CN103017901A

CN103017901A - 一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪

Info

Publication number: CN103017901A
Application number: CN2012104750686A
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 陈宇超; 韦纬; 李兴鳌; 黄维
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: CN103017901B

Abstract

本发明公开了一种基于变焦透镜的光谱测量方法。本发明方法包括以下步骤：在可调整为n个不同焦距的变焦透镜后固定位置设置一光探测器；将光探测器的可测量频率范围等分为n个频段；事先利用光探测器测得频率为的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜的探测系数C _ij，

；利用探测器测量待测入射光通过焦距取第j个值时的变焦透镜后的功率

，

；通过求解方程组得到待测入射光中频率为

的光功率

，；然后对

进行线性拟合并经光谱辐射定标得到入射光的光谱。本发明还公开了一种基于变焦透镜的微型光谱仪，沿入射光光路依次包括：变焦透镜、光探测器，以及与所述光探测器信号连接的计算分析部件。本发明的测量范围和分辨率较高，且制作简单、成本低廉。

Description

一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱测量方法，尤其涉及一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是研究、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律的光学仪器。它应用光的色散原理、衍射原理或光学调制原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分开，形成光谱，配合一系列光学、精密机械、电子和计算机系统，实现对光辐射的频率和强度的精密测定和研究。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。

近年来由于环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发展，要求分析仪器小型化、轻量化，在特殊场合（如环保、野外、现场检测、星载分析检测等）还要求仪器牢固耐振。因此目前国内外仪器的发展趋向于智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化，各国都设计、开发了许多功能不亚于传统庞大实验室仪器的小型化、轻量化甚至全固态化的仪器。随着科技进步，像普通光谱仪一样，微型光谱仪有着巨大的应用市场，可以广泛应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣

光谱仪的微小型化趋势可追溯到20世纪90年代初期，从那时起光谱仪器才逐渐摆脱了实验室的局限。这得益于其他相关技术的发展，光纤的大批量生产，高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，个人计算机的发展，微机电系统（MEMS）及二元光学等微制造技术的发展，使得光谱技术的应用延展到实验室之外的更加广阔的领域，包括战场、工厂及人体。曾经一度被认为是不可能实现的、不实际的实时光谱分析，现在已经变得非常普遍。

目前，研究者正在不断地研究如何设计出重量更轻、体积更小、探测速度更快、使用更方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉的光谱分析装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪，具有较高的测量范围和分辨率、更小的体积和重量，且制作简单、成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于变焦透镜的光谱测量方法，包括以下步骤：

步骤A、在可调整为n个不同焦距的变焦透镜后固定位置设置一光探测器；

步骤B、将所述光探测器的可测量频率范围等分为n个频段，各频段的中心频率分别为f₁,f₂,…f_n，每个频段的频宽为Δf；事先利用所述光探测器测得频率为f_i的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜的探测系数C_ij，i,j=1,2,…,n；

步骤C、利用所述探测器测量待测入射光通过焦距取第j个值时的变焦透镜后的功率P_j，j=1,2,…,n；

步骤D、通过求解以下方程得到待测入射光中频率为f_i的光功率P(f_i)，i＝1,2,…,n；然后对P(f_i)进行线性拟合并经光谱辐射定标得到入射光的光谱：

一种基于变焦透镜的微型光谱仪，沿入射光光路依次包括：

变焦透镜，其焦距可调整为n个不同的值；

光探测器，用于探测照射在其上的光功率；

以及，

与所述光探测器信号连接的计算分析部件，计算分析部件通过求解以下方程得到入射光中各频段光功率，然后将各频段光功率进行线性拟合并经光谱辐射定标得到入射光的光谱：

式中，P_j表示当变焦透镜的焦距取第j个值时光探测器探测到的光功率；P(f_i)表示入射光中中心频率为f_i的宽度为Δf的频段的光功率，Δf为所述光探测器可测量频率范围的1/n；C_ij是频率为f_i的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜的探测系数，预先通过实验得到；i,j=1,2,…,n。

