CN104122206A - 光调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光调制装置，包括：第一色散元件和第二色散元件，分别用于接收第一光束和第二光束并使其色散；一个空间光调制器，从第一分光单元出射的色散后的样品光束和从第二反光单元出射的色散后的参考光束均入射到所述空间光调制器上，且二者在空间光调制器上的投影重合；第一探测器和第二探测器；空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，空间光调制器、第一探测器和第二探测器的相对位置为：使所述空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，入射到其上的色散后的样品光束被调制后入射到所述第一探测器上，入射到其上的色散后的参考光束被调制后入射到所述第二探测器上。

Description

光调制装置

技术领域

本发明涉及一种光调制装置，尤其涉及一种共用DMD（数字微反射镜）的光调制装置。

背景技术

光调制装置，尤其是光谱仪，是在工业上和科学研究中广泛使用的检测装置。在各种材料的检测和分析中，光谱仪能够定量检测出材料的反射或透射性质随波长的变化，从而分析材料的化学性质。光谱仪通常利用棱镜、衍射光栅或干涉计等色散元件将光分离成各个波长成份。光谱仪能够通过分析被某种物质反射或透射的光的光谱而确定该物质的成份，这为人类的科研活动提供了有力的工具。

对于传统的单通道光谱仪来说，最理想的光源是在整个光谱范围内发出恒定能量的光源。但是目前现有的光源还达不到这个水平，光源的波长会随着温度和光源的老化而发生漂移，因此需要额外的频率校正系统。而双光束光谱仪可以很好地解决这个问题，能够降低由光源、探测器和相关电子器件的波动所产生的误差。

双光束光谱仪可以同时测量样品光束和参考光束，然后通过比较这两束光束的测量结果而得到反映样品信息的光谱，因为样品光束和参考光束是同时测量的，光源、探测器和相关电子器件的波动对样品光束和参考光束的影响是相同的，因此在最后的比较过程中可以抵消掉光源、探测器和相关电子器件的波动造成的误差。传统双光束光谱仪一般使用光路切换装置交替地将光源发出的光导向样品或参考单元，然后探测器或软件程序可以处理所测量到的两个值从而生成吸收率或反射率随波长的变化谱。例如，常见的双光束光谱仪中，从光源发出的光被分束器分成两束，一束作为参考光束，另一束作为样品光束被样品吸收。该参考光束和被样品吸收后的样品光束共用一套分光系统，利用反射镜作为光路切换装置，使参考光束和被样品调制后的样品光束在时间上交替地入射到共用的分光系统中。在获得这两束光束的光谱后，使两光束相比较，从而得到吸收率或反射率随波长的变化谱。由于光路切换装置通常采用机械移动部件，其寿命有限且切换频率较低，通常仅能达到1Hz左右，切换时间远大于光源、探测器等的波动时间，由于参考光束和样品光束并非同时测量的，因此光源、探测器等装置在短时间内的波动会导致参考光束和样品光束的不同从而导致其测量条件的不同，因此无法起到校正误差的作用。

美国专利US6204919公开了一种双光束光谱仪，其包括分成第一臂和第二臂的光纤束、光传输装置、聚焦透镜、色散元件和探测器。其中探测器为双排传感器，具有512×2个像素。利用两排像素同时测量两个臂的光，从而能够同时测量样品光束和参考光束。然而，这种双光束光谱仪所用的探测器的结构非常复杂，且信号处理过程非常繁琐。

Hadamard变换光谱仪是一个通过光学调制过程来获取光谱信息的装置。Hadamard变换光谱仪具有是一种多通道光谱调制技术，具有光通量大，所得光谱图的信噪比高，采用光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，扫描速度快等优点。

DMD是近些年新发展起来的一种双稳态的空间光调制器，并广泛地应用于单通道的Hadamard变换光谱仪中。来自待测样品的光被光收集装置收集后导向狭缝，从狭缝发出的光穿过准直透镜后到达色散元件，色散元件将光束分成光谱，然后该光谱通过聚焦透镜被聚焦到DMD上，DMD对光谱信息进行Hadamard编码。探测器完成对该光谱的检测，然后通过Hadamard变换计算得到光谱信息。Hadamard变换光谱仪相对于其它光谱仪的好处是可以通过Hadamard变换算法实现比较高的信噪比，从而达到比较高的测量精度。对于双通道的光谱仪，也可以先将同一光源发出的光分成参考光束和样品光束，再利用两块DMD分别对参考光束和样品光束的色散后的光谱进行编码，然后再利用两个探测器分别对这两个光谱进行检测，从而实现参考光束和样品光束的同时测量。因为参考光束和样品光束是完全同时被测量的，因此可以非常好地校正光源波动带来的误差。但是由于DMD价格昂贵，这种采用两块DMD的光谱仪的成本过高。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光调制装置，通过对光路的设计，仅采用一块DMD即可实现两束光束的同时测量，从而减少所用DMD的数量或者说面积。

