CN103743702A - 一种光谱二维折叠哈达玛变换近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，属于近红外光谱仪领域，为解决目前DMD哈达玛变换近红外光谱仪对DMD微镜利用不充分、光谱工作宽度和光谱分辨率难以同时提高的缺陷，该光谱仪从光源发出的宽波段复色光由光纤端口入射到准直透镜，准直为复色平行光入射到两个子光栅上，经两个互成夹角的光栅色散为两个相互平行的光谱带；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依次入射到DMD的不同位置，形成两个互相平行且两端对齐的光谱带；经DMD进行波长选通后由透镜聚焦在单点探测器上，将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理系统，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。

Description

一种光谱二维折叠哈达玛变换近红外光谱仪

技术领域

本发明属于哈达玛变换近红外光谱仪技术领域，具体涉及一种光谱二维折叠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DMD技术的主要供应商是美国德州仪器公司，其供应的DMD的尺寸都是固定的800×600、1024×768、1280×720和1920x1080几种，且其价格昂贵。 

现有的基于DMD的哈达玛变换近红外光谱仪均采用单个平面光栅分光，用单个DMD进行光谱调制。在光栅常数和狭缝宽度一定的情况下，若提高系统的分辨率则会使系统的工作光谱范围减小；若要提高光谱仪的工作光谱范围，则必须以降低分辨率为代价。所以，目前市场上已有的多种商品化的便携式哈达玛变换近红外光谱仪普遍存在两个问题：（1）光谱范围较窄、分辨率不高；（2）DMD表面接收到的光谱宽度远小于DMD的宽度，使得DMD的大部分微镜不能被有效利用。另外，由于哈达玛变换近红外光谱仪通常用于微弱光谱信号的检测，在光学设计过程中，要尽可能提高光学系统的光能利用率。 

发明内容

为解决目前DMD哈达玛变换近红外光谱仪对DMD微镜利用不充分、光谱工作宽度和光谱分辨率难以同时提高的缺陷，我们提出了光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪。 

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下： 

一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，包括光源、准直透镜组、平面光栅、成像透镜组、DMD、聚焦透镜组、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统，其特征在于，该光谱仪的平面光栅由两个子光栅组成，两子光栅结构相同，但与光轴夹角不同；从光源发出的宽波段复色光由光纤端口入射到准直透镜，由准直透镜准直为复色平行光入射到两个子光栅上，经两个互成夹角的光栅色散为两个相互平行的光谱带；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依次入射到DMD的不同位置，形成两个互相平行且两端对齐的光谱带；经DMD进行波长选通后由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系统，光谱信息采集处理系统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：将传统的哈达玛变换光谱仪的单光栅用两个互成夹角的子光栅代替，使得经光栅分光后的光谱在DMD表面实现二维折叠，形成两个波长首尾相连的光谱带，充分利用了DMD微镜阵列，相当于变相提高了DMD的微镜单元数目，可以在保持光谱仪分辨率不变的情况下增加光谱仪工作谱段，或在工作谱段不变的情况下提高光谱仪分辨率。本发明没有使用入射狭缝，从光源发出的光经光纤直接入射到准直系统，可以大大提高系统的光能利用效率。 

附图说明

图1为本发明光谱二维折叠哈达玛变换近红外光谱仪的结构示意图。 

图2为本发明中两个子光栅模拟图。 

图3为本发明光谱仪的光学系统模拟图。 

图4为本发明DMD表面二维折叠光谱的模拟示意图。 

图5为本发明800nm～1400nm的衍射效率随入射角的变化曲线。 

图6为本发明1400nm～2000nm的衍射效率随入射角的变化曲线。 

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和图3所示，本发明一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，包括光源1、准直透镜组2、互成夹角的第一平面子光栅3和第二平面子光栅4、成像透镜组5、DMD6、聚焦透镜组7、单点探测器8、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统。从光源1发出的宽波段复色光由光纤端口入射到准直透镜组2， 由准直透镜组2准直为复色平行光入射到两个互成夹角的子光栅3、子光栅4上（如图2），色散为两个相互平行的光谱带；光谱带由成像透镜组5会聚后按波长顺序依次入射到DMD6的不同位置，形成两个互相平行且两端对齐的光谱带A和B，如图4所示；利用静电驱动电路调整DMD6的角度，使经DMD6进行波长选通后由透镜组7聚焦在单点探测器8上，单点探测器8接收到的光谱信息经光谱信息采集处理系统进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。 

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为成像透镜组的焦距，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。 

入射角和衍射角分别为i和θ的入射光的光栅方程为 

d(sini±sinθ)＝mλ     （2） 

当i和θ在光栅表面法线的同一侧时取“+”，否则取“-”。当m=1，括号内取“-”时，光栅方程变为 

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\λ}}{d}+\sin i=\frac{\mathrm{\λ}}{d}+g_0---\left(3\right)$

