還包括一個用于產(chǎn)生參考光的參考光源，參考光源與微控 制器相聯(lián)，且所述的參考光源為發(fā)光二極管。
發(fā)光二極管是一種基于PN結的半導體器件，是一種寬禁帶量 子發(fā)光器件，其優(yōu)點在于光譜功率分布比較狹窄，是一種準單 色光， 一般光電傳感器件的光譜靈敏度在發(fā)光二極管發(fā)射光譜范 圍內(nèi)都相對比較平坦；發(fā)光二極管的光輸出功率與其驅動電流具 有較好的線性關系，大功率的發(fā)光二極管可實現(xiàn)較大動態(tài)范圍的 光輸出；隨著光輸出功率的變化，在結溫控制的條件下發(fā)光二極 管的相對光譜功率分布基本不變；并且只要驅動電流穩(wěn)定，發(fā)光 二極管的光輸出能保持非常穩(wěn)定。這些特性都是其他光源無法比 擬的，因此在這里發(fā)光二極管是理想的參考光源，可大大減少校 正過程中的系統(tǒng)誤差。
在上述的光譜儀中，在上述的光譜儀中，還包括一個用于接
收參考光的參考探測器，參考探測器與所述的參考光源光學連接， 所述的參考探測器為硅光電二極管。在工作時，參考探測器的信 號通過一信號處理電路處理和轉換后傳送到微控制器。
硅光電二極管是一種基于PN結的半導體感光器件，其靈敏度 一般比光電倍增管小，而單色儀的出射光的強度一般較弱，因此 一般情況下硅光電二極管難以替代光電倍增管作為光譜儀的光電 傳感器件。但硅光電二極管具有非常低的溫度敏感性(好的硅光 電二極管可達到約0. 1%/°C)和長期穩(wěn)定性(好的硅光電二極管 可達到<1%/年)，并且具有大跨度范圍內(nèi)良好的線性響應(好的 硅光電二極管可達到7個數(shù)量級范圍內(nèi)線性〈0. 2%)，因此在這里 也可以使用硅光電二極管作為一個理想的參考探測器。將恒溫控 制的硅光電二極管作為光量子比例接收參考探測器，配合大范圍 光功率輸出的大功率發(fā)光二極管，可實現(xiàn)對光電倍增管絕對靈敏 度在大跨度動態(tài)范圍內(nèi)的精確校正。
上述的光譜儀可由兩種方案實現(xiàn)(1)不設置參考探測器， 參考光源的參考光強度通過其工作電路的電流等電參數(shù)獲得； (2)設置參考探測器，參考光源的參考光強度通過參考探測器測 量得到。
在上述的光譜儀中，在單色儀的入射狹縫前活動設有一個用 以改變?nèi)肷涔夂蛥⒖脊夥较虻墓鈱W鏡片，該光學鏡片的一面為反 射鏡。光學鏡片可移到入射光和參考光的光路中間，使入射光不 進入單色儀的入射狹縫，而參考光通過光學鏡片的反射面反射進 單色儀的入射狹縫，也可移離入射光和參考光的光路，使入射光 直接入射進單色儀的入射狹縫而參考光不進入單色儀的入射狹 縫。光學鏡片的移動由可以由電機實現(xiàn)，并受微控制器控制。
作為另一種方案，在上述的光譜儀中，在單色儀的入射狹縫 前固定設置有一個用以改變光源入射光和參考光方向的光學鏡 片，該光學鏡片為半透半反鏡，并且在光源前面設置一個用以阻 擋或通過入射光的快門。當快門打開時入射光通過光學鏡片透射 入單色儀的入射狹縫中，快門關閉時入射光被阻擋，而參考光的 一部分則通過光學鏡片反射入單色儀的入射狹縫中。
在上述的光譜儀中，所述的參考探測器和參考光源分別安裝 在兩個控溫器內(nèi)，所述的控溫器都包括半導體制冷器。控溫器是 為了保證參考探測器和參考光源能夠在恒溫狀態(tài)下穩(wěn)定工作，消 除溫度變化帶來的誤差。
在上述的光譜儀中，所述的參考光源和微控制器之間連接有 一個可調(diào)節(jié)參考光源光線強度的驅動控制電路。在工作時，驅動 控制電路提供給參考光源以穩(wěn)定驅動電流，微控制器可以控、制驅 動控制電路工作，通過驅動控制電路來調(diào)節(jié)參考光源的驅動電流 大小，以實現(xiàn)其輸出光線強度的調(diào)節(jié)。
