CN1541331A - 光谱测量仪 - Google Patents

Abstract

在本发明的光谱测量仪中，检测器(13)的检测表面(13a)是一个二维检测表面并且从分光镜出来的谱光照射在检测表面(13a)上的A区。在检测表面(13a)除了谱光照射的A区以外其它区的信号强度从A区的信号强度中被减去。因此有可能以这样的方式来处理检测信号以获取准确的光谱强度信号，即消除在光谱测量仪内产生的漫射光和由在检测单元表面发生的反射及衍射所产生的无用光的不利影响。

Description

光谱测量仪

技术领域

本发明涉及一种光谱测量仪，它包括一个分光镜和一个用于检测来自分光镜的谱光的检测器。

背景技术

在分光光度测定法中，在实际测量之前先测量没有发生任何光线的暗光谱。由此，通过从将光照射到一个试件所实际测量的光谱中减去暗光谱的检测信号，得到纯净的光谱。

然而，仅测量暗光谱只能补偿检测器的偏差信号。

在光发射状态中，在光谱测量仪壳内发生的不规则反射、在衍射光栅的表面发生的漫反射，在除了测量级的其它级中的光，等等的影响下，除了测量光外的其它光也射在检测元件上，它产生了改变传输光光谱整个信号电平的漫射光干扰。

为消除该无用光的不利影响，光谱测量仪壳的内部被漆成黑色，在测量光传播通道周围设置了掩蔽缝隙，等。然而，不是在10-3级或更低的数量级上强度值的所有漫射光都能由这些方法消除。

此外，检测元件的表面通常也覆有光传送窗以保护该元件。因而，来自检测元件表面的有规则的反射光投射到光传送窗的内表面后，重新到达检测元件，由此降低传输光光谱的测量精度。尤其，检测元件的表面具有周期结构，朝着某一特定方向的衍射光比其它方向更强。该衍射光线也投射到光传送窗的内表面并重新到达检测元件，固此降低了传输光光谱的测量精度。

因此，本发明的目的是提供一种光谱测量仪，它能通过处理来自检测元件的检测信号，消除在光谱测量仪内部产生的无用光的不利影响。

本发明的另一个目的是提供一种光谱测量仪，它能通过处理检测信号，消除由在检测元件的表面上发生的反射和衍射所产生的无用光的不利影响。

发明内容

本发明第一方面提供一种光谱测量仪，其特征在于：检测器具有二维检测表面；来自分光镜的谱光照射到检测表面的一部分；以及一个信号处理单元被用于通过从谱光照射的那部分上的信号强度减去检测表面上除了谱光照射的那部分以外的其它部分上的信号强度，获取排除了类漫射光的不利影响的光谱信号。

在光谱测量仪内产生的类漫射光作为背景以相对单一的方式射在检测表面的。因此，根据上述办法，通过执行减法操作，有可能获取排除了类漫射光不利影响的光谱信号。

由此，根据本发明的光谱测量仪，可以通过处理检测信号消除在光谱测量仪内产生的漫射光和由在检测元件的表面上反射和衍射所产生的无用光的不利影响，因此使之有可能获取一个准确的光谱强度信号。本发明在测量具有较宽的光谱强度范围的试样时尤其有效。

本发明第二方面在于，检测表面被提供有光传送窗，谱光最好斜对或倾斜地照射到检测表面。这是因为斜射可以避免在检测表面和光传送窗之间发生的有规则反射的不利影响。在这种情况下，由于衍射和反射而入射到检测表面上的无用光的不利影响可以通过由信号处理单元执行的信号强度的减法来消除。

根据本发明的第三方面，谱光照射的检测表面的那部分最好是一个延长的矩形。这是因为从分光镜出来的谱光通常是一个一维光谱，并且由于分光镜结构的原因，谱光在照射时形成了延长的矩形形状。

根据本发明的第四方面，在于检测表面被提供有光传送窗，谱光最好斜对或倾斜地照射到检测表面上。在这种情况下，如图8所示，入射角被定义为，在与沿一维光谱延伸的x方向垂直相交的由垂直线z和方向y所限定的平面y-z内，相对于检测表面13a上垂直向上设置的垂直线z成一个角度α。

这种斜射可以避免在检测表面和光传送窗之间发生的有规则反射的不利影响。在这种情况下，由于衍射和反射而具有方向性并射在检测表面的无用光的不利影响可以通过由信号处理单元执行的信号强度减法而消除。

