一種主動式大氣光譜快速獲取系統的製作方法

2023-12-11 20:33:52 1

專利名稱：一種主動式大氣光譜快速獲取系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學電子器件技術領域，具體涉及一種主動式大氣光譜快速獲取系統。
背景技術：
人類社會的發展對環境產生日益惡劣的影響，環境汙染已威脅到人類生存和生態 平衡，酸雨、臭氧層破壞、溫室效應成為全球性三大環境問題。各種汙染氣體如氮、硫的氧化 物(N0X、SOx)等氣體導致酸雨；氯氟烴類氣體造成臭氧層破壞；CO2則是產生溫室效應的重 要因素；工業生產過程中產生的各種重金屬廢料導致氣體和水體汙染。對環境汙染氣體進 行快速、便捷、準確的監測和有效的控制是非常重要的，本發明旨在為我們控制環境汙染、 改善生存環境提供有力的檢測工具。在很多環境監控場合，需要及時獲取大氣環境的信息，因此要對大氣環境進行實 時監控。普通光譜儀無法在短的時間內獲得實時大氣光譜。主要原因是，在傳統的光譜儀 中，通常採用機械轉動裝置連續地旋轉光柵或稜鏡色散器件對波長進行精細掃描並實現高 分辨的光譜測量。由於存在機械移動裝置，光譜獲取速度有限，因此無法用在快速過程的光 譜測量上。本發明通過採用一個由多個子光柵組成的特殊光柵裝置，研製一種高解析度的 CCD光譜儀，無任何機械位移部件就可將色散光譜圖像摺疊數次，在小於100毫秒的時間內 獲得可見光及紅外波段範圍的光譜。本發明基於多光柵CCD光譜儀的工作基礎，並將這種 快速光譜獲取技術應用到環境科學領域，用於監控大氣光譜的變化。

發明內容
本發明的目的在於提出一種主動式大氣光譜快速獲取系統。本發明提出的這種主動式大氣光譜快速獲取系統，包括依次連接的如下部件直 流脈衝高壓源、大氣樣品電離室、聚焦系統、光譜儀、計算機系統，其結構如圖1所示。本發明中，大氣樣品電離室採用金屬針尖端放電方式電離大氣分子，使之躍遷至 激發態，當受激發的分子、原子或離子再躍遷回低能態，從而產生各自特徵的發光光譜。電離室發出的光近似為線光源，其線長可通過調節金屬針尖間距而從1到5mm變 化，所發光線被聚焦系統會聚到光譜儀上的可調狹縫上。該可調狹縫的寬度為0-2mm可調。光譜儀由平面反射鏡Ml、柱形凹面鏡M2、光柵陳列G、組合式柱面反射鏡M3和探測 器D經光路連接組成。光透過狹縫後，經反射鏡Ml反射到柱形凹面鏡M2上，狹縫到柱形凹 面鏡的距離等於柱形凹面鏡M2的焦距f1;因而從柱形凹面鏡M2出射的光為準平行光。這 束準平行光以一定角度入射到光柵陣列G上。在本發明中，光柵陣列G由η塊條形子光柵 組成，各條形子光柵垂直排列，每個子光柵覆蓋不同的波段。設每塊條形子光柵的槽間距為 d，(也可採用不同d的槽間距)，對於一級衍射光，不同波長對應的衍射角分布為Δλ1= λ 2-λ J = d(sin θ 2-sin θ 工)Δ λ 2 = λ 3-λ 2 = d(sin θ 3-sin θ 2)
...... Δλη= λη+1-λη = d(sinen+1-sinen)因此，將η塊子光柵按η個波長區Δ X1, Δ λ2……Δ λ η沿垂直於入射面的y方 向排列，調整每塊光柵的法線方向，使得與每個波長區對應，每塊光柵在入射面內(X方向) 具有相同的衍射張角範圍，即Δ Q1(AX1) = Δ θ 2 ( Δ λ 2) ........ Δ θ η(Δ λη)式中Δ θ = θ 2- θ 工=θ 3- θ 2 ........ θ η+1- θ η入射光經η塊子光柵衍射，在與入射面垂直方向，可形成η個子波長首尾相連的波 長區，構成覆蓋X1至λ n+1波長的全波長區。η—般為1 10的整數。光柵的正一級衍射光經組合式柱面鏡Μ3會聚在其成像焦平面上。組合式柱面鏡 Μ3由η塊獨立的子柱面鏡組成，Μ3是一個焦距為f3的柱面反射鏡，使從光柵陣列G衍射出 的光沿橫向聚集。f3根據實際需要確定。