CN203772414U - 一种微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型光谱仪，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片连接的数据采集与分析***，所述微型光谱仪还包括毛玻璃，所述毛玻璃设置在所述光学准直装置与阵列式探测芯片之间。本实用新型采用常用且价格低廉的毛玻璃替代高工艺制作出来的分光器件，在保持测量精度高、测量范围宽以及对振动不敏感等优点的同时，其制作成本更低、且制作过程更简单。

Description

一种微型光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱测量装置，尤其涉及一种制作成本低、制作过程简单的微型光谱仪，属于光学测量技术领域。 

背景技术

光谱仪是一种通过获取研究物质的光谱信号来分析物质的组成和含量的重要分析仪器。光谱仪的应用范围涵盖了多个领域，比如生物医学、地质勘探、现代农业、食品工业、冶金、天文观测等等，已成为我们了解这个客观世界的有力工具。随着它的应用范围越来越广，光谱仪器受到越来越广泛的重视。 

然而，随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，在许多研究、应用领域对光谱仪又提出了更高的要求。特别是在星载分析、地质矿产勘探、航天遥感遥测、环境监测、微流控等领域，在测量频段宽、分辨率高、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠的情况下，需要一种微型化、集成化、智能化的光谱仪。它的功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号。中华人民共和国国家知识产权局于2013年4月24日公开了申请号为201210578653.9的专利文献，名称是“一种微型光谱仪”，其核心部件是在透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层的分光器件。于2013年7月10日公开了申请号为201310092371.2的专利文献，名称是“一种光谱仪”，其核心部件是在透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层的分光器件。由于不同波长的光通过分光器件后，能在电荷耦合元件(CCD)或者互补金属氧化物半导体元件(CMOS)的像素元上产生不同的干涉或衍射光强。因此，可以通过测量不同的干涉或衍射光强下一系列像素元的光功率，就可以利用求解大型线性方程组的方法复原光谱。 

但不管是固着纳米粒子涂层分光器件还是固着透明涂层分光器件的光谱仪，其制作成本较高，制作过程复杂，需要用到昂贵的设备等。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：在保持背景技术中提到的光谱仪性能的前提下，提供一种制作成本更低、制作过程更简单的微型光谱仪。 

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下： 

一种微型光谱仪，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片连接的数据采集与分析***，所述微型光谱仪还包括毛玻璃，所述毛玻璃设置在所述光学准直装置与阵列式探测芯片之间。 

进一步的，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。 

优选的，所述阵列式探测芯片为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体元件。 

采用上述方案后，本实用新型的一种微型光谱仪具有以下有益效果： 

1、制作成本更低、且制作过程更简单。本实用新型的微型光谱仪需要的毛玻璃、透镜都是常用且价格低廉的产品。而CCD、CMOS产品也很成熟，所以整个装置制备工艺简单，不需要昂贵的设备，成本非常低。 

2、体积小，测量时不需要移动光学器件，便于携带，测量时振动因素对它影响较小，可用于在复杂环境中的实时测量。 

3、光谱分辨率高，测量范围宽，复原速度快。光谱的分辨率是由CCD、CMOS像素元的数量决定的，而CCD的像素现在很容易达到百万以上，所以整个光谱测量装置可以达到很高的光谱分辨率。探测阵列芯片所能探测到的光谱范围决定了光谱测量宽度，其光谱测量范围覆盖了可见到红外波段，乃至紫外波段，因此相应该微型光谱仪能有较宽的光谱测量范围。 

附图说明

图1是本实用新型微型光谱仪的横截面示意图，

其中1为毛玻璃、2为阵列式探测芯片、3为透镜、4为小孔光阑。 

图2是本实用新型入射光谱划分方法示意图，

其中横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标表示归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹；用微积分的方法把入射 光谱按照频率划分成n等份，每一份取其中心频率，每一份的频宽为Δf，f_j是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为P(f_j)。 

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步详细的说明。 

本实用新型的思路是针对背景技术中所提到的采用固着纳米粒子涂层的分光器件还是固着透明涂层的分光器件的光谱仪，其制作成本较高，制作过程复杂，需要用到昂贵的设备等问题，利用常用且价格低廉的毛玻璃替代上述分光器件，保持背景技术中提到的光谱仪性能的前提下，提供一种制作成本更低、制作过程更简单的微型光谱仪。 