所述变焦透镜优选变焦液体透镜，其具有体积小、变焦快速、成本低廉等优点。

优选地，采用Tikhonov正则化方法求解所述方程，可以有效消除失真，实现快速实时地光谱复原。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1）微型化：由于变焦液体透镜的尺寸大小只有毫米级别，即使加上程序计算部件，整个装置体积也很小，便于携带。

2）成本低廉：其使用的变焦液体透镜是基于介质上电润湿流体接触角变化原理，已经可以商业制作，相比于其他的光谱仪，制作更加简单容易。

3）分辨率高，光谱测量范围宽：采用缩小频率（或波长）划分范围进行多次复原的方法可以在获得宽的频谱探测范围的同时达到高的光谱分辨率。

4）可以消除失真，实现快速实时光谱复原：由于各种原因所造成的探测器采集到的无效数据，可以通过舍去这些无效数据的方法求解方程组，使得新的方程组满秩并符合求解条件，避免光谱复原的较大失真。

附图说明

图1为本具体实施方式中所述光路准直示意图；

图2为具体实施方式中所述基于变焦液体透镜的微型光谱仪的结构示意图；

图3为本发明采用的入射光光谱频率划分方法，其中横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹；

图中各标号含义如下：

1为入射光源，2为透镜，3为小孔光阑，4为透镜，5为微型光谱仪，6为透明窗，7为电解液，8为油滴，9为金属电极，10为探测芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

采用本发明方法进行光谱测量时，如图1所示，使入射光源1发出的入射光通过一光学准直装置准直后，入射到本发明的基于变焦透镜的微型光谱仪5上。本实施例中的光学准直装置，如图所示，包括共焦的透镜2和透镜4，透镜2和透镜4共同的焦点处设置有小孔光阑3。通过这样的准直装置后，不仅使得只有平行光才能入射到基于变焦透镜的微型光谱仪5，而且提高了光强分布密度，有利于提高灵敏度。

本发明的基于变焦透镜的微型光谱仪5包括：焦距可调整为n个不同的值的变焦透镜，光探测器，以及与所述光探测器信号连接的计算分析部件。所述变焦透镜优选变焦液体透镜，其具有体积小、变焦快速、成本低廉等优点。本具体实施方式中的变焦液体透镜采用电润湿型变焦液体透镜，这种液体透镜性能稳定，已经可以商业生产。基于变焦透镜的微型光谱仪5的结构如图2所示，包括一片有效透光口径为3mm，初始焦距为5mm的电润湿型变焦液体透镜，用于探测光功率的探测芯片10，以及与探测芯片10信号连接的计算分析部件（图中未示出）。该电润湿型变焦液体透镜如图所示，包括透明窗6、金属电极9、电解液7、油滴8。通过改变金属电极9上面的电压，使电解液7与油滴8两种液体的接触表面的曲率半径发生变化，入射光的折射率随之改变。该电润湿型变焦液体透镜的电压调节范围为10V-60V。探测芯片10可采用普通硅探测器，放置于变焦液体透镜后方5mm处。

采用上述微型光谱仪测量光谱时，具体按照以下方法：

如图3所示，以光谱曲线的频率划分方式为例，在光探测器的测量频率（或波长）范围内，将光谱曲线均匀划分成n段。整个光谱面积就被近似划分为多个细长的矩形，假设每一段的中心频率分别为f₁,f₂,…f_n，每一段的频宽为Δf，P(f_j)为频率f_j对应的功率大小(j=1,2,…n)。

因此入射光中每个频段所对应的功率即为每个小矩形的面积，那么根据微积分的原理，整个入射光谱与横轴所围面积实际就是这些矩形面积的求和即入射光的整个功率，入射光的整个功率可以用下式表示：