探測器D由η個線陣探測器或面陣探測器CCD組 成，置於M3的焦面上。經過η個光柵的衍射光分別被2維面陣列CXD探測器或η個條形線 陣列探測器不同區域的像素接收。另外，在光柵陣列G的各子光柵或柱面反射鏡Μ3的各子柱面反射鏡前設置相應的 濾色片，將次數111 > 2的高次衍射光濾去。由探測器D檢測到光譜後，由計算機系統的數據採集卡採集，再送入計算機系統 進行分析處理，由計算機輸出大氣放電光譜結果。本發明由於在全光譜測量中無任何光學部件的機械位移，可實現光譜的高速和高 解析度測量。光譜檢測速度僅受線陣探測器或面陣探測器CCD的響應速度以及後繼數據傳 輸和處理速度的限制。具有14-16bit數據動態範圍的全光譜測量速度可快於0.01秒。在 實現全光譜快速檢測的同時，光譜解析度受到探測器像素密度，焦距和波長分區數的限制。 在本實施方案中，光譜的最高解析度可達0. 08nm。採用本設計方法，結合採用更長焦距光學 系統，更高密度的線陣和面陣探測器，以及採用更多子光柵作波長分區，可獲得更高的光譜 解析度。


圖1為本發明的主動式大氣光譜快速獲取系統結構圖示。圖2為直流脈衝電壓源的觸發電路圖。圖中標號1為直流脈衝高壓源，2為大氣樣品電離室，3為聚焦系統，4為光譜儀， 5為計算機系統，6為可調狹縫，7為數據採集卡，8為輸出大氣放電光譜結果。
具體實施例方式根據圖1，直流脈衝電壓源經觸發後產生脈衝高壓加在電離室中的金屬針上，並將 電離室中的氣體樣品電離而發光，由氣體樣品電離室出射的光經透鏡系統聚焦後，通過寬 度為0-2mm可調狹縫入射，被平面反射鏡Ml反射到柱形凹面鏡M2後成為平行光，入射到由 多光柵組成的複合光柵G上，調節各子光柵的方位角，使各子衍射光譜區落在相同的衍射 張角內，被反射至組合式柱面鏡M3，在入射面內沿波長分布方向對光譜線進行聚焦，成像在相應的組合式多線陣探測器D或面陣探測器CCD的受光面上，組合式柱面鏡M3的作用是分 別對各子光譜區的光強在垂直入射面的方向聚焦，使得各子光譜區的光信號更有效地被相 對應的線陣探測器(或面陣探測器)接收。圖2中，D1、D2為二極體，Kl為總開關，K2為觸發開關，C為電容，Z為變壓器，R為 電阻。下面通過實施例進一步描述本發明。在本例中，直流脈衝電壓源的觸發電路的主要元件參數為，電容C(450V，200yF) 電阻R (100 Ω )，變壓器Z (300V 4000V)。輸入電壓為220V, 50Hz。電離發光近似為線光源，其線長約為1到2mm，所發光線被聚焦系統會聚到一狹縫 上。狹縫是寬度為0-2mm的可調狹縫Si。光線通過狹縫之後再經平面反射鏡Ml反射到柱形凹面鏡M2上，狹縫到柱形凹面 鏡的距離等於凹面鏡的焦距500mm，因而從凹面鏡M2出射的光為準平行光。這束準平行光 以一定角度入射到光柵陣列G上。光柵陣列G包括5塊600線/mm光柵(也可按應用要 求選取其他槽間距密度光柵和更多的光柵數)，每塊光柵的尺寸為20 X 100mm，光柵柵線與 短邊平行，組合成的有效光柵面積為lOOXlOOmm。將5塊光柵沿與入射面垂直的y方向排 列，調整各光柵方位角，使得在同一衍射張角內，各子波長區的波長分布不同，但波長首尾 銜接，構成完整的波長區。光柵的正一級衍射光經五塊獨立的雙柱面鏡匯聚，使其在探測器D的成像面上成 像。雙柱面鏡具有兩個焦距，分別為500mm(水平方向)和IOOOmm(垂直方向)，水平方向的 焦距500mm也可稱為光譜儀的焦長。在設計時，雙柱面鏡的兩個焦距並不相等，這樣做是為 了使探測器上所成的像有一定的高度，讓譜線容易落在線性探測器探測陣列上，整個系統 更加穩定，同時也能充分利用探測器像素的有效面積。該光譜儀的色散特性約為3. Onm/mm,在探測器所在光譜成像的平面位置，沿波長 分布方向(χ方向)的總探測覆蓋尺寸約為60. 0mm。採用5個InGaAs線陣探測器，每個探 測器包含512個像素，波長工作區為700-1700nm，每個像素的尺寸為0. 