與現(xiàn)有的技術相比，本光譜儀的優(yōu)點在于l.設計合理，結 構簡單，測量動態(tài)范圍大；2.由于對光電倍增管的絕對靈敏度進 行了合理的校正，儀器的響應線性好；3.對參考探測器、參考光 源和光電倍增管都進行了恒溫控制，有效提高了其工作穩(wěn)定性； 4.在少量增加成本的條件下實現(xiàn)了光譜儀性能的大幅度提高。


圖1是本實用新型提供的實施例1的結構框圖。
圖2是本實用新型提供的一種驅動控制電路結構示意圖。
圖3是本實用新型提供的一種與光電倍增管連接的信號處理
電路的結構示意圖。
圖4是本實用新型提供的實施例2的結構框圖。
圖5是本實用新型提供的一種與參考探測器連接的信號處理
電路的結構示意圖。
圖中，光譜儀100、光學鏡片10、單色儀1、控溫器11、快
門12、電腦20、光電倍增管2、陽極2m、信號處理電路3、放大
器3a、 A/D轉換器3b、電阻3c、微控制器4、參考光源5、參考 探測器6、控溫器7、驅動控制電路8、 D/A轉換器8a、放大器8b、 電阻8c、晶體管8d、信號處理電路9、放大器9a、 A/D轉換器9b、 電阻9c。
具體實施方式實施例1:
如圖1所示，本光譜儀由單色儀1、光電倍增管2、信號處理 電路3、微控制器4和參考光源5等部件組成。圖中虛線部分為 光譜儀100的結構。單色儀1將由入射狹縫導入的待測光分為單 色光，光電倍增管2感應單色儀1出射的單色光以測量待測光的 光譜功率分布，光電倍增管2通過信號處理電路3與微控制器4 電連接，參考光源5可發(fā)出參考光照射進單色儀1的入射狹縫。
本實用新型具體包括一個用于將被測光線分成單色光的單色 儀1， 一個用于接收單色光的光電倍增管2，其電信號通過一個信 號處理電路3傳送給微控制器4。它還包括一個用于產(chǎn)生參考光 的參考光源5，參考光源5通過一個可調(diào)節(jié)光線強度的驅動控制 電路8與微控制器4電連接。 一個光學鏡片10安裝在單色儀1 的入射狹縫前，光學鏡片10的一面為反射鏡，它由電機控制可在 兩個位置間移動當光學鏡片10移到入射光和參考光的光路中 間，入射光不進入單色儀1的入射狹縫，而參考光反射進單色儀 l的入射狹縫；當光學鏡片IO移離入射光和參考光的光路，入射 光直接入射進單色儀1的入射狹縫而參考光不進入單色儀1的入 射狹縫。入射光或參考光進入單色儀1的入射狹縫后，經(jīng)單色儀 l分光后成為單色光，由單色儀1的出射狹縫射出并照射在光電 倍增管2的受光面上，光電倍增管2為普通的側窗式光電倍增管。
更具體地說，參考光源5為發(fā)光二極管。發(fā)光二極管安裝在 單色儀l的入射狹縫旁邊，它通過一個可調(diào)節(jié)光線強度的驅動控
制電路8與微控制器4電連接。驅動控制電路8提供給發(fā)光二極 管以穩(wěn)定驅動電流，并能調(diào)節(jié)電流的大小以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管輸出 光線強度的大小，調(diào)節(jié)功能經(jīng)導線由微控制器4控制。信號處理 電路3實現(xiàn)對光電倍增管2信號的調(diào)理和轉換，并將其傳送至微 控制器4。微控制器4可由一般的單片機實現(xiàn)，它通過導線控制 單色儀1的掃描；通過導線控制驅動控制電路8的電流調(diào)節(jié)功能； 通過信號處理電路3接收光電倍增管2所發(fā)出的信號；通過控制 電機控制光學鏡片10的移動；并通過RS232數(shù)據(jù)線接受電腦20 的命令和向電腦20輸出數(shù)據(jù)。參考光源5安裝在一個控溫器11 內(nèi)，控溫器11保持參考光源5溫度恒定，控溫器ll的主體是一 個保溫箱，并裝有一個半導體制冷器實現(xiàn)溫度的控制。
