CN103245416B - 一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪涉及哈达玛变换近红外光谱仪领域，该光谱仪包括光源、由准直透镜和柱面镜构成的集光结构、狭缝、准直透镜、平面光栅、DMD、成像透镜、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理***。本发明在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了***对待测光的能量利用率，有利于对近红外光谱的检测；本发明选择合适的狭缝宽度、光栅入射角度等，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力；用单点光电二极管进行光谱探测，既降低了光谱仪成本，又减小了光谱仪体积，提高了探测灵敏度。

Description

一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪

技术领域

本发明涉及哈达玛变换近红外光谱仪领域，具体涉及一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪。

背景技术

近红外光谱仪作为一种有力的科学分析工具，目前已广泛应用于农产品、石化产品、临床诊断、环境检测等领域。随着研究和应用领域对光谱仪要求的提高，无接触、快速、低成本、性能稳定可靠的微小型光谱仪逐渐成为该领域的发展趋势。目前，数字变换式微型近红外光谱仪主要有傅里叶变换式和哈达玛变换式两种。傅立叶变换光谱仪因存在可动部件，对环境要求较高，主要用于实验室分析。基于DMD(Digital Micro mirror Device，数字微镜元件)的哈达玛变换(Hadamard Transform，HT)光谱仪无可动部件，运算和处理时间优于傅里叶变换光谱仪，可实现高速、高分辨率、高信噪比和极强的环境适应能力的完美结合。目前商品化的新型便携式哈达玛变化近红外光谱仪通常使用狭缝作为入射光阑，用平面闪耀光栅作为分光元件。狭缝的长宽、光栅参数在很大程度上决定了光谱仪的能量利用率和分辨率。为提高***分辨率则光能利用率较低，若提高了光能利用率则分辨率下降，而且国内现有的近红外光谱仪存在体积大、成本高等问题，不利于光谱仪的商品化及其对微弱近红外光谱信号的检测，降低了该类哈达玛变换光谱仪的性价比。

发明内容

为了解决现有技术存在的不能同时保证高能量利用率和高分辨率，无法对微弱近红外光谱信号的检测，以及光谱仪体积大成本高的技术问题，本发明提供了一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，使基于DMD的哈达玛变换近红外光谱仪实现了高分辨率、小体积、低成本和高光能利用率的完美结合。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源、狭缝、第二准直透镜、平面光栅、成像透镜、DMD、聚焦透镜、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理***，其特征在于，该光谱仪还包括由第一准直透镜和柱面镜构成的集光结构，光源发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜，由第一准直透镜准直为复色平行光后入射到柱面镜，经柱面镜将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝，由狭缝出射的光束经过第二准直透镜准直为复色平行光后入射到平面光栅，经平面光栅色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD的角度，使光谱带由成像透镜会聚后按波长顺序入射到DMD的不同位置，经DMD进行波长选通后由聚焦透镜聚焦在单点探测器上，单点探测器将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理***，光谱信息采集处理***对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。

本发明的有益效果是：该光谱仪在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了***对待测光的能量利用率，有利于对近红外光谱的检测；本发明设计了合适的狭缝宽度、光栅入射角度等，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力；本发明采用单点光电二极管进行光谱探测，既降低了光谱仪成本，又减小了光谱仪体积，提高了探测灵敏度。

附图说明

图1为本发明添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪的结构示意图。

图2为本发明中的集光结构模拟图。

图3为本发明光谱仪的光学***模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源1、由第一准直透镜2和柱面镜3构成的集光结构、狭缝4、第二准直透镜5、平面光栅6、成像透镜7、DMD8、聚焦透镜9、单点探测器10、静电驱动电路和光谱信息采集处理***。光源1发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜2，由第一准直透镜2准直为复色平行光后入射到柱面镜3，经柱面镜3将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝4，由狭缝4出射的光束经过第二准直透镜5准直为复色平行光后入射到平面光栅6，经平面光栅6色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD8的角度，使光谱带由成像透镜7会聚后按波长顺序入射到DMD8的不同位置，经DMD8进行波长选通后由聚焦透镜9聚焦在单点探测器10上，单点探测器10将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理***，光谱信息采集处理***对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。

本发明使用单点光电二极管作为探测器对光谱进行探测，保证了光谱仪的小体积和低成本，利于光谱仪的市场推广应用。

本发明通过分析狭缝长、宽对光谱仪分辨率和能量利用率的影响，光栅参数如光栅常数、入射角度等对光谱仪分辨率和能量利用率的影响，合理设计准直透镜和成像透镜，采用光路分段优化法，使光学***有高分辨率的同时具有较高的能量利用率。具体设计如下：

狭缝4的宽度设计为50μm，长度设计为1mm。

光栅的光栅常数d和衍射光谱级次m与光谱分辨率R的关系式为：

$\frac{\mathrm{dR}}{d(\mathrm{dl}/\mathrm{d\λ})}>0,\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{d}{m\cos \mathrm{\θ}}{f}_2---\left(1\right)$

其中，θ为衍射角，f₂为成像透镜7的焦距，R为光谱分辨率，dl/dλ为光栅线色散率。

由式(1)可知，d越小，m越大，光谱分辨率越高。但减小d会使成像物镜的轴外像差增大；m取值也受光栅方程限制。根据衍射光栅理论取m＝1,d＝300l/mm。根据空气中平面光栅衍射效率公式：

