一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種應(yīng)用于光譜儀器波長(zhǎng)定標(biāo)的波長(zhǎng)定 標(biāo)儀，該波長(zhǎng)定標(biāo)儀利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)梳狀濾波器對(duì)寬光譜入射光進(jìn)行調(diào)制，獲得等間隔的梳 狀特征峰，進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜儀器是光學(xué)檢測(cè)與光學(xué)分析行業(yè)中一種重要的工具。光譜儀器的波長(zhǎng)（或波 數(shù)）的準(zhǔn)確性、分辨率、信噪比等參數(shù)指標(biāo)是衡量光譜儀器品質(zhì)的主要方面，其中，光譜儀 波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性在很大程度上影響著光譜檢測(cè)的正確性。所以在光譜儀器在出廠之前和使用 一段時(shí)間后，都需要進(jìn)行精準(zhǔn)的波長(zhǎng)定標(biāo)或校正。
[0003] 目前，波長(zhǎng)定標(biāo)的方法主要是選擇在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較多特征峰的光源，如 汞氬燈、氖燈等；或者采用具有特征吸收的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，如氧化欽溶液、欽玻璃等，獲得足夠多 的特征波長(zhǎng)數(shù)據(jù)后，采取最小二乘法多項(xiàng)式擬合等算法進(jìn)一步得到波長(zhǎng)與CCD探測(cè)器像元 或者波長(zhǎng)與波長(zhǎng)掃描機(jī)構(gòu)的參數(shù)（如絲桿位置或光柵角度等）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了提高定標(biāo) 的準(zhǔn)確性，定標(biāo)需要有足夠多的標(biāo)準(zhǔn)特征峰與CCD像元關(guān)系的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通常上述特征光源 或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的方式在有些光譜范圍特征峰數(shù)據(jù)很有限，譜峰位置分布不均勻，造成定標(biāo)精 度不夠高。有的改進(jìn)的定標(biāo)方法是利用單色儀輸出固定波長(zhǎng)的準(zhǔn)單色光，逐點(diǎn)來(lái)完成定標(biāo) 的，需要增加單色儀設(shè)備，定標(biāo)掃描等操作需要時(shí)間較長(zhǎng)。此外由于定標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)，定標(biāo)系 統(tǒng)的參數(shù)可能隨時(shí)間會(huì)有所改變，降低了光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高精度、快速的定標(biāo)儀，即采用 常規(guī)的寬光譜光源，利用光波導(dǎo)器件的濾波特性獲得一系列特征峰或谷，以一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)光譜 儀為對(duì)照，進(jìn)而對(duì)待定標(biāo)的光譜儀進(jìn)行快速定標(biāo)，應(yīng)用光波導(dǎo)濾波器對(duì)常規(guī)寬光譜光源進(jìn) 行濾波可獲得梳狀特征的光譜，該光譜具有譜峰數(shù)目多、分布均勻、峰值明顯等特點(diǎn)，梳狀 譜圖中的譜峰間距相等，間隔容易調(diào)節(jié)，利用這些譜峰來(lái)定標(biāo)，采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)多而且分布均 勻，能夠獲得更1?的定標(biāo)精度，而且具有定標(biāo)操作簡(jiǎn)單、效率1?、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能同時(shí)對(duì) 多臺(tái)儀器進(jìn)行定標(biāo)，大大降低光譜儀生產(chǎn)的成本，節(jié)約時(shí)間。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，包括光源、準(zhǔn)直透鏡、波導(dǎo)濾波器、 耦合透鏡、分光光纖、標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、待定標(biāo)光譜儀和計(jì)算機(jī)，其中：所述光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所 述準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變成平行光，然后以一定的角度入射所述波導(dǎo)濾波器，經(jīng)過(guò)所述波導(dǎo)濾 波器濾波后，從波導(dǎo)濾波器的表面或端面出射的光經(jīng)過(guò)所述耦合透鏡聚焦后耦合進(jìn)入所述 分光光纖的輸入端，所述分光光纖具有多個(gè)輸出端，其中的一個(gè)輸出端接入標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、另 外的幾個(gè)輸出端接入一臺(tái)或多臺(tái)待定標(biāo)光譜儀，獲得各個(gè)待定標(biāo)光譜儀CCD像元或波長(zhǎng)掃 描機(jī)構(gòu)的參數(shù)（或絲桿位置或光柵角度等）與波長(zhǎng)（或波數(shù)）的對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)并傳給所 述計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)處理，得出定標(biāo)參數(shù)回傳給各待定標(biāo)光譜儀作為定 標(biāo)數(shù)據(jù)寫(xiě)入定標(biāo)程序，完成快速準(zhǔn)確定標(biāo)。
