一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪及实现方法
技术领域
本发明涉及光谱探测技术，具体指一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪，它适用于粉末、颗粒和液体物质光谱检测与分析领域。
背景技术
声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。利用AOTF在一定频率下衍射的单色光照射在待测物上同样散射相同波长的单色光，该单色光可以反映物质的吸收特性，从而实现物质的光谱特性探测。目前该技术已广泛应用于各类光谱仪器。
公开文献和专利已有基于AOTF分光特性进行光谱探测的方法，如申请公布号CN208902595U公布了一种主动照明的光谱探测仪，该专利通过主动复色光源汇聚照射于样品表面，接收样品表面的漫反射光进入AOTF分光，通过格兰棱镜滤除+1级衍射光和0级光，只探测－1级衍射光汇聚进入探测器实现光谱探测，然而该仪器照射样品表面区域很小，容易导致探测结果不准确，以及该方法在AOTF分光前探测样品，易引入杂散光，并且浪费了－1级衍射光能量；申请公布号CN205898677U公布了一种声光调制双光路双探测器型近红外光谱仪，该专利采用双光路双探测器设计，，经声光可调谐滤光器分光后的单色光由可调分束器分为能量分束比可控的参考光和测量光进行探测，然而没有对0级光进行处理，容易产生噪声基底影响信噪比。
发明内容
本发明针对现有技术而需重点解决的技术问题是：现有AOTF探测技术不能充分利用经AOTF分出的±1级信号光，降低仪器信噪比，以及探测样品一处光谱不能保证样品探测的均匀性，从而影响光谱探测的准确性。本发明充分利用±1级信号光并结合旋转样品杯探测方式有效解决了上述问题，提高仪器的信噪比和光谱探测准确性。
本发明的目的是提供了一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪及实现方法，该发明基于声光可调滤光器等可电控分光器件的分光功能，利用主动照明光源和分光模块产生单色光将待测物照亮，待测物的漫散射光经过接收透镜组进入到探测器，从而探测散射光的光谱特性，同时在照射到待测物之前分出一部分进行标准定标光谱探测，两个进行比对，从而分析待测物的成份信息，采用双探测器分束参比定标实现实时光谱定标和光源性能检测，通过加入对0级光的空间遮挡、分光片和平面反射镜，使±1级衍射光共同照射于样品表面，增加照射于样品上的光能量，并通过旋转杯的方式探测同一样品不同区域，充分均匀分析样品，提高光谱探测准确性，电子学上利用锁相电路对0级光不敏感的特点，提高光谱探测信噪比。整体仪器结构紧凑、探测速度快、精度高。
所述的光源分光模块1由宽谱卤素光源11、准直透镜组12、声光可调谐滤波器13、一次汇聚透镜组14和0级光挡板15组成；宽谱卤素光源11发出的光束经过准直透镜组12出射准直光，进入声光可调谐滤波器13，当声光可调谐滤波器13未工作时，衍射光无法产生，当声光可调谐滤波器13在某一射频频率下工作时，某一波长的光会分离成两束正交偏振的单波长衍射光和一束0级复色光，该三束光经过一次汇聚透镜组14后汇聚分离，0级光挡板15遮挡0级光，±1级衍射光从两边出射。
所述的宽谱卤素光源11为前端带透镜的卤素灯泡；
所述的准直透镜组12为内部带小孔光阑的2片式透镜组，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜；
所述的声光可调谐滤波器13为光谱仪分光器件，内部无消色散设计，可分出具有一定夹角的0级复色光和±1级单色衍射光；
所述的一次汇聚透镜组14为2片式透镜组，用于对经声光可调谐滤波器13分光后的光束进行汇聚，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜；