如圖1和圖2所示，參考光源5通過一個可調(diào)節(jié)光線強度的 驅動控制電路8與微控制器4電連接，驅動控制電路8為圖2中 的虛線部分。驅動控制電路8包括D/A轉換器8a、放大器8b、電 阻8c和晶體管8d， D/A轉換器8a的輸入端與微控制器4相連， 放大器8b的一個輸入端與D/A轉換器8a的輸出端相連，其輸出 端與晶體管8d的基極相連，晶體管8d的另兩端分別與電源和發(fā) 光二極管(即參考光源5)的正極相連，發(fā)光二極管的負極分別 與電阻8c和放大器8b的另一輸入端相連。工作時，微控制器4 通過導線將數(shù)字調(diào)節(jié)信號傳至D/A轉換器8a并轉換為模擬電壓信 號，后續(xù)電路給發(fā)光二極管(即參考光源5)提供驅動電流，并且 驅動電流大小與模擬電壓信號大小成正比，微控制器4通過改變 數(shù)字調(diào)節(jié)信號，從而實現(xiàn)參考光光線強度的調(diào)節(jié)。
如圖1和圖3所示，光電倍增管2通過一個信號處理電路3 與微控制器4電連接，信號處理電路3為圖3中的虛線部分。信 號處理電路3包括放大器3a、 A/D轉換器3b和電阻3c,放大器 3a的一個輸入端與光電倍增管2的陽極2m相連，另一個輸入端 接地，電阻3c的一端接在放大器3a的一個輸入端，另一端接在
放大器3a的輸出端，放大器3a的輸出端同時與A/D轉換器3b 的輸入端相連，A/D轉換器3b的輸出端與微控制器4相連。光電 倍增管2輸出的光電流信號經(jīng)放大器3a和電阻3c轉換放大，通 過A/D轉換器3b轉換為數(shù)字信號后由導線傳至微控制器4。
上述的光譜儀是通過下述的校正方法來實現(xiàn)校正的，該方法 包括下述步驟
a. 用標準光源校準光譜儀時，將光學鏡片移離入射光和參考 光的光路，光譜儀對標準光源進行光譜掃描，記錄光電倍增管對 標準光源的響應信號LGO，之后將光學鏡片移到入射光和參考 光的光路中間，將光譜儀掃描到某特定波長處，點亮參考光源并
調(diào)節(jié)其輸出光線強度，使光電倍增管對參考光的信號ipMT一S一LED與
La)的最大值相當，記錄此時參考光源的驅動電流i，—s;
b. 光譜儀測試待測光源時，將光學鏡片移離入射光和參考光
的光路，光譜儀對待測光源進行光譜掃描，記錄光電倍增管對待
測光源的響應信號itOO，之后將光學鏡片移到入射光和參考光
的光路中間，將光譜儀掃描到某特定波長處，點亮參考光源并調(diào) 節(jié)其輸出光線強度，使光電倍增管對參考光的信號iPMT_t—led與ita)
的最大值相當，記錄此時參考光源的驅動電流iLED_t;
得到的，其中，A為校正系數(shù)，且"i^^.，， PtOO為校正后
的待測光源光譜功率分布，Psa)為標準光源的已知光譜功率分 布。
上述的參考光源為發(fā)光二極管，特定波長為發(fā)光二極管的峰
值波長；并且在上述步驟a中，iPMT—s—led與LOO的最大值相差不
大于io%，在上述步驟b中，iPMT—t，與ita)的最大值相差不大于
10%。
c.校正后的精確測量結果是通過公式
實施例2:
如圖4所示，該光譜儀的另一種實施方式是在上述光譜儀 結構的基礎上增加一個用以接收參考光的參考探測器6，其位置
設置在參考光源5的對面，參考光源5發(fā)出參考光可分別照射在 參考探測器6上和單色儀1入射狹縫處，參考探測器6對參考光
的響應信號大小與參考光強度大小成正比，將此信號作為參考信
號(替代參考光源的驅動電流)，結合光電倍增管2對參考光的響 應信號，對光電倍增管2的絕對靈敏度進行校正。