本实用新型微型光谱仪光路部分的结构如图1所示，该微型光谱仪包括沿光路方向依次设置的光学准直装置、毛玻璃1、阵列式探测芯片2，以及与所述阵列式探测芯片2连接的数据采集与分析***。本实施例中的光学准直装置包括两个共焦的透镜3，以及设置于两个透镜3的共同焦点处的小孔光阑4，该装置的作用是对通过毛玻璃1之前的光进行准直，毛玻璃1其中至少一个表面粗糙。阵列式探测芯片2可采用电荷耦合元件(CCD)或者互补金属氧化物半导体元件(CMOS)作为探测元件，它与光谱信号读取电路、A/D转换电路、采集控制电路及计算机所构成的数据采集与分析***（图中未示出）相连。该数据采集与分析***在背景技术中提到的两个公开专利文献中均有提及，因此属于现有技术。 

本实用新型中所述的毛玻璃就是市场上可买到的毛玻璃，毛玻璃的的制作工艺也比较成熟，有很多种制作工艺，下面列举其中两种： 

第一种方法是：对普通玻璃进行清洗、烘干，然后将其一个表面用氢氟酸和氟化铵的磨砂溶液进行侵蚀，当玻璃表面受到氢氟酸的作用后，玻璃中的主要成分如二氧化硅、氧化钙、氧化钠等氧化物则形成氟化物进入磨砂溶液中，磨砂溶液中的氟化铵又能促使氟硅酸钙砂的生成，由于氢氟酸对玻璃表面不同位置的腐蚀程度及反应形成砂砾的大小和分布具有随机性，使玻璃表面变成凹凸不平的粗糙面，之后再进行清洗、烘干即可。 

第二种方法是：对普通玻璃进行清洗、烘干，然后通过气泵或喷枪将石英砂或者金刚砂非常快速的喷射玻璃的一个表面，玻璃在遇到石英砂或者金刚砂的高 速撞击后形成细微的凹凸表面，之后再进行清洗、烘干即可。 

利用本实用新型的微型光谱仪测量光谱的原理为，当入射光照射在毛玻璃表面时将发生散射，由于毛玻璃表面例子大小的不同，散射光强也不一样。根据散射理论，在入射光与散射光成θ角方向上，光强满足： 

$I_{\mathrm{\θ}}\∝\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^n}$

式中，λ为光波长，n≤4，n具体取值取决于粒子尺寸。 

由此可知，不同波长的光射到毛玻璃表面上的粒子后会形成不同的散射光强角分布，而同一波长的光透过不同大小的粒子后，其散射光强大小也不一样。再加上入射光透过毛玻璃表面后，由于其表面的粒子大小及分布不均，不同位置的出射光相位差各不相同，波长相同且传播方向相同的光之间将发生干涉，不同位置的干涉光强也不相同。由于散射和干涉的作用，从而使得探测芯片的不同位置处的像素元探测到不同的光功率。如果按照所用像素元的个数，将像素元所能探测的波长范围均匀划分，每一份的中心波长在入射光中的归一化功率作为未知数；将探测芯片的不同位置处的像素元探测到的值作为增广矩阵；事先测得探测芯片不同位置处的各像素元对各波长分量的探测率，并将该探测率作为系数矩阵；通过求解大型线性方程组、线性拟合、光谱定标就可以得到入射光光谱。 

利用本实用新型的微型光谱仪对光谱复原的具体过程如下： 

如图2所示，根据探测阵列芯片有效像素元的数量将探测阵列芯片所能探测的频率范围均匀划分成n份，每一份的中心频率为f₁,f₂,…f_n，频宽为Δf，入射光中每段频率的光功率近似为图中每个小矩形的面积。需要测的入射光光谱可以由图中各个频率所对应的光功率幅度进行线性拟合得到，所以光谱复原的目标转化为求图中各个小矩形的高度P(f₁),P.(f₂),…P(f_n)。 

