CN103759831B - 基于弹光效应的光谱测量装置及光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹光效应的光谱测量装置，属于光学测量技术领域。该装置包括沿入射光依次设置的第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片、光探测器，以及可对所述光弹性材料施加一系列不同压力的施压装置，第一偏振片的偏振方向与所述光弹性材料的光轴方向既不平行也不垂直。本发明还公开了一种基于弹光效应的光谱测量方法，利用弹光效应改变在介质中所传播入射光的折射率，使得光弹性材料在相同的外力下，不同波长的光通过光弹性材料后两束双折射光之间的相位差不同，结合偏振片从而达到改变出射光强的目的；通过测量不同外力下的光强度，并求解线性方程组获得待测入射光的频谱。本发明具有成本较低、分辨率高、光谱测量范围宽等优点。

Description

基于弹光效应的光谱测量装置及光谱测量方法

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，尤其涉及一种基于弹光效应的光谱测量装置及光谱测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是研究、测定光辐射的波长、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，将不同波长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，实现对光辐射的波长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，如今它的应用领域已经越来越广泛，如在天文观测、生物研究、医学及医药研究、国防、石油化工等。由于其重要的科研价值，光谱仪更加受到人们的关注，它已成为现代科学仪器的中重要的一个组成部分。（参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999]）。

然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、光谱测量分辨率高、测量的波长范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如目前商用傅里叶变换光谱仪不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲（参见文献[Yang Jae-chang, et al. Micro-electro-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slit grating and bolometer array, Jap. J. of Appl. Phys. 47(8),6943-6948(2008)]）。

因此，对于光谱仪来说，要求其能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的成本较高、制作困难、对振动敏感、分辨率不高、光谱测量范围较窄等技术问题，提供一种基于弹光效应的光谱测量装置及光谱测量方法。

本发明基于弹光效应的光谱测量装置，包括沿入射光依次设置的第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片、光探测器，以及可对所述光弹性材料施加一系列不同压力的施压装置，第一偏振片的偏振方向与所述光弹性材料的光轴方向既不平行也不垂直。

进一步地，所述光谱测量装置还包括设置于第一偏振片之前的光学准直装置。

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之间共同焦点处的小孔光阑。

进一步地，所述光谱测量装置还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。从而可根据光探测器的测量结果自动实现光谱复原及结果输出。

优选地，所述计算处理单元与所述施压装置的控制端连接，可对施压装置所施加的压力进行控制。

本发明基于弹光效应的光谱测量方法，使用以上任一技术方案所述光谱测量装置，该方法包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δ λ的波长段，n为大于1的整数，各波长段的中心波长为λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n  ；

步骤2、令待测入射光依次通过第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片，并通过所述施压装置施加n个不同的压力，用这n个压力下所述光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I ₁ , I ₂ ,…I _n ；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各波长分量λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n 的大小I(λ ₁ ), I(λ ₂ ),…I(λ _n )：

式中，C _ij  (i=1,2…n) (j=1,2…n) 表示在第j个压力下，波长为λ _i 的光在经过与不经过第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片的情况下，光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，通过实验预先测得；

步骤4、对I(λ ₁ ), I(λ ₂ ),… I(λ _n )进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

     优选地，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。

     相比现有技术，本发明技术方案及其优选和改进技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的光谱测量装置易于制作，成本低廉：其所需要的光弹性材料、偏振片、光探测器、施压装置等都是很成熟的产品，相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，制作更加简单容易。

2、本发明的光谱测量装置分辨率高，光谱测量范围宽。

3、本发明的光谱测量装置可以消除失真，实现光谱实时测量：采用Tikhonov正则化求解大型线性方程组的方法复原光谱，可以消除失真，实现快速实时光谱复原。与此同时，由于各种原因所造成的光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为具体实施方式中所示的光学准直装置结构示意图，其中：1为两个共焦的透镜，2为小孔光阑；

图2为具体实施方式中所示的光谱测量装置的结构示意图；其中，3为偏振片，4为光弹性材料，5为压力架，6为偏振片，7为光探测器；

    图3为本发明采用的入射光光谱波长划分方法，图中横坐标表示波长，单位是纳米；纵坐标是归一化光谱光强，单位是坎德拉每纳米。

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：

本发明的思路是利用弹光效应改变在介质中所传播入射光的折射率，使得在相同的外力下，不同波长的光通过光弹性材料后两束双折射光之间的相位差不同，结合偏振片从而达到改变出射光强的目的。通过测量不同外力下的光强度，并求解线性方程组获得待测入射光的频谱。

弹光效应是指塑料、玻璃等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的。但是当他们受到外力作用的时候，就会变成各向异性而显示出双折射现象，双折射的程度正比于所产生的应变。

为了对入射光进行光学整形，本实例中首先使入射光通过一个光学准直装置，本实施例中的光学准直装置的结构如图1所示，包括两个共焦的透镜1，两个透镜1共同的焦点处设置有小孔光阑2，入射光通过该光学准直装置后即可转变为平行光。这样不仅使得只有平行光才能入射到该光谱测量装置，而且限定了入射光的光束宽度，有利于提高测量的准确度。