所述的±1级信号光参比和出射模块2由－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、二次汇聚透镜23、参比探测器24、－1级反射镜25、+1级反射镜26和样品杯27组成；±1级衍射光分别经－1级平板分光片21和+1级平板分光片22共光路依次反射进二次汇聚透镜23和参比探测器24完成参比探测，经－1级平板分光片21和+1级平板分光片22透射的±1级衍射光分别经－1级反射镜25和+1级反射镜26都照射至样品杯27内的待测样品上。
所述的－1级平板分光片21、+1级平板分光片22为石英平面窗口片，表面镀光谱仪适用波段并具有90:10比例的透反射膜；
所述的二次汇聚透镜23为1片平凸透镜，将经平板分光片反射后的±1级信号光汇聚进参比探测器24，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜；
所述的参比探测器24为光谱仪适用波段相应的单元探测器；
所述的－1级反射镜25、+1级反射镜26为45°平面反射镜，将经平板分光片透射后的±1级信号光折转至样品台27，反射镜表面镀光谱仪适用波段反射膜；
所述的样品杯27底部安装石英玻璃平片，用于承载样品和透光，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜；
所述的光谱接收模块3由接收透镜组31和接收探测器32组成；经样品部分漫反射的信号光由接收透镜组31收集进入接收探测器32中，从而实现物质特征光谱探测。
所述的接收透镜组31为3片式透镜组，将从样品杯27接收的光汇聚进接收探测器32，透镜表面镀光谱仪适用波段增透膜；
所述的接收探测器32采用与参比探测器24相同的单元探测器；
所述的旋转杯控制模块4由旋转电机驱动模块41、使能旋转杯转动控制电机42、旋转杯旋转主动齿轮43和旋转杯旋转从动齿轮44组成；旋转电机驱动模块41控制使能旋转杯转动控制电机42，电机带动旋转杯旋转主动齿轮43转动，从而旋转杯旋转从动齿轮44转动实现旋转杯内样品不同位置光谱探测。
所述的数据采集与控制模块5由主控模块51、射频功率放大器52、模拟信号处理电路53、参比探测器前放电路54和接收探测器前放电路55组成，其中主控模块51又包括计算机511、USB通信电路512、FPGA主控电路513、RS485通信电路514、射频驱动信号发生电路515、TEC闭环制冷电路516、参比光路A/D转换电路517和接收光路A/D转换电路518；光谱探测仪工作时，主控模块51中计算机511向USB通信电路512发送光谱采集指令，通过FPGA主控电路513控制光谱采集系统工作；FPGA主控电路513经由RS485通信电路514发送电机驱动指令控制旋转电机驱动模块41带动旋转杯控制模块4工作，FPGA主控电路513控制射频驱动信号发生电路515产生所需频率的射频信号并调制输出，通过射频功率放大器52放大，施加于声光可调谐滤光器13；FPGA主控电路513控制TEC闭环制冷电路516对红外探测器进行闭环制冷控制；模拟信号处理电路53将参比探测器前放电路54和接收探测器前放电路55接收到的微弱的调制光谱信号进行锁相放大处理，FPGA主控电路513控制参比光路A/D转换电路517和接收光路A/D转换电路518将模拟信号处理电路53输出的光谱信号进行A/D转换，FPGA主控电路513将光谱数据打包后通过USB通信电路512发送至计算机；采用锁相放大的方式对探测器接收到的光信号进行信号放大，可程控调整系统的增益，在保证采样速度的前提下提升光谱采集的信噪比和灵活性。
所述的一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪的方法，其特征在于方法步骤如下
1)设备上电自检
连接电源给宽谱卤素光源11和数据采集与控制模块5供电，连接计算机511和USB通信电路512，打开上位机软件与光谱仪建立通信连接；
2)设备预热，工作前准备
2-1)开启TEC闭环制冷电路516对参比探测器24和接收探测器32进行闭环制冷控制，直至探测器制冷稳定；
2-2)宽谱卤素光源11在加电一段时间后输出的光信号也更为稳定，在样品杯27内放置待测样品。
2-3)发送使能旋转杯转动控制电机42转动指令，电机带动旋转杯旋转主动齿轮43转动，从而旋转杯旋转从动齿轮44转动，以获取待测样品的均匀光谱数据，转至步骤2)进行光谱数据采集，获得待测样品光谱数据；