根据微积分原理，入射光的总功率可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各频率分量功率的迭加。如果用数学公式表示，可表示为： 

$P_0=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left(f_j\right)\mathrm{\Δf},j=\mathrm{1,2},\·\·\·,n$

当入射光经过毛玻璃层后，被其中一个像素元探测到，该像素元接收到的功率可以通过自身直接探测。而另一方面，CCD像素元探测到的功率也可以通过入射光光谱进行计算得到。因为每个频率的功率，即图中每一个小矩形的面积， 被某个像素元探测到时都有一定程度减小。而由于不同粒子的散射作用，使得入射光的每个频率分量的光在每个CCD像素元上减小的比例都不一样。这些减小比例当毛玻璃做好后是一个固定值，可以事先通过测量入射光束中每个频率的光经过毛玻璃层射到某一个CCD像素元上被该像素元所探测的探测率计算得出。因此就可以得到一个方程，方程的左边是CCD像素元的功率测量值，方程的右边是入射光中各个频率的功率大小与CCD像素元对入射光各个频率的探测率分别相乘后再相加所得到的计算值。假设入射光经过毛玻璃层后第i个像素元所探测，该像素元上得到的光功率大小可表示为： 

P_i=C_i1P(f₁)Δf+C_i2P.(f₂)Δf+…+C_inP(f_n)Δf 

这里，C_i1,C_i2,…C_in分别为频率为f₁,f₂,…f_n的光经过毛玻璃层后第i个像素元所探测的探测率。因此，探测阵列芯片CCD的n个像素元就可以测得一系列功率，这些功率可以表示为如下线性方程组： 

P₁=C₁₁P(f₁)Δf+C₁₂P.(f₂)Δf+…+C_1nP(f_n)Δf, 

P₂=C₂₁P(f₁)Δf+C₂₂P.(f₂)Δf+…+C_2nP(f_n)Δf, 

… 

P_n=C_n1P(f₁)Δf+C_n2P.(f₂)Δf+…+C_nnP(f_n)Δf, 

其中C_ij(i=1,2...n)(j=1,2...n)是频率为f_j的光被第i个像素元所探测的探测系数，即中心频率为f_j的光被第i个像素元探测到的功率与入射到毛玻璃层之前该频率光功率的比值。当事先测得各探测系数，就可以用上述线性方程组表示出探测阵列芯片CCD各像素元所测得的光功率。如果用矩阵形式Cx＝y表示，设探测系数组成系数矩阵C，而各探测阵列芯片像素元测得数据组成增广矩阵y，则上述线性方程组可用矩阵形式表示为： 

求解上述线性方程组得x，并进一步计算得： 

$\tilde{x}=x/\mathrm{\Δf}=\left(\begin{array}{c}P\left(f_1\right)\\ P\left(f_2\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ P\left(f_n\right)\end{array}\right)$

因此，就可以求得入射光谱中各频率分量所对应功率P(f_i)的大小，将P(f₁),P(f₂),...P(f_n)进行线性拟合，就得到了入射光谱。 

在求解方程组过程中，探测阵列芯片CCD的各像素元所采集到的功率以及各像素元对各频率分量的探测率都是测量值，由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法很难求解，而采用Tikhonov正则化的方法求解该线性方程组效果较好，该方程组求解后即可得入射光各频率对应的归一化光谱功率，最后进行光谱辐射定标就得到了入射光的复原光谱。具体方法可详见背景技术中提到的专利文献，属于现有公开技术。 

本实用新型所要保护的是光学准直装置、毛玻璃、阵列式探测芯片，以及数据采集与分析***之间的硬件连接关系，并不涉及对方法的改进。所述数据采集与分析***在前面背景技术提到的专利文献中已有提及，属于现有技术。 

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。 

Claims (3)

1. 一种微型光谱仪，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片连接的数据采集与分析***，其特征在于：所述微型光谱仪还包括毛玻璃，所述毛玻璃设置在所述光学准直装置与阵列式探测芯片之间。

2.如权利要求1所述微型光谱仪，其特征在于：所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。

3.如权利要求1所述微型光谱仪，其特征在于：所述阵列式探测芯片为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体元件。