[发明专利]用于测量移动样品材料的分光仪及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于工业、农业、野外、商业及其它类似应用的在线测 量的光学或红外(IR)分光仪。光学分光仪对于各种分析测量而言是非常有用 的。为了获得实时信息需要进行在线操作，其例如对于过程自动化和质量控制 需求而言是有用的。

更具体而言，本发明是基于被优化以用于测量在一定距离处的移动样品的 光学设计，并且本发明包括用于信号均化的光导，用于定义多个测量波长的线 性可变滤波器，以及用于探测与不同波长相关的光学信号的线性探测器阵列。

背景技术

经过最近的发展，可以得到小型分光仪模块，其基于光纤输入连接，该光 纤输入连接将光提供给摄谱仪(其中光学器件基于衍射光栅)，并将光信号递送 给用于探测的线性探测器阵列。在美国专利No.5159404中给出了这些分光仪模 块的一个例子。由于有对波长的并行探测，这些分光仪已经成为用于实时分析 测量的流行工具。然而，该技术被限制到较短的波长，在该较短的波长的情况 下，可利用合适的、高性能的线性探测器阵列(Si探测器λ＜1100nm，InGaAs 探测器λ＜1600nm)，以及在该较短的波长的情况下可利用高质量光纤(石英 λ＜2300nm)。另一方面，在较长的近红外(NIR，高达2500nm)和IR波长 (＞2500nm)处，存在大量的可利用的分析信息，当高性能且成本效率高的仪器 变得可用时，可以使用该大量的可利用的分析信息来用于实时过程控制和质量 监控。也针对较长红外波长提出了基于光纤的分光仪方案，然而，可利用的红 外光纤昂贵且在机械方面易碎。

线性可变滤波器(LVF)是另一种用于实现分光仪光学器件的方法，其可 以为基于线性探测器阵列的分光仪提供波长分离。美国专利No.5166755公开了 一种分光仪装置，其包括图像转移光学器件或者透镜系统、光闸、感光元件的 光电阵列，以及以与该阵列呈重叠关系设置的连续线性可变滤波器。线和面阵 列被呈现作为感光阵列的选择。当采用后一选择时，阵列的二维被称为波长轴 和空间轴，在该情况下，该发明可以用作用于空间应用的成像辐射计。该发明 的另一个应用是通过单独的光源照明，该单独的光源旨在用作光谱反射计。然 而，该系统不适合用于在线工业测量，其经常需要监控快速移动的非均匀材料。 在该应用中，沿波长轴的各像素将被成像在移动样品的不同的点上。用户将会 把该情形看作所测量的光谱中的显著增加的噪声。此外，该发明并没有给出一 种解决方案，其中可以使用冷却的较低噪声感光阵列，此外该冷却的较低噪声 感光阵列对于尤其是在IR波长下的高速在线应用而言可能是非常重要的。

WO01/31304公开了一种用于光谱分析的集成光学探头，其旨在用于需要 对较大样品区域(例如农产品的百分比浓度)进行光谱测量以及对诸如墙纸之 类的样品进行色度计分析的应用。该给出的装置包括：设置在第一腔室中的多 色光源，其被配置为采用大照明光斑尺寸来辐照样品；设置在第二腔室中的波 长分离器，其分离接收到的不同波长的光；以及具有宽取景孔的探测器，其也 设置在第二腔室中，并被定位以接收来自波长分离器的光，以便探测在多个所 选波长处的强度。提出线性可变滤波器以用于波长分离器，并提出线性探测器 阵列以用于探测设备。在优选实施例中，存在用于照明和探测腔室二者的单独 的窗口以实现一种结构，在该结构中，在样品测量期间，来自探测装置自身内 部的探测器无法接收来自灯的杂散光。此外，在探测腔室中，在从所辐照的样 品接收的光的路径上设置漫射器，从而确保只测量光谱信息而不对样品成像。 对于需要高空间分辨率、高测量速度以及同时存在的高信噪比的在线测量而言， 本发明不是最优的。对样品上较大区域的照明导致样品上的辐射或亮度的减小， 并最终导致较低的信噪比。在探测腔室中还存在高的光学损失，因为只有从样 品反射的光中的一小部分进入到波长分离和探测设备。使用漫射器将产生所探 测到的信号的进一步的损失，所有这些特征导致被损害的信噪比性能，尤其是 在需要高速即短的积分时间时，对于用于过程自动化目的的在线测量而言经常 是如此。