[0006] 優(yōu)選地，所述的定標(biāo)儀根據(jù)待定標(biāo)光譜儀的光譜范圍和波長(zhǎng)定標(biāo)所需的數(shù)據(jù)量， 確定波導(dǎo)濾波器的材料和參數(shù)，使得波導(dǎo)濾波器在待定標(biāo)光譜儀的光譜范圍具有良好的梳 狀特性。
[0007] 優(yōu)選地，入射角變化范圍從0到45度。
[0008] 優(yōu)選地，所述的波導(dǎo)濾波器由鍍有金屬膜層的棱鏡和平板玻璃，以及設(shè)置在它們 之間的中間隔層構(gòu)成，也可以由鍍有金屬膜層的兩塊平板玻璃和設(shè)置在這兩塊平板玻璃之 間的中間隔層構(gòu)成，中間隔層的作用是在兩個(gè)金屬膜層之間形成一個(gè)平行的波導(dǎo)腔層。
[0009] 更優(yōu)選地，所述波導(dǎo)腔層的平行度小于5'。
[0010] 更優(yōu)選地，所述的波導(dǎo)腔內(nèi)可以是空氣，或者其他氣體或液體或固體物質(zhì)。
[0011] 優(yōu)選地，所述的光源為具有一定光譜帶寬的寬光譜燈源，如鹵鎢燈、氙燈、氘燈、氫 燈、LED，所述光源具體根據(jù)待定標(biāo)光譜儀的測(cè)量光譜范圍進(jìn)行選擇。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0013] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)光源或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行波長(zhǎng)定標(biāo)時(shí)因發(fā)射或吸收 峰個(gè)數(shù)少、分布不均勻等不足，只需要采用普通的連續(xù)寬光譜光源，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)濾波器獲得梳 狀特征光譜，梳狀特征光譜峰數(shù)目多、分布均勻；而且可通過(guò)改變?nèi)肷浣腔蛱畛湮镔|(zhì)改變峰 位和分布獲得足夠多均勻分布的光譜峰數(shù)據(jù)，從而提高波長(zhǎng)定標(biāo)的精度；此外，通過(guò)分光光 纖可同時(shí)進(jìn)行多臺(tái)光譜儀的波長(zhǎng)定標(biāo)，大大減少了定標(biāo)時(shí)間，提高了效率。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0015]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)、（b)、（c)分別為三種 不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)濾波器；
[0016] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的應(yīng)用波導(dǎo)濾波器的光譜儀波長(zhǎng)定標(biāo)儀系統(tǒng)構(gòu)成圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)用波導(dǎo)濾波器的光譜儀波長(zhǎng)定標(biāo)儀系統(tǒng)構(gòu)成圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的鹵鎢燈經(jīng)過(guò)波導(dǎo)濾波器前后的光譜對(duì)照?qǐng)D；
[0019] 圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的鹵鎢燈以不同入射角經(jīng)過(guò)波導(dǎo)濾波器的光譜對(duì)照?qǐng)D。
[0020] 圖中：光源1、準(zhǔn)直透鏡2、波導(dǎo)濾波器3、稱合透鏡4、分光光纖5、標(biāo)準(zhǔn)光譜儀6、待 定標(biāo)光譜儀7、計(jì)算機(jī)8。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0022] 結(jié)合圖1中（a)、（b)、（C)所示的波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)圖，本實(shí)施例的原理和技術(shù)方案 如下：
[0023] 由雙面金屬包覆結(jié)構(gòu)波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)分布函數(shù)和電磁場(chǎng)邊界條件可知，當(dāng)一束平行 光經(jīng)棱鏡或自由空間耦合進(jìn)入波導(dǎo)時(shí)，滿足一定條件的光波在波導(dǎo)層內(nèi)形成超高階導(dǎo)膜， 導(dǎo)致出射光與該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的參數(shù)及入射光波長(zhǎng)等有關(guān)，一束平行光以一定角度入射波導(dǎo) 后，反射率R與入射光入射于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的角度，稱合棱鏡、金屬覆蓋層和導(dǎo)波層的介 電常數(shù)，金屬覆蓋層的厚度，為導(dǎo)波層厚度以及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，寫(xiě)成函數(shù)關(guān)系為R= f(0，ei，e2，e3,4，d,X)，其中0為入射光入射于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面的角度，S1,e2, ￡3分 別為耦合棱鏡、金屬覆蓋層和導(dǎo)波層的介電常數(shù)，(12為金屬覆蓋層的厚度，d為導(dǎo)波層厚度， 入為入射光的波長(zhǎng)。因此通過(guò)設(shè)計(jì)這些波導(dǎo)參數(shù)，可以獲得不同反射率分布，當(dāng)選擇一定 的結(jié)構(gòu)、材料、厚度等參數(shù)制作成波導(dǎo)后，即h，e2,e3，d2，d保持不變，可以得到以相同角 度0入射的不同波長(zhǎng)的光通過(guò)該波導(dǎo)濾波器的反射率的情況，其反射譜呈現(xiàn)出梳狀結(jié)構(gòu) 特征，故稱為波導(dǎo)梳狀濾波器。
[0024] 從波導(dǎo)側(cè)面輸出的光跟從上表面反射的光一樣也具有梳狀特征。