本发明的光谱测量装置的结构如图2所示，包括沿入射光方向依次设置的偏振片3、光弹性材料4、偏振片6、光探测器7，偏振片3的偏振方向与光弹性材料4的光轴方向不平行且不垂直。光弹性材料4应具有较灵敏的应力双折射效应，且无色透明，无毒，材质均匀，在受力前是各向同性的；此外，还应具有较高的光学、力学比例极限，较小的初应力和时间边缘效应，较小的光学和力学蠕变，以及加工性能好等，例如赛璐珞、玻璃、酚醛树脂等。本实施例中采用了简易的旋转式的施压装置，如图2所示，通过旋转压力架5上方的旋钮，可以给光弹性材料4施加不同的压力。光探测器7是用来测量照射到其表面的光强度，可采用现有的各种光探测器，例如最常见的硅探测器。为了自动实现光谱复原过程中的数值采集与计算，本实施例中还包括与光探测器7信号连接的计算处理单元（图2中未示出）。

如图2所示，待测入射光首先通过偏振片3变为线偏振光，线偏振光通过光弹性材料4时，由于光弹性材料4在某一方向受到压力的作用，在这个方向上就形成了光弹性材料4的光轴。入射线偏振光按折射率椭球的两个允许的偏振方向即垂直于光轴方向和沿着光轴方向分解为两个振动分量o光和e光，两束偏振光传播方向一致。设应力为P，设o光和e光的折射率分别为n _o 和n _e ，则在一定的应力范围内，n _o- -n _e 与应力P成正比，即：

其中，c为光弹性材料4的材料系数，它和材料的性质有关。

    因此，两偏振光通过厚度为L的光弹性材料4后产生的相位差为：

    这两束光经光弹性材料4后又射至偏振片6，这时两束光都成为振动面平行于偏振片6主截面的平面偏振光，因而能够通过偏振片6，由于它们波长相同，有固定的相位差，振动方向又相同，因而能产生干涉，干涉的结果决定于它们的相位差。

由上述分析可知，当光弹性材料4确定后，透过偏振片6的干涉光强度与入射光波长λ和应力P有关。因此，对于某一特定波长的入射光，通过改变施加在光弹性材料4上的压力，光探测器7就将探测到不同的光强度；而对于不同波长的入射光，在对光弹性材料4施加相同的压力时，光探测器7所探测到的光强大小也不一样。在光弹性材料4上施加的压力取n种不同的值时，光探测器7就可以测得一系列的数据，将光探测器7探测到的值去除环境噪声后所得到的值作为增广矩阵；将光探测器7所能探测的波长范围均匀划分成n份，每一份的中心波长在入射光中的数值作为未知数；事先测得光探测器7在光弹性材料4上施加的压力取n种不同的值时对于各波长分量的探测率，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。基于该原理即可得到本发明的光谱测量（光谱复原）方法，具体如下：

步骤1、将所述光探测器7所能探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δ λ的波长段，n为大于1的整数，各波长段的中心波长为λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n  。

如图3所示，在光探测器7的测量波长范围内，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，假设每一份的中心波长为λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n ，波长间隔为Δλ，I(λ _i )(i=1,2,…n)为波长λ _i 对应的光强大小，入射光中每个波长段所对应的光强即为每个小矩形的面积，根据微积分原理，入射光的总光强I ₀ 可以近似为图中曲线下面各个小矩形面积的总和，即各波长分量光强的迭加。如果用数学公式表示，可表示为：

                       

步骤2、令待测入射光依次通过偏振片3、光弹性材料4、偏振片6，并通过压力架5施加n个不同的压力，用这n个压力下光探测器7所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I ₁ , I ₂ ,…I _n 。

由于测量环境中或多或少会存在噪声影响，本发明为了提高光谱测量结果的准确性，将实测得到光强数据进行校准，即减去环境噪声。对于特定的测量环境，环境噪声是唯一确定的定值，即在没有待测入射光条件下，光探测器7所探测到的测量环境中的光强数据。将光探测器7在n个压力下所探测到探测值分别减去环境噪声后，分别记为I ₁ , I ₂ ,…I _n 。

在给光弹性材料4施加的压力取第j个值的情况下，光探测器7所测到的光强再减去噪声光强后，应为：

其中，C _ij  (i=1,2…n)(j=1,2…n)表示在第j个压力下，波长为λ _i 的光在经过与不经过偏振片3、光弹性材料4、偏振片6的情况下，光探测器7所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。