更具體的說，參考探測器6為硅光電二極管，其電信號通過 一個信號處理電路9傳送給微控制器4，信號處理電路9實現(xiàn)對 參考探測器6信號的調(diào)理和轉換，并傳送給微控制器4。參考探 測器6安裝在一個控溫器7內(nèi)，控溫器7保持參考探測器6溫度 恒定。單色儀1的入射狹縫前固定設置有一個用以改變光源入射 光和參考光方向的光學鏡片10，光學鏡片IO為半透半反鏡，并 且在光源前面設置一個用以阻擋或通過入射光的快門12。當快門 12打開時入射光通過光學鏡片IO透射入單色儀1的入射狹縫中， 快門12關閉時入射光被阻擋。參考光的一部分可通過光學鏡片 10反射入單色儀的入射狹縫中，也可通過光學鏡片IO透射到參 考探測器6上。參考探測器6完成對參考光強度的監(jiān)控。
如圖4和圖5所示，參考探測器6通過另一個信號處理電路 9與微控制器4電連接，信號處理電路9為圖4中的虛線部分。 信號處理電路9包括放大器9a、 A/D轉換器9b和電阻9c,硅光 電二極管(即參考探測器6)的兩端分別接在放大器9a的兩輸入 端，并且其中一個輸入端接地，電阻9c的一端接在放大器9a的 一個輸入端，另一端接在放大器9a的輸出端，放大器9a的輸出 端同時與A/D轉換器9b的輸入端相連，A/D轉換器9b的輸出端 與微控制器4相連。硅光電二極管輸出的光電流信號經(jīng)放大器9a和電阻9c轉換放大，通過A/D轉換器9b轉換為數(shù)字信號后由導
線傳至微控制器4。
該方案其余部分均與實施例l類同，本文不再作贅述。 采用該實施方式的光譜儀是通過下述的校正方法來實現(xiàn)校正
的，該方法包括下述步驟
a. 用標準光源校準光譜儀時，打開快門，光譜儀對標準光源 進行光譜掃描，記錄光電倍增管對標準光源的響應信號LOO， 關閉快門，將光譜儀掃描到某特定波長處，點亮參考光源并調(diào)節(jié) 其輸出光線強度，使光電倍增管對參考光的信號iPMT s—，與L(入) 的最大值相當，記錄此時參考探測器對參考光的響應信號iPD_s_LED;
b. 光譜儀測試待測光源時，打開快門，光譜儀對待測光源進 行光譜掃描，記錄光電倍增管對待測光源的響應信號ItOO，關 閉快門，將光譜儀掃描到該特定波長處，點亮參考光源并調(diào)節(jié)其
輸出光線強度，使光電倍增管對參考光的信號iPMT—t一!^D與It(入)的
最大值相當，記錄此時參考探測器對參考光的響應信號ipD一"ED;
c. 校正后的精確測量結果是通過公式 <formula>formula see original document page 11</formula>計算 得到的，其中，A為校正系數(shù)，且
<formula>formula see original document page 11</formula>
， Pt(入)為校正
/PMT—t—LED /PD—s—LED
后的待測光源光譜功率分布，Psa)為標準光源的已知光譜功率分 布。
上述的參考光源為發(fā)光二極管，參考探測器為硅光電二極管，
特定波長為發(fā)光二極管的峰值波長；并且在上述步驟a中，iPMT—SjED
與IsOO的最大值相差不大于10%，在上述步驟b中，iPMT—t二ED與
La)的最大值相差不大于10%。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例 說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體 實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的范 圍。