024(H) X0. 080 (V) mm，構成的探測面約為12. 3 (H) X0.08 (V)mm，其中，H表示為水平(χ)方向，V為垂直(y)方 向。5個探測器採集到的子光譜區連成完整的光譜，其在波長方向上的有效測量區域實際 上含有2560個像素，與InGaAs器件的光電轉換波長區相對應，能夠覆蓋1450-1650nm波 長範圍。這五個準單色光波長區的分布分別為1450-1490nm，1490_1530nm，1530_1570nm， 1570-1610nm和1610_1650nm。每塊子光柵的工作光譜區為40納米，與每組有512像素的 InGaAs線陣探測器相對應，每個像素所對應的波長解析度為0. OSnm0不同波長區之間留有 一定的交疊空間，可通過軟體對波長進行定標和校正。最後由探測器獲得的光信號被轉換 為電信號並由數據採集卡送到計算機內進行數據處理。在本發明的設計當中，數據由計算機自動採集、分析和計算，並最終獲得光譜圖。系統實現了大氣光譜快速測量的目標。可用於環保、氣象等領域。光譜範圍可擴展到包括 紫外、可見和紅外波段的寬廣光譜範圍。
權利要求
一種主動式大氣光譜快速獲取系統，其特徵在於包括依次連接的如下部件直流脈衝高壓源、大氣樣品電離室、聚焦系統、光譜儀、計算機系統；其中直流脈衝高壓源為大氣樣品電離室提供高壓源，大氣樣品電離室採用金屬尖端放電方式電離大氣分子，產生各自特徵的發光光譜；電離室發出的光經過聚焦系統，會聚到光譜儀前的可調狹縫，進入光譜儀；所述光譜儀由平面反射鏡(M1)、柱形凹面鏡(M2)、光柵陳列(G)、組合式柱面反射鏡(M3)和探測器(D)經光路連接組成；光線經過平面反射鏡(M1)反射到柱形凹面鏡(M2)上，得到一束準平行光；這束準平行光射入到光柵陳列(G)上；光柵陣列(G)由n塊條形子光柵組成，各條形子光柵垂直排列，每個子光柵覆蓋不同的波段；經光柵陣列(G)衍射出的光經組合式柱面鏡(M3)會聚在其成像焦平面上；組合式柱面鏡(M3)由n塊獨立的子柱面鏡組成；探測器(D)由n個線陣探測器或面陣探測器CCD組成，置於組合式柱面鏡(M3)的焦平面上；經過n個光柵的衍射光分別被面陣列CCD探測器或n個條形線陣列探測器不同區域的像素接收；探測器(D)檢測到光譜後，由計算機系統的數據採集卡採集，再送入計算機系統進行分析處理，由計算機輸出大氣放電光譜結果。
2.根據權利要求1所述的主動式大氣光譜快速獲取系統，其特徵在於電離室發出的光 近似為線光源，其線長從廣5mm變化。
3.根據權利要求1所述的主動式大氣光譜快速獲取系統，其特徵在於可調狹縫的寬度 為(T2mm範圍內可調。
4.根據權利要求1所述的主動式大氣光譜快速獲取系統，其特徵在於在光柵陣列(G) 的各子光柵前或組合式柱面反射鏡(M3)的各子柱面反射鏡前設置有濾色片，濾去次數大 於2的高次衍射光。
全文摘要
本發明屬於光學電子器件技術領域，具體公開了一種主動式大氣光譜快速獲取系統。該系統將脈衝高壓加在電離室中的金屬針上，將氣體樣品電離而發光，光經透鏡系統聚焦後，通過可調狹縫，被平面鏡M1反射到柱形凹面鏡M2後成為平行光，再入射到由多光柵組成的複合光柵G上；調節各子光柵的方位角，使各子衍射光譜區落在相同的衍射張角內，再反射至組合式柱面鏡M3，在入射面內沿波長分布方向對光譜線進行聚焦，成像在探測器D的受光面上；最後由探測器將探測到的光信號轉換為電信號，由數據採集卡送到計算機內進行數據處理，從而快速獲得氣體樣品的發射光譜。
文檔編號G02B27/44GK101819151SQ201010153460
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月22日 優先權日2010年4月22日
發明者劉明輝, 張冬旭, 張榮君, 李晶, 楊月梅, 毛鵬輝, 王松有, 蔡清元, 鄭玉祥, 陳良堯 申請人:復旦大學