当给光弹性材料4施加的压力为n种不同的值时，光探测器7就可以测得一系列的光强数据，将这些光强表示为如下线性方程组：

I ₁  = C ₁₁ I(λ ₁ )Δλ +C ₂₁ I(λ ₂ )Δλ + … + C _n1 I(λ _n )Δλ，

I ₂  = C ₁₂ I(λ ₁ )Δλ +C ₂₂ I(λ ₂ )Δλ + … + C _n2 I(λ _n )Δλ，        

…

I _n  = C _1n I(λ ₁ )Δλ +C _2n I(λ ₂ )Δλ + … + C _nn I(λ _n )Δλ ，

其中，C ₁₁ , C ₂₁ ,…C _n1 分别为在第1个压力下，波长为λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n 的光在经过与不经过偏振片3、光弹性材料4、偏振片6的情况下，光探测器7所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值。当光谱测量装置制作好后，则C _ij 为一组定值，可通过实验测得，例如，可采用如下方法：在暗室中，先用单色仪生成不同波长的入射光，用光探测器7直接探测由单色仪得到的不同波长λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n 的光强度；然后在光探测器7前依次放置偏振片3、光弹性材料4、偏振片6，在光弹性材料4上施加的压力取某一值的情况下，测量由单色仪得到的不同波长的光通过偏振片3、光弹性材料4、偏振片6，光探测器7所探测到的光强度，测得的光强与未加入偏振片3、光弹性材料4、偏振片6时所测到的光强分别减去噪声光强后两者的比值，即为不同波长的光在该压力下对于光探测器7的探测率C _1j , C _2j ,…C _nj 。改变在光弹性材料4上施加的压力，重复上述步骤，即可得到一组数据C _ij (i=1,2…n)(j=1,2…n)。这一组数据可组成系数矩阵 C ：

系数矩阵 C 是光谱测量装置的固有参数，每个特定的光谱测量装置对应一个恒定的系数矩阵 C 。

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各波长分量λ ₁ , λ ₂ ,…λ _n 的光强I(λ ₁ ), I(λ ₂ ),…I(λ _n )。

如果用矩阵形式 y=Cx 表示式，设 x 代表每一份的中心波长在入射光中的归一化光强的大小， C 代表探测率组成的系数矩阵，而光探测器7所接收到相应的光强减去噪声光强后作为增广矩阵 y ，则线性方程组可表示为以上矩阵形式。求解上述线性方程组得 x ，并根据下式进一步计算：

就可以求得入射光谱中各波长分量所对应光强I(λ _i )的大小。

步骤4、对I(λ ₁ ), I(λ ₂ ),…I(λ _n )进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

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的设计要求有一定的偏差，但是当器件做好后，光探测器7对于一定外力和一定波长的入射光，其探测率是一个固定值。只要对于不同的外力和不同的波长的入射光，光探测器7的探测率不同，就可以解方程组。在求解方程组过程中，光探测器7所采集到的光强以及对不同波长光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，用普通方法较难求解，而采用Tikhonov正则化的方法求解该线性方程组可以消除明显失真而且求解速度快，该方程组求解后即可得入射光各波长对应的归一化光谱光强，最后进行光谱定标就得到了入射光的复原光谱。以上的计算过程可利用计算处理单元自动进行，并可进一步利用计算处理单元同时对施压装置所施加的外力进行自动控制，从而实现自动快速的光谱测量。

Claims (6)

1.基于弹光效应的光谱测量方法，使用基于弹光效应的光谱测量装置，所述基于弹光效应的光谱测量装置包括沿入射光依次设置的第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片、光探测器，以及可对所述光弹性材料施加一系列不同压力的施压装置，第一偏振片的偏振方向与所述光弹性材料的光轴方向既不平行也不垂直；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将所述光探测器所能探测的波长范围等分为n个波长间隔为Δλ的波长段，n为大于1的整数，各波长段的中心波长为λ₁,λ₂,…λ_n；

步骤2、令待测入射光依次通过第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片，并通过所述施压装置施加n个不同的压力，用这n个压力下所述光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I₁,I₂,…I_n；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各波长分量λ₁,λ₂,…λ_n的大小I(λ₁),I(λ₂),…I(λ_n)：

式中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示在第j个压力下，波长为λ_i的光在经过与不经过第一偏振片、光弹性材料、第二偏振片的情况下，光探测器所探测到的值分别减去环境噪声后的两者的比值，通过实验预先测得；

步骤4、对I(λ₁),I(λ₂),…I(λ_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

2.如权利要求1所述基于弹光效应的光谱测量方法，其特征在于，所述基于弹光效应的光谱测量装置还包括设置于第一偏振片之前的光学准直装置。

3.如权利要求2所述基于弹光效应的光谱测量方法，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之间共同焦点处的小孔光阑。

4.如权利要求1所述基于弹光效应的光谱测量方法，其特征在于，所述基于弹光效应的光谱测量装置还包括与所述光探测器信号连接的计算处理单元。

5.如权利要求4所述基于弹光效应的光谱测量方法，其特征在于，所述计算处理单元与所述施压装置的控制端连接，可对施压装置所施加的压力进行控制。

6.如权利要求1～5任一项所述基于弹光效应的光谱测量方法，其特征在于，利用Tikhonov正则化的方法求解所述方程组。