3)光谱数据采集
3-1)FPGA主控电路513控制射频驱动信号发生电路515工作，在声光可调谐滤光器13上施加不同频率的射频驱动信号，对被测物的不同波长散射光进行光谱扫描，通过参比探测器24和接收探测器32同时探测经声光可调谐滤光器13分光后的单色光和经过待测样品漫反射的单色光；
3-2)参比探测器24和接收探测器32探测到的微弱光信号经前级放大后同步进入模拟信号处理电路53，FPGA主控电路513同步控制参比光路A/D转换电路517和接收光路A/D转换电路518对模拟信号处理电路53输出的信号进行采样并保存，待全光谱扫描完成后通过USB通信电路512将参比定标光谱和目标光谱传输至上位机；
4)数据分析及处理
4-1)通过比对参比定标光谱曲线和目标光谱曲线，计算出待测样品在测量波长范围内的吸收率曲线；
4-2)通过将待测样品的吸收率曲线与标准模型进行比对判断待测样品的成份及含量。
该发明的优点主要体现在：1、对AOTF分光后产生的0级光进行遮挡，对±1级衍射光通过2个平面分光片反射至同一个光路做参比接收实现实时定标探测和光源稳定性监测；2、运用2个平面反射镜将±1级衍射光照射至石英窗口片同一位置，充分利用了±1级衍射光，增强探测信号光强，提高信噪比；3、使用旋转杯装置探测同一样品不同区域，充分均匀分析样品，提高光谱探测准确性。基于该模型的光谱探测方法可以利用到其它光学探测领域中，具有重要的应用价值和参考意义。
附图说明
图1为仪器整体结构示意图。
图2为数据采集与控制模块5工作原理示意图。
具体实施方式
本发明为一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪，它包括光源分光模块1、±1级信号光参比和出射模块2、光谱接收模块3、旋转杯控制模块4和数据采集与控制模块5；如图所示，用以说明本发明的结构特征和实施方法。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)宽谱卤素光源11：本实施方案中宽谱卤素光源11采用Thorlabs公司稳定型红外钨光源，光谱范围为350-2500nm。
2)准直透镜组12、一次汇聚透镜组14、二次汇聚透镜23、－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、－1级反射镜25、+1级反射镜26和接收透镜组31：本实施方案中采用的准直透镜组12、一次汇聚透镜组14、二次汇聚透镜23、－1级平板分光片21、+1级平板分光片22、－1级反射镜25、+1级反射镜26和接收透镜组31均为自行设计的组件，其使用波长范围为1100-2300nm，以实现光路的准直、汇聚、透反射和漫反射信号光的接收。
3)声光可调滤光器13：本实施例中所用声光可调滤光器13选用中国电子科技集团第26研究所定制产品，其主要技术指标为：
a)工作波长：1100nm-2300nm
b)光谱分辨率：2nm-12nm
c)一级偏转角：2.6°
d)分离角：>＝6.1°
e)衍射效率：>＝60％
f)尺寸：560mm*400mm*315mm
g)驱动功率：<＝2W
h)驱动频率范围：37MHz-112MHz
4)样品杯27：本实施方案中杯底采用双面抛光的石英平片作为杯底，平片表面镀900-2300nm增透膜，石英的双面抛光面面型精度要求为RMS值小于λ/10@632.8nm。
5)参比探测器24和接收探测器32：本实施方案中选用Judson公司J23TE2-66C型InGaAs红外探测器件，主要技术指标为：其感光面积为
本发明所涉及的一种基于AOTF的旋转杯探测漫反射式光谱仪，具有结构紧凑、体积小、信噪比高、准确度高和探测方法简单等特点，相比传统的AOTF光谱探测方法，通过对AOTF分光后产生的0级光进行遮挡，对±1级衍射光通过2个平面分光片反射至同一个光路做参比接收，运用2个平面反射镜将±1级衍射光照射至石英窗口片同一位置，充分利用了±1级衍射光，增强探测信号光强，提高信噪比，使用旋转杯转动探测同一样品不同区域，充分均匀分析样品，提高光谱探测准确性。