盡管本文較多地使用了光譜儀100、光學鏡片10、單色儀1、 控溫器11、快門12、電腦20、光電倍增管2、陽極2m、信號處 理電路3、放大器3a、 A/D轉換器3b、電阻3c、微控制器4、參 考光源5、參考探測器6、控溫器7、驅動控制電路8、 D/A轉換 器8a、放大器8b、電阻8c、晶體管8d、信號處理電路9、放大 器9a、 A/D轉換器9b、電阻9c等術語，但并不排除使用其它術 語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實 用新型的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用 新型精神相違背的。
權利要求1.一種光譜儀，包括一個用于將被測光線分成單色光的單色儀(1)，一個用于接收單色光的光電倍增管(2)，單色儀(1)與光電倍增管(2)光學連接，所述的光電倍增管(2)通過一個信號處理電路(3)與微控制器(4)電連接，其特征在于，它還包括一個用于產(chǎn)生參考光的參考光源(5)，參考光源(5)與微控制器(4)相聯(lián)，且所述的參考光源(5)為發(fā)光二極管。
2. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，它還包括一 個與參考光源(5)光學連接的參考探測器(6)，參考探測器(6) 通過信號處理電路(9)與微控制器(4)電連接，并且所述的參 考探測器(6)為硅光電二極管。
3. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，所述的參考 光源(5)與微控制器(4)電連接。
4. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，在單色儀(l) 的入射狹縫前活動設有一個用以改變?nèi)肷涔夂蛥⒖脊夥较虻墓鈱W 鏡片(10)，該光學鏡片(10)的一面為反射鏡。
5. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，在單色儀(l) 的入射狹縫前固定設置有一個用以改變光源入射光和參考光方向 的光學鏡片(10)，該光學鏡片(10)為半透半反鏡，并且在光源 前面設置一個用以阻擋或通過入射光快門(12)。
6. 根據(jù)權利要求2所述的光譜儀，其特征在于，所述的參考 探測器(6)安裝在一個用于保持溫度恒定的控溫器(7)內(nèi)，所 述的控溫器(7)包括半導體制冷器。
7. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，所述的參考 光源(5)安裝在一個用于保持溫度恒定的控溫器(11)內(nèi)，所述 的控溫器(11)包括半導體制冷器。
8. 根據(jù)權利要求1所述的光譜儀，其特征在于，所述的參考 光源(5)和微控制器(4)之間連接有一個可調(diào)節(jié)參考光源(5) 光線強度的驅動控制電路(8)。
專利摘要本實用新型涉及一種光譜儀。包括一個用于將被測光線分成單色光的單色儀，一個用于接收單色光的光電倍增管，單色儀與光電倍增管光學連接，所述的光電倍增管通過一個信號處理電路與微控制器電連接，其特征在于，它還包括一個用于產(chǎn)生參考光的參考光源，參考光源與微控制器相聯(lián)，且所述的參考光源為發(fā)光二極管。與現(xiàn)有的技術相比，本光譜儀的優(yōu)點在于1.設計合理，結構簡單，測量動態(tài)范圍大；2.由于對光電倍增管的絕對靈敏度進行了合理的校正，儀器的響應線性好；3.對參考探測器、參考光源和光電倍增管都進行了恒溫控制，有效提高了其工作穩(wěn)定性；4.在少量增加成本的條件下實現(xiàn)了光譜儀性能的大幅度提高。
文檔編號G01J3/28GK201069388SQ20072011254
公開日2008年6月4日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權日2007年7月24日
發(fā)明者沈海平, 潘建根 申請人:杭州遠方光電信息有限公司