[0025] 結(jié)合圖1中（a)進(jìn)一步說(shuō)明，采用對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)（e2=e4)，e4是波導(dǎo) 襯底的介電常數(shù)，其模式本征方程為：
[0026] k3d = m (m = 0, 1，2...) (1)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，包括光源、準(zhǔn)直透鏡、波導(dǎo)濾波器、稱合透鏡、分光光 纖、標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、待定標(biāo)光譜儀和計(jì)算機(jī)，其中：所述光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所述準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直 后變成平行光，然后以一角度e入射所述波導(dǎo)濾波器，經(jīng)過(guò)所述波導(dǎo)濾波器濾波后，從表 面或端面出射的光經(jīng)過(guò)所述耦合透鏡聚焦后耦合進(jìn)入所述分光光纖的輸入端，所述分光光 纖具有多個(gè)輸出端，其中的一個(gè)輸出端接入所述標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、另外的幾個(gè)輸出端接入一臺(tái) 或多臺(tái)所述待定標(biāo)光譜儀，獲得各待定標(biāo)光譜儀ccd像元或絲桿位置或光柵角度，與波長(zhǎng) 或波數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)并傳給所述計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)處理，得出定標(biāo) 參數(shù)回傳給各待定標(biāo)光譜儀作為定標(biāo)數(shù)據(jù)寫(xiě)入定標(biāo)程序，完成快速準(zhǔn)確定標(biāo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，所述的定標(biāo)儀根據(jù)待定標(biāo)光 譜儀的光譜范圍和波長(zhǎng)定標(biāo)所需的數(shù)據(jù)量，確定波導(dǎo)濾波器的材料和參數(shù)，使得波導(dǎo)濾波 器在待定標(biāo)光譜儀的光譜范圍具有良好的梳狀特性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，所述的波導(dǎo)濾波器由鍍有金 屬膜層的棱鏡和平板玻璃，以及設(shè)置在它們之間的中間隔層構(gòu)成，或者所述的波導(dǎo)濾波器 由鍍有金屬膜層的兩塊平板玻璃和設(shè)置在這兩塊平板玻璃之間的中間隔層構(gòu)成，中間隔層 的作用是在兩個(gè)金屬膜層之間形成一個(gè)平行的波導(dǎo)腔層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，所述的波導(dǎo)腔內(nèi)是氣體或者 液體或者固體物質(zhì)，改變波導(dǎo)層內(nèi)物質(zhì)可以改變梳狀光譜出現(xiàn)的位置和周期間隔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，所述波導(dǎo)腔層的平行度小于 5、
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，當(dāng)所述波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)參 數(shù)確定后，通過(guò)改變?nèi)肷浣莈，或者改變波導(dǎo)層內(nèi)物質(zhì)，可以改變梳狀光譜出現(xiàn)的位置和周 期間隔，在使用中僅需要改變?nèi)肷浣?或改變波導(dǎo)層內(nèi)物質(zhì)，就得到一系列不同位置分布 和周期間隔的梳狀光譜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，其特征在于，所述的光源為具有 一定帶寬的寬譜燈源，所述光源根據(jù)待定標(biāo)光譜儀的測(cè)量光譜范圍進(jìn)行選擇。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種波長(zhǎng)定標(biāo)儀，包括光源、準(zhǔn)直透鏡、波導(dǎo)濾波器、耦合透鏡、分光光纖、標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、待定標(biāo)光譜儀和計(jì)算機(jī)，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后變成平行光后以一定角度入射波導(dǎo)濾波器，經(jīng)波導(dǎo)濾波器濾波后從表面或端面出射的光經(jīng)耦合透鏡聚焦后耦合進(jìn)入分光光纖輸入端，分光光纖具有多個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸出端接入標(biāo)準(zhǔn)光譜儀、另外幾個(gè)接入一臺(tái)或多臺(tái)待定標(biāo)光譜儀；獲得的各個(gè)定標(biāo)光譜儀CCD像元或掃描機(jī)構(gòu)的參數(shù)(如絲桿位置或光柵角度等)與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)處理，得出定標(biāo)參數(shù)回傳各定標(biāo)光譜儀作為定標(biāo)數(shù)據(jù)寫(xiě)入定標(biāo)程序，完成快速準(zhǔn)確定標(biāo)。
【IPC分類(lèi)】G01J3-28
【公開(kāi)號(hào)】CN104655278
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510080470
【發(fā)明人】黃梅珍, 余鎮(zhèn)崗, 汪洋, 黃錦榮, 孫振華, 宋彪, 鄒燁
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué), 上海速迪機(jī)電有限公司
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月13日