[发明专利]一种基于新型光谱采集结构的近红外光纤光谱仪

说明书

一种基于新型光谱采集结构的近红外光纤光谱仪，主要用于测量近红外波段的光谱。该光谱仪主要基于多模光纤传输过程中的模间干涉以及色散效应导致的散斑变化来解调光谱信息。在光采集部分，利用由多根单模光纤组成的光纤束来采集多模光纤出射端面的远场散斑分布，并使用光电二极管阵列完成光电转换。在光谱解析过程中，利用已经校准好的频谱到空间映射的传输矩阵与光电转换后电信号的关系，反演出待测光的光谱信息。该近红外光谱仪使用单模光纤束和光电二极管阵列采集散斑的光强分布，取代了传统近红外光谱仪使用的昂贵的线阵或面阵CCD，不仅成本低，而且响应速度更快。

技术领域

本发明涉及一种近红外波段的光谱测量设备，属于光谱检测技术，可用于光通讯、石油化工、医疗卫生、军事侦察等领域。

背景技术

光谱仪是一种重要的基础光学分析仪器，它利用物质对不同波长的辐射与吸收特性，对其进行分子结构和化学组成的分析，广泛应用于冶金、地质、石油、化工、生物医药、环境保护以及资源和水文勘探等工农业领域。近红外波段一般指波长在780nm~2500nm范围内的光谱，常见的光纤通讯中的光源与器件（1520~1610nm）就工作于这一范围内。经过多年的发展，目前的近红外光谱仪大多为色散式光谱仪。其基本原理是先通过棱镜或衍射光栅对待测光进行分光，再通过线阵或面阵CCD来接收光信号并解析出光谱。例如中国发明专利CN101672695A中提出的一种衍射光栅光谱仪，该光谱仪利用反射光栅作为分光元件。待测光经反射光栅反射后形成多级衍射光，非零级的衍射光经过透镜成像，再被线阵CCD接收并转变为电信号，最后通过单片机或计算机采集CCD的信号，经过处理后显示为光谱。虽然光栅的分辨率较高，也便于定标和校正，但是这种光谱仪衍射效率低，衍射光谱易重叠，并会出现假谱线。另外，也有利用棱镜作为分光元件的近红外光谱仪，在“应朝福, 金洪震, 李勇. 线阵CCD棱镜光谱仪及其误差分析[J]. 光学仪器, 2001(01):26-30.”中，待测光先经过透镜汇聚后照射到棱镜上，经棱镜分光后通过一个棱镜摄谱仪，最后使用线阵CCD采集光信号。待测光被棱镜色散后的光谱是连续的，透过率比较高，因此基于棱镜分光的光谱仪的灵敏度更好。但是，棱镜光谱仪是基于色散效应进行分光探测，因此其性能受棱镜尺寸所限，分辨率较低只有5nm，无法满足高精度测量的要求。比如光纤通讯中，ITU波长的间隔只有约0.4 nm，使用上述光谱仪完全无法分辨相邻的ITU波长。综上所述，目前的近红外光谱仪主要还是基于分光原理，并利用线阵或面阵CCD来接收光信号并解析出光谱。但仍存在以下待改进的地方：第一，无法在高分辨率与体积、成本以及灵敏度方面得到有效平衡。如果追求高光谱分辨率，就要付出体积、成本和灵敏度的代价；反之如果需要高灵敏度和低成本，那么光谱分辨率就不会太令人满意。第二，都需要用面阵或线阵CCD来接收光信号，目前对近红外波段探测效率最好的光电材料只有InGaAs，但InGaAs的面阵或线阵CCD都及其昂贵，动辄几万到几十万，使得近红外光谱仪的价格居高不下。第三，受制造原理所限，线阵或面阵CCD的电信号只能顺序读出。即使InGaAs单像元接收器的光电响应速度可达几百兆甚至GHz，但只能先将像元一个一个顺序读出后才可获取全部的光谱信息。这大大降低了光谱仪的检测速率。目前已知最好的线阵CCD光谱仪，其光谱刷新率也只有20~30kHz。针对以上近红外光谱仪的性能短板，目前在相关的研究或报道中均没有给出解决方案。

发明内容

本发明提出了一种基于新型光谱采集结构的近红外光纤光谱仪，它利用不同波长的光通过多模光纤后产生的散斑特征差异来重建光谱。散斑一般指的是相干光照射在粗糙表面时产生的有大量亮暗相间的细微颗粒状的图样。其源于照射光束中包含大量具有独立相位的光分量，当他们混合并干涉时，便有光强相涨相消的不规则斑块产生。而光通过一段多模光纤后，在出射端不同的传输模式导致不同的相位差，因此易于产生散斑。显然多模光纤的散斑形成与其传输模式的分布有着密切关系，不同波长的光沿不同的模式传输，因此在出射时可产生不同的干涉散斑。而通过获取这些散斑信息，就能反演出原始的光谱。为了使光在多模光纤传输中产生更明显的色散效应，保偏光纤与多模光纤之间通过错位熔接的方式来激发更多的高阶传输模，使传输模式的分布更广。