P₀=P(f₁)Δf+P.f₂)Δf+…+P(f_n)Δf，

将所有点(f_j，P(f_j)）进行线性拟合即得到光谱曲线。

假设测量频率从400THz到800THz，测量的频宽为400THz。如果上述电润湿型变焦液体透镜的金属电极9上面的电压可调整为4000个不同的值，即变焦液体透镜可调整为4000个不同的焦距，则将光谱曲线均匀的划分成4000份，每一份的频宽为0.1THz。

当入射光经过变焦液体透镜时，探测器所测到的功率应为：

P=C₁P(f₁)Δf+C₂P.f₂)Δf+…+C_nP(f_n)Δf，

这里，C₁,C₂,…C_n分别为频率为f₁,f₂,…f_n的光经过该变焦液体透镜后探测器的探测系数。因为对于不同频率的入射光频率，变焦液体透镜对不同频率光的偏转角度不一样，这些探测系数也互不相同。

当变焦液体透镜的焦距变化n次（即变焦液体透镜金属电极上的电压取n个不同的值），使得入射光照射过不同曲率半径的变焦液体透镜。最终，探测器10就可以测到一系列功率。这些功率从理论上可以表示为：

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.

上述方程组可以用矩阵方程Cx=y表示，这里C代表各探测率组成的系数矩阵，而探测器所接收到相应的光功率作为增广矩阵y，x则代表入射光各中心频率光功率的大小。即

和

y = (\begin{matrix} P_{1} \\ P_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P_{n} \end{matrix}), x = (\begin{matrix} P (f_{1}) \cdot Δf \\ P (f_{2}) \cdot Δf \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P (f_{n}) \cdot Δf \end{matrix}) .

该矩阵方程亦即

在这里，系数矩阵C对于器件来说是固定参数，矩阵中的元素C_ij(i，j=1,2,…n)是频率为f_i的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜后对于探测器的探测系数。对于特定的微型光谱仪，系数矩阵C可通过实验确定。例如，可采用以下方法：在暗室中，先让入射光通过单色仪，采用探测器探测由单色仪得到的不同的频率f₁,f₂,…f_n光的光功率；然后在探测器前放置液体变焦透镜，在液体变焦透镜的某一焦距下，测量由单色仪出射的不同的频率的光照射到液体变焦透镜后，探测器所探测到的光功率。然后将测得的光功率与未加入液体变焦透镜时所测到的光功率的比值，即为不同频率光在该焦距下对于探测器的探测系数。然后，改变液体变焦透镜的焦距，重复上述步骤，所得数据即可组成系数矩阵C。

因此，我们可以事先测得各个频率通过不同曲率半径（或不同焦距）的变焦液体透镜后探测器的探测系数，组成方程组的系数矩阵C。每次测量光谱时，只要变换变焦液体透镜的焦距，将探测器上所测得的功率组成增广矩阵y。就可以得到线性方程组，通过求解该线性方程组得到x，就可得到入射光中各频率对应的归一化光功率P(f_i)大小，本发明中的线性方程组优选采用Tikhonov正则化方法求解；入射光的光谱可以通过对P(f₁),P.f₂),…P(f_n)进行拟合而得到,P(f₁),P.f₂),…P(f_n)是如下矩阵的矩阵元素

\tilde{x} = x / Δf = (\begin{matrix} P (f_{1}) \\ P (f_{2}) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ P (f_{n}) \end{matrix}) .

最后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标可得到入射光的光谱，各中心频率的间隔Δf即为该光谱仪的频率分辨率。

在实际器件制作过程中，器件的尺寸、形状、材料特性等可能与最初设计要求有一定偏差，但是，当器件做好后，硅探测器对于一定曲率半径的变焦液体透镜和一定波长的入射光，其探测率是一个固定的值。只要对于不同的曲率半径的变焦液体透镜和不同波长的入射光，探测器的探测率不同，就可以组成方程组，然后，采用Tikhonov正则化方法进行求解，就可以得到复原光谱。