其中g₀是一个只与入射角i有关的常数。当光栅常数d一定时，整个光谱范围λ₁～λ₂对应的衍射角范围为θ₁～θ₂，有 

sinθ₂-sinθ₁＝(λ₂-λ₁)/d      （4） 

若将工作光谱波段λ₁～λ₃分为宽度相等的两份λ₁～λ₂、λ₂～λ₃，对应的衍射角分别为θ₁～θ₂、θ₂～θ₃，则有： 

Δλ＝λ₂-λ₁＝λ₃-λ₂    （5） 

$\mathrm{\Δ}\left(\sin \mathrm{\θ}\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_2-{\sin \mathrm{\θ}}_1={\sin \mathrm{\θ}}_3-\sin {\mathrm{\θ}}_2=\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{d}---\left(6\right)$

设两个子光谱带的中心波长分别为λ₀₁和λ₀₂，对应的入射角分别为α₁和α₂，衍射角分别为β₁和β₂。根据方程（1），选取合适的α₁、α₂可以使每个子波段对应的入射光和衍射光的夹角相等，即： 

α₁+β₁＝α₂+β₂    （7） 

通过这种方式，可以使每个波段对应的光谱相互平行对齐，如图4中光谱A和B所示，保证了各个子波段窗口的衍射光都能聚焦到DMD阵列表面。通过这种方式，可以在光谱分辨率不变的情况下，等效将DMD的象元数由原来的1024*768变为2048*384，可检测的光谱范围由原来的1000～1600nm，扩宽到800～2000nm，光谱仪的工作光谱增大一倍；当光谱仪的工作光谱范围仍为1000～1600nm时，由于DMD的象元数等效增大一倍，则可以将光谱仪分辨率增大一倍。为提高衍射效率，每个子光栅对应的闪耀波长各不相同。 

图2所示为光谱二维折叠哈达玛变换光谱仪中两个子光栅的相互位置。两个子光栅互成夹角，第一平面子光栅3对应的入射角为6.7°，第二平面子光栅4对应的入射角为12.6°，对应的子光谱波段分别为1400nm～2000nm和800nm～1400nm。 

近红外光属于微弱光谱信号，在光谱仪的设计过程中应该尽可能的提高光谱仪对入射光的能量利用率。为减少入射狭缝对光的遮挡，本系统省去了入射狭缝，从光纤出射的光直接入射到准直系统。光纤数值孔径NA=0.22，直径为100mm。由于光栅入射角对光栅的衍射效率影响较大，有必要对光栅衍射效率进行研究。根据空气中平面光栅衍射效率公式： 

${\mathrm{\η}}_m={\sin c}^2\{m-\frac{h}{\mathrm{\λ}}[\sqrt{n^2\left(\mathrm{\λ}\right)-{\sin }^{2}i}-\cos i\left]\right\}---\left(8\right)$

可得m=1时不同波长的衍射效率随入射角的变化曲线，见图5、图6。h为光栅最大高度，n(λ)为光栅在波长λ时的基底折射率。由图5可得，当入射角大于12.6°时，系统的衍射效率下降，所以选取入射角i₁＝12.6°。根据公式（1）、（3）可以计算得i₂＝6.7°，由图6可以看出1400～2000nm光波在该入射角时衍射效率都很高。 

图3为用光学设计软件ZEMAX模拟得到的光谱二维折叠哈达玛变换光谱仪的光学系统图。光纤直径为100um，数值孔径为0.22。设计过程中，鉴于光 谱仪高分辨率、小体积、低成本的考虑，选取准直透镜组2的焦距取30mm，成像透镜组5的焦距取50mm。设计过程中为消除球差和色差及象散等，采用了双胶合透镜。聚焦透镜组7的焦距为18mm，单点探测器的8直径为5mm。 

图4为两个子波段经成像透镜成像后，在DMD6表面的光谱分布图。从图中可以看出两个子光谱区A和B相互平行对齐。1400nm～2000nm和800nm～1400nm两个子波段在DMD6上的光谱长度分别为11mm和10mm，采用的DMD6尺寸为14mm*10mm，系统模拟得到的光谱长度均小于DMD6的长度，符合实际要求。DMD6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°。在保证光谱仪分辨率较高的情况下，将光谱仪的工作光谱范围提高了一倍，实现了哈达玛变换近红外光谱仪的高分辨率、宽光谱工作范围和快速测量的结合，具有很大应用前景。 

Claims (3)

1.一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，包括光源（1）、准直透镜组（2）、成像透镜组（5）、DMD（6）、聚焦透镜组（7）、单点探测器（8）、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统；其特征是，该光谱仪还包括互成夹角的第一平面子光栅（3）和第二平面子光栅（4），从光源（1）发出的宽波段复色光由光纤端口入射到准直透镜组（2），由准直透镜组（2）准直为复色平行光入射到两个互成夹角的第一平面子光栅（3）和第二平面子光栅（4）上，色散为两个相互平行的光谱带；光谱带由成像透镜组（5）会聚后按波长顺序依次入射到DMD（6）的不同位置，形成两个互相平行且两端对齐的光谱带A和B；利用静电驱动电路调整DMD（6）的角度，使经DMD（6）进行波长选通后由透镜组（7）聚焦在单点探测器（8）上，单点探测器（8）接收到的光谱信息经光谱信息采集处理系统进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。

2.根据权利要求1所述的一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，第一平面子光栅（3）对应的入射角为6.7°，第二平面子光栅（4）对应的入射角为12.6°，对应的子光谱波段分别为1400nm～2000nm和800nm～1400nm。

3.根据权利要求1所述的一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，DMD（6）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°。

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