根据本发明的第五方面，在检测表面上用于获取被减去信号强度的那部分表面可以位于矩形长度之外。这是因为，用矩形长度之外任何一处的信号强度，有可能通过由信号处理单元执行的信号强度减法消除具有方向性的无用光的不利影响。

根据本发明的第六方面，在检测表面上用于获取被减去信号强度的那部分表面可以位于矩形的长和宽之外。

下面的说明将依照附图，详细描述本发明的实施例。

附图说明

图1是表示光谱测量仪内部配置的平面图；

图2是光谱测量仪1中信号处理单元和类似部分的功能框图；

图3是说明从一个凹面衍射光栅12衍射的光的行为的透视图；

图4是表示一个CCD检测器13的主视图；

图5是CCD检测器13的侧面剖视图；

图6是CCD检测器13沿y方向在检测表面13a上的检测强度I的曲线；

图7是在CCD检测器13的检测表面13a被分成直射光接收区A和类漫射光接收区B时，表示一个实例图形的正视图；及

图8是在谱光相对于检测表面13a倾斜照射时，说明入射角度的一个图。

具体实施方式

图1是表示光谱测量仪1的内部配置的平面图。光谱测量仪1包括具有黑色内表面的壳11，装在壳11内的凹面衍射光栅12，和CCD检测器13。CCD检测器13的检测表面13a覆以光传送窗13b。此外，在光谱测量时，通过壳11的壁提供一个孔缝14的引入白光(下文标作测量光)用于光谱测量。数字15表示限制CCD检测器13上入射光的挡光板。

图2是光谱测量仪1中的信号处理单元和类似部分的功能框图。来自CCD检测器13的检测信号被输入到由个人计算机或类似装置组成的信号处理单元2。信号处理单元2计算排除了漫射光和类似光的不利影响后的净光谱强度。计算的方法和结果被存储在存储单元4中并反复地在显示单元3显示。

根据图1，穿过缝14的测量光照射在凹面衍射光栅12上，零级(zero-order)光、第一级(first-order)光、第二级光或更高级光由其反射和衍射。它是以这样的方式布置的，使得在各个级的所有光线中，只有第一级光到达CCD检测器13，而包括零级光、第二级或更高级光的其它级光由挡光板15所阻挡并由壳11的内壁吸收。然而，实际上，不是所有的其它级光都被吸收，而一部分未被吸收的光投射到凹面衍射光栅12，并通过在衍射光栅12的表面上发生的漫反射和不规则反射作为漫射光射在CCD检测器13上。而且，穿过缝14的测量光本身也通过在衍射光栅12的表面上发生的漫反射和不规则反射(而不是通过衍射)射在CCD检测器13上，而这种入射光也可以被认为是漫射光线。

在本发明中，作为漫射光入射在CCD检测器13上的光假定分布在CCD检测器13的检测表面13a的较宽的区域上。

图3是说明从凹面衍射光栅12衍射的光的行为的透视图。凹面衍射光栅12是一种称作平面聚焦(flat focus)的类型，并形成作为一维光谱的从给定点照射的光图像。本文中，方向x为一维光谱的方向，而方z’为向凹面衍射光栅12的中心12a延伸的方向，方向z为垂直于检测表面13a的方向，方向y为与方向x和z正交的方向。此外，方向z’相对于方向z以固定的角度α倾斜。

图4是CCD检测器13的正视图，而图5是CCD检测器13的侧剖视图。在图4中，CCD检测器13的检测表面13a在二维x-y平面上延伸。

来自凹面衍射光栅12的光在z’的方向上射在CCD检测器13上，如前面提到的，它相对于检测表面13a垂直方向z倾斜角度α。固此，如图5所示，入射光倾斜着到达检测表面13a。一部分入射光直接穿过光传送窗13b并到达检测表面13a。这个光下文称作直射光。剩余的一部分光穿过光传送窗3b但在光传送窗13b内垂复反射，并到达检测表面13a。

已到达检测表面13a的光(包括直射光)从检测表面13a有规律地反射，衍射或无规律地反射，投射到光传送窗13b的内表面，并再次到达检测表面13a。由于检测表面13a在特定方向上具有周期结构(象素矩阵)，光被衍射。投射到光传送窗13b的内表面并再次到达检测表面13a的光被称为二次入射光。

在图5中，图示说明了二次入射光，以便能与检测表面13a的直射光相区别，然而，实际上，二次入射光因下列二个原因(1)和(2)被假定分布在包括直射光接收区的较宽的区域上：

