CN103196557B - 一种光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱仪，属于光学测量技术领域。本发明的光谱仪包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、分光器件、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系统；所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。相比现有技术，本发明具有制作简单、实现成本低、便携性好，以及较高的分辨率和较宽的光谱测量范围的优点。

Description

一种光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱测量装置，尤其涉及一种具有高分辨率和宽测量范围的，便携式、可实时探测的光谱仪，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。随着光谱仪的发展，它的应用范围越来越广，并涵盖了多个领域，如天文观测、航空航天、生物医药、石油化工、现代农业、冶金、地质勘探、生态环境及国防军事等。由于其重要的应用价值，光谱仪已越来越受到人们的关注，它已成为现代科学仪器的重要组成部分。

然而，随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，在许多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、微流控领域等众多研究、应用领域，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。而目前所广泛使用的光谱仪不仅分辨率不够高，测量频带不够宽，而且普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不足。如傅里叶变换光谱仪不仅体积较大，而且对振动敏感，其分辨率受动镜的移动范围的影响。光栅衍射型光谱仪所用光栅体积虽然相对较小，但该种光谱仪分辨率不高，而且价格不菲[Yang Jae-chang,et al.Micro-electro-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slitgrating and bolometer array,Jap.J.of Appl.Phys.47(8),6943-6948(2008)]。

中华人民共和国国家知识产权局于2012年9月26日授权了申请号为200910264251.X的专利文献，名称是“相位调制台阶阵列微型光谱仪”，其核心部件是构建在CCD或CMOS之上的二维台阶阵列。于2012年7月11日公开了公开号为CN102564586A的专利文献，名称是“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”，其核心部件是构建在CCD或CMOS之上的二维衍射孔阵列。由于不同波长的光通过台阶或者衍射孔后，能在CCD或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大小台阶或衍射孔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。与传统的光栅光谱仪或傅里叶变换光谱仪相比，其体积小、频率分辨率高、光谱测量范围宽，可以实现静态实时测量。但不管是台阶结构的还是衍射孔结构的光谱仪，其制作成本较高，制作过程复杂，需要用到昂贵的设备，比如离子刻蚀系统或光刻设备等。因此，需要寻求成本较低、制作过程简单的阵列结构微型光谱仪制作方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：在保持现有阵列结构微型光谱仪性能的前提下，克服背景技术中所述阵列结构微型光谱仪所存在的制作成本较高、制作过程复杂的问题，提供一种制作更简单、成本更低廉的光谱仪。

本发明的光谱仪，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、分光器件、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系统，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。所述透明涂层优选为聚合物。

作为本发明的一个优选方案，所述分光器件按照以下方法制备：将惰性气体通入到聚合物熔体中生成惰性气体气泡，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化；待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将聚合物熔体涂覆在透明基底上，降温形成聚合物涂层。

作为本发明的又一优选方案，所述分光器件按照以下方法制备：将聚合物溶于有机溶剂中，形成聚合物溶液；搅拌所述聚合物溶液使之产生气泡后，将聚合物溶液涂覆在透明基底表面；然后，通过加热除去有机物溶剂，形成聚合物涂层。

优选地，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。

本发明在现有阵列结构微型光谱仪的基础上，利用带有透明气泡的透明涂层取代制作工艺复杂的台阶结构或衍射孔结构。相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、制作工艺简单，成本较低。以前的微型光谱仪在基底上制作台阶或衍射孔需要用到离子刻蚀或光刻等方法，这些方法需要昂贵的设备，而且工艺复杂，需要精确控制台阶或衍射孔的大小，并使得台阶或衍射孔的位置与像素元的位置一一对应。

2、光谱仪体积小，便于携带，测量时不需要移动光学器件，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.光谱仪具有较高的分辨率和较宽的光谱测量范围。光谱的分辨率主要由探测阵列芯片CCD或CMOS像素元的数量决定，而这些探测阵列芯片的像素可达到百万以上，所以整个光谱测量装置可以达到很高的频率分辨率；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，因此相应该光谱仪能有较宽的光谱测量范围。

附图说明

图1是本发明光谱仪的横截面示意图，其中，1为透明涂层，2为透明基底，3为阵列式探测芯片、4为透镜、5为小孔光阑；

图2是透明涂层1的表面俯视图，其中，6为气泡；

图3是入射光光谱划分方法示意图；其中，横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，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_i是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为P(f_j)；

图4是采用本发明光谱仪得到的光谱复原图；图中，上横坐标表示波长，单位是纳米；下横坐标表示频率，单位是太赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹；图中的实线表示入射光谱，图中的虚线表示复原光谱。

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：

本发明的思路是针对现有技术中所采用的台阶结构或衍射孔结构分光器件制作工艺复杂、实现成本高的问题，利用带有气泡的透明涂层作为本发明光谱仪的分光器件，由于带有透明气泡的透明涂层的制造工艺简单，进而可在保持现有阵列结构微型光谱仪应有性能的前提下，大幅降低制造成本。

本发明的光谱仪结构如图1所示，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、分光器件、阵列式探测芯片3，以及与所述阵列式探测芯片3连接的数据采集与分析系统。如图所示，本发明的分光器件包括透明基底2，透明基底2的其中一个表面（也可以是两个表面）附着有一层（或多层）带有气泡的透明涂层1。图2显示了透明涂层1的俯视图，如图2所示，透明涂层1中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的透明的气泡6。本实施例中的光学准直装置包括两个共焦的透镜4，以及设置于两个透镜4的共同焦点处的小孔光阑5。所述阵列式探测芯片3可采用CCD或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系统（图中未示出）相连。