${\mathrm{\η}}_m={\sin c}^2\{m-\frac{h}{\mathrm{\λ}}[\sqrt{n^2\left(\mathrm{\λ}\right)-{\sin }^{2}i}-\cos i\left]\right\}---\left(2\right)$

可以得出不同波长在不同入射角时的衍射效率，其中，h为光栅最大高度，n(λ)为光栅在波长λ时的基底折射率，i为入射角度。结果表明不同波长在某一入射角同时达到衍射效率最大，由此选择最佳的光栅入射角度为12.6°，使***的能量利用率达到最大。

由于准直透镜的焦距f₁越长，准直光线平行度越好，但在数值孔径不变的情况下，增大焦距会使***像差增大、杂散光增加，降低光谱分辨率，同时使光谱仪体积增大、成本增加，需权衡两方面矛盾选择合适的准直焦距。成像透镜的焦距则可根据

$\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}\frac{f_2}{\cos \mathrm{\σ}}=\frac{m}{d\cos \mathrm{\θ}}\frac{f_2}{\cos \mathrm{\σ}}---\left(3\right)$

(σ为成像透镜中心轴与焦平面法线的夹角)来确定。为使DMD工作在最佳状态，光线应与“on”态的DMD表面法线成12°角入射，此处取σ＝12°。本发明使用的DMD尺寸为14mm*10mm，光谱分布的方向长度为14mm，即dl＝14mm；dλ＝(1600-1000)nm＝600nm；由光栅方程2dsinθ＝mλ计算得到中心波长1300nm处的衍射角θ，将各个参量的值带入式(3)可以计算得f₂＝53.5mm。本发明中，第二准直透镜5的焦距取25mm，成像透镜7的焦距取50mm。***采用双胶合透镜校正像差，在光学设计软件ZEMAX中采用光路分段优化法，先设计优化单个透镜，最后对整个***综合优化，达到最佳效果。

如图2所示，本发明添加的集光结构中的第一准直透镜2为双胶合镜(玻璃材料为F2，K9)，焦距为4mm，直径约为4mm。柱面镜3为平凸型圆柱面镜，玻璃材料为F2，焦距为4.9mm。第一准直透镜2与柱面镜3的间隔为6mm。整个集光结构的长度为18mm。

光纤直径为100um，数值孔径为0.22。当光线从光纤直接入射到狭缝4时，进入狭缝4的能量Φ₁≈6.4％Φ₀，Φ₀为光纤出射的光能量。在入射狭缝4前添加集光结构后，从光纤端口出射的待测光经第一准直透镜2准直为复色平行光，然后由柱面镜3聚焦在狭缝4处，圆形入射光变为与狭缝方向平行的带状光，带状光的长度与狭缝长度接近，光束宽度W'＝143nm，出射光束的数值孔径与第二准直透镜5的数值孔径相匹配，所以出射光束的数值孔径NA＝0.18。此时进入狭缝4的光能 ${\mathrm{\Φ}}_2=\frac{W}{W^{\′}}{\left({\mathrm{\τ}}_1\right)}^2{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\Φ}}_0=\frac{50}{143}{\left(0.96\right)}^{2}0.95{\mathrm{\Φ}}_0=30.6\%{\mathrm{\Φ}}_0,$ τ₁、τ₂为玻璃的透过率，W为狭缝宽度。Φ₂＞Φ₁，相同条件下该集光结构可以大大增加进入狭缝的光通量，提高待测光的能量利用率，提高信噪比，改善光谱仪性能。

图3为根据各元件的参数，用光学设计软件ZEMAX模拟得到的光谱仪光学***结构。光纤出射光的波长范围为1000～1600nm；狭缝4宽度为50μm；第二准直透镜5的焦距为25mm，成像透镜7的焦距为50mm；DMD8的像元数为1024*768，像元尺寸为13.68*13.68μm，静电驱动电路驱动下可旋转±12°。模拟结果表明，***在DMD表面的光学分辨率为4nm，单点探测器10上的聚焦光斑几何直径小于3mm，满足设计要求的小体积、低成本、高分辨率和高能量利用率。

Claims (4)

1.一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源(1)、狭缝(4)、第二准直透镜(5)、平面光栅(6)、成像透镜(7)、DMD(8)、聚焦透镜(9)、单点探测器(10)、静电驱动电路和光谱信息采集处理***，其特征在于，该光谱仪还包括由第一准直透镜(2)和柱面镜(3)构成的集光结构，光源(1)发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜(2)，由第一准直透镜(2)准直为复色平行光后入射到柱面镜(3)，经柱面镜(3)将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝(4)，由狭缝(4)出射的光束经过第二准直透镜(5)准直为复色平行光后入射到平面光栅(6)，经平面光栅(6)色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD(8)的角度，使光谱带由成像透镜(7)会聚后按波长顺序入射到DMD(8)的不同位置，经DMD(8)进行波长选通后由聚焦透镜(9)聚焦在单点探测器(10)上，单点探测器(10)将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理***，光谱信息采集处理***对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。

2.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述单点探测器(10)为单点光电二极管。

3.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述第一准直透镜(2)、第二准直透镜(5)和成像透镜(7)均为双胶合透镜。

4.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述狭缝(4)的宽度为50μm，长度为1mm。