(1)因为在检测表面13a上不仅有有规律的反射，还有衍射，加上在检测表面13a上和光传送窗13b的内表面发生的不规则反射；以及

(2)因为，如图3所示，来自凹面衍射光栅12的光的入射角落在y-z平面所见的固定角度θ内。

因此，直射光是重现最精确光谱的光，象对待漫射光那样将二次入射光视为干扰是适当的。

在图4中，由虚线围绕的用大写字母A表示的部分是在检测表面13a上直射光线投射的一个区。由大写字母B所表示的画阴影的其余部分是测量漫射光和二次入射光(下文合称为类漫射光)强度的一个区。

在数值方面更具体的，比如，每个检测单元(象素)的尺寸是25um×25um。检测表面13a具有1024×128个象素，而由虚线所围绕的区A的宽度WA是20个象素宽。此外，光传送窗13b的厚度d是0.6mm，而光传送窗13b和检测表面13a之间的距离是2.3mm。

图6是在CCD检测器13的检测表面13a上沿y方向检测强度I的曲线。曲线的峰值表示直射光测量光谱的强度。横贯检测表面13a可观测到漫射光的强度I₀和二次入射光的强度I₁。

图7是在CCD检测器13的检测表面13a被分成直射光接收区A和类漫射光接收区B时，表示一个实例图形的正视图。类漫射光接收区B，由相对于直射光接收区A分别位于+y方向和-y方向的B1和B2部分以及相对于直射光接收区A分别位于+x和-x方向的B3和B4部分组成。直射光接收区A的宽度WA大约是20个象素宽，而每个类漫射光接收部分B1至B4的宽度WB大约是10个象素宽。直射光接收区A和每个类漫射光接收部分B1至B4之间的间隔大约是10个象素宽。

来自A区和B1至B4部分的信号可以通过提取在CCD检测器13的检测表面13a上连续产生的电荷借助于电荷转换来相互区分，并通过由软件操控的模似-数字转换器数字处理上述信号。

信号处理单元2(见图2)得出在类漫射光接收部分B1至B4上的平均值，并从直射光接收区A上的信号强度减去该结果，由此可以获得排除了类漫射光不利影响的净光谱信号分布。

上述说明已描述了本发明的最佳实施例。然而，应该明白，本发明不限于上述实施例。例如，上述实施例利用平面聚焦型凹面衍射光栅。然而，本发明可应用于多通道分光镜，如一个使用平面衍射光栅和环形镜的Czerny-Turner型光谱仪，一个Ebert型分光镜和其改进型，以及一个Littrow型分光镜。此外，在类漫射光接收部分B1至B4上的信号强度也在上面所述论的处理中被平均并且该结果也从在直射光接收区A的信号强度中被减去。然而，在类漫射光接收部分B1和B2上的信号强度可以被平均并且该结果从直射光接收区A上的信号强度中被减去。并且，可以在平均时分配加权值。可替换地，仅在类漫射光接收部分B1至B4中任何部分上的信号强度可以从直射光接收区A的信号强度中减去。

虽然本发明的最佳实施例已被具体描述，但这个说明是用于说明发明目的的，而且应明白可以进行更改和变型而不会脱离下列权利要求的实质和范围。

Claims (6)

1.一种光谱测量仪，包括一个分光镜和一个用于检测来自所述分光镜的谱光的检测器，其中：

所述检测器具有一个二维检测表面；

来自所述分光镜的谱光照射在所述检测表面的一部分上；以及

一个信号处理单元，被用于通过从所述的谱光照射的那部分的信号强度减去在所述检测表面上除了所述谱光照射部分以外其它部分的信号强度，获取排除了类漫射光的不利影响的光谱信号。

2.根据权利要求1所述的光谱测量仪，其中所述的检测表面被提供有一个光传送窗，以使得谱光倾斜照射到所述检测表面。

3.根据权利要求1所述的光谱测量仪，其中在谱光照射的所述检测表面上的所述部分是一个伸长的矩形。

4.根据权利要求3所述的光谱测量仪，其中所述检测表面被提供有一个光传送窗，以使得谱光倾斜照射到所述检测表面。

5.根据权利要求3或4所述的光谱测量仪，其中在所述检测表面上用于获取被减去信号强度的所述部分位于所述矩形的长度之外。

6.根据权利要求3或4所述的光谱测量仪，其中在所述检测表面上用于获取被减去信号强度的所述部分位于所述矩形的长度和宽度之外。

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