入射光经光学准直装置准直后，通过分光器件，最后照射在阵列式探测芯片3的各像素元上。当经过准直后的待测光穿过气泡涂层中大小不等的各个气泡时会发生不同程度的衍射和干涉。具体如下：

1、不同波长的光射到同一个气泡的相同部位，出射的不同波长衍射光的衍射角度各不相同，会形成一定的衍射光强分布。

2、同一波长的光通过同一气泡的不同部位，出射后会形成干涉。由于气泡大小形状各异，出射光之间的相位差各不相同，干涉光强也不同。

3、同一波长的光通过不同气泡的不同部位后发生衍射，传播方向相同的衍射光之间也会发生干涉。

由于干涉和衍射效应，当入射光通过气泡涂层后，其下方将形成一定的干涉和衍射光分布，最终探测阵列芯片中不同的像素元将采集到大小不等的光功率。按照所用像素元的个数，将像素元所能探测的频率范围均匀划分，每一份的中心频率在入射光中的归一化功率作为未知数；将阵列式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；事先测得探测阵列芯片不同位置处的各像素元对各频率分量的探测率，并将该探测率作为系数矩阵；通过正则化方法求解矩阵方程，并将所得结果进行线性拟合、光谱定标就可以得到待测光的光谱。

本发明中所述分光器件的制作方法可以有多种，下面列举两种：

第一种方法是：将氦气、氖气、氩气、氪气或是氙气等惰性气体连续注入到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）及其衍生物或者聚苯乙烯（PS）或者聚碳酸酯（PC）等聚合物熔体中，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化，待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将其涂覆在透明基底表面上，然后降温使聚合物熔体凝固为聚合物涂层，这样，就会在聚合物涂层中产生分布不均，大小不一的气泡。

第二种方法是：在一定温度下，将PMMA、PS或PC等聚合物溶解到有机溶剂中（例如四氢呋喃、丙酮、甲苯等），得到PMMA、PS或PC等聚合物的溶液，然后将其旋涂在透明基底上，并缓慢降温至室温，在降温的过程中，溶剂的挥发导致在所形成的聚合物涂层中产生形状各异的气孔。

本发明的光谱复原的原理是：入射光经过准直后照射到透明涂层上，由于透明涂层中包含有大小不一、分布不均的气泡，入射光透过气泡将发生不同程度的干涉和衍射，透过不同气泡的各波长光的相位差发生了不同的变化，使得气泡下方形成了一定的相干光分布，最终探测阵列芯片CCD的像素元将采集到一系列大小不等的光功率。将所得数据组成一个线性方程组，其中不同像素元对不同中心波长光的探测率作为系数矩阵，而各个像素元所接收到相应的光功率作为增广矩阵，求解该线性方程组就可以得到入射光各中心波长对应的归一化光谱功率，然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。

光谱复原的具体过程如下：

如图3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：

P₀=P(f₁)Δf+P.(f₂)Δf+…+P(f_n)Δf

当入射光经过微型结构阵列后，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。而由于不同气泡的干涉或衍射作用，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。这些减小比例当器件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气泡涂层后射到某一个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，方程组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。假设入射光经过气泡涂层后被第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的光经过气泡涂层后被第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Ci_j(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气泡涂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。如果用矩阵形式表示，设透射系数组成系数矩阵C，而各探测阵列芯片像素元测得数据组成增广矩阵y，分别写成如下形式：

$y=\left(\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\\ .\\ .\\ .\\ P_n\end{array}\right)$

则上述线性方程组可用矩阵形式表示为：

Cx=y

这里，

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

求解上述线性方程组方程组得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和各频率光对各微型干涉仪的透射率都是测量值，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。

图4是采用本发明进行光谱复原的仿真结果，该图比较了入射光谱（实线）与复原光谱（虚线），图中上横坐标表示波长，单位是纳米；下横坐标表示频率，单位是赫兹；纵坐标是归一化光谱功率，单位是瓦特每赫兹。所用像素元的数量为25，测量频率范围为400THz到800THz，由图可见，复原光谱与入射光光谱数据吻合较好。

Claims (7)

1.一种光谱仪，包括沿光路入射方向依次设置的光学准直装置、分光器件、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系统，其特征在于，所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡；所述分光器件可使不同波长的光透射后产生不同的衍射和干涉光强分布，从而使得所述阵列式探测芯片中不同的像素元采集到大小不等的光功率。

2.如权利要求1所述光谱仪，其特征在于，所述透明涂层为聚合物。

3.如权利要求2所述光谱仪，其特征在于，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯衍生物、聚苯乙烯或聚碳酸酯。

4.如权利要求2所述光谱仪，其特征在于，所述分光器件按照以下方法制备：将惰性气体通入到聚合物熔体中生成惰性气体气泡，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化；待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将聚合物熔体涂覆在透明基底上，降温形成聚合物涂层。

5.如权利要求2所述光谱仪，其特征在于，所述分光器件按照以下方法制备：将聚合物溶于有机溶剂中，形成聚合物溶液；搅拌所述聚合物溶液使之产生气泡后，将聚合物溶液涂覆在透明基底表面；然后，通过加热除去有机物溶剂，形成聚合物涂层。

6.如权利要求5所述光谱仪，其特征在于，所述有机溶剂为四氢呋喃、丙酮、甲苯中的任意一种。

7.如权利要求1所述光谱仪，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。