本发明提供一种光调制装置，包括：

第一色散元件，用于接收第一光束并使其色散；第二色散元件，用于接收第二光束并使其色散；

一个空间光调制器，用于接收从第一色散元件发出的色散后的所述第一光束以及从第二色散元件发出的色散后的所述第二光束，且二者在空间光调制器上形成的投影至少部分重合；

第一探测器和第二探测器，

其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、第一探测器和第二探测器的相对位置被布置为：当空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，使入射到其上的色散后的所述第一光束出射到所述第一探测器上，使入射到其上的色散后的所述第二光束出射到所述第二探测器上；当所述空间光调制器中的每一个单元处于第二状态时，使入射到其上的色散后的所述第一光束出射到不同于所述第一探测器方向的第一方向，使入射到其上的色散后的所述第二光束出射到不同于所述第二探测器方向的第二方向。本发明提供的空间光调制装置，能够同时接收来自两个方向的两束光并二者同时进行调制，因此可节省空间光调制器（例如DMD）的数量，或者降低所需空间光调制器的面积。

根据本发明提供的光调制装置，所述第一光束来自待测样品，所述第二光束来自参考样品。仅采用一块DMD即可实现参考光束和样品光束的同时、实时测量，从而非常好地校正由光源、探测器和相关电子器件等的波动所产生的误差，从而提高测量精度。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束来自不同的待测样品。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束的光谱范围不同。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束由具有第一光谱范围的光照射待测样品产生，所述第二光束由具有第二光谱范围的光照射待测样品产生，其中第一光谱范围不同于第二光谱范围。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一方向和第二方向上放置有吸收器，能够防止无用的光反射到系统的其他部分而造成光干扰。

根据本发明提供的光调制装置，其中第一方向与所述第二探测器的方向相同，从而省略在第一方向上的吸收器，降低成本。

根据本发明提供的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的﹣N级衍射光叠加地入射到所述空间光调制器上，其中N≥1。这能够使得重合在DMD上的投影中，不同颜色条纹的次序完全对应。

根据本发明提供的光调制装置，其中入射到所述空间光调制器上的为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的+N级衍射光，其中N≥1，或者为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的﹣N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的﹣N级衍射光。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为反射式凹面衍射光栅。

根据本发明提供的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相反的。

根据本发明提供的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相同的。

根据本发明提供的光调制装置，其中所述空间光调制器为DMD、液晶光阀、数字光处理器或光栅光阀。

根据本发明提供的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束和从第二色散单元出射的色散后的第二光束在空间光调制器上的投影完全重合，从而能够最大化地节省DMD的面积。

本发明提供的光调制装置，能够同时接收来自两个方向的两束光并二者同时进行调制，因此可节省空间光调制器（例如DMD）的数量，或者说是降低所需空间光调制器的面积。

本发明提供的光调制装置仅采用一块DMD即可实现两个光束的同时、实时测量，从而非常好地校正由光源、探测器和相关电子器件等的波动所产生的误差，从而提高测量精度。

本发明的光调整装置可以同时测量两个待测样品，从而可以增加测量的产率。

本发明所提供的光调整装置也可以对待测样品和参考样品进行比对，从而可以获得测量样品相对于参考样品的光谱吸收率或反射率，从而能够分析待测样品的成分。

附图说明

下面以光谱仪为具体形式来说明本发明的光调节装置。但是本领域的技术人员知晓本发明的光调节装置不限于为光谱仪的形式。以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为根据本发明一个实施例的光谱仪的光路结构示意图；

图2为被第一凹面衍射光栅反射后样品光束的详细结构；

图3为被第二凹面衍射光栅反射后参考光束的详细结构；

图4为DMD结构示意图；

图5为DMD中的一个微反射镜单元的结构示意图；

图6为根据本发明的实施例1的光谱仪中的DMD的工作方式的示意图；

图7为根据本发明的实施例2的光谱仪中的DMD的工作方式的示意图；

图8示出了各种颜色条纹的排布次序相反时的DMD；

图9示出了根据本发明的又一实施例的光谱仪的光路结构示意图；

图10示出了根据本发明的另一实施例的光谱仪的光路结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本实施例提供了一种双光束光谱仪，其光路结构如图1所示，包括：

光源1，用于提供照明光束；

分束器2，用于将光源发出的照明光束分成两束，其中一束作为样品光束S，另一束作为参考光束R；

第一分光单元，用于使样品光束S被样品调制（例如透射、散射、反射等）并使被样品调制过的样品光束S发生色散，包括第一反射镜10、用于承载待测样品的样品台3、第一狭缝11、第一准直元件12和第一凹面衍射光栅13，第一反射镜10接收到样品光束S后将其反射到样品台3上的样品中，透射过样品后，被调制过的样品光束S通过第一狭缝11然后被准直元件12准直后入射到第一凹面衍射光栅13，被第一凹面衍射光栅13反射后该样品光束S的详细结构如图2所示，分为0级衍射光，±1级衍射光…±N级衍射光，为清晰起见，图2中仅示出了0级和±1级衍射光，图2中的箭头表示波长由长至短的分布，可以看出+1级衍射光的波长分布方向与﹣1级的正相反，其中仅+1级衍射光被利用；

第二分光单元，用于使参考光束R发生色散，包括第二反射镜20、第二狭缝21、第二准直元件22、第二凹面衍射光栅23，第二反射镜20接收到参考光束R后将其反射到第二狭缝21，透过第二狭缝21的光然后被准直元件22准直后入射到第二凹面衍射光栅23，被第二凹面衍射光栅23反射后的光束的详细结构如图3所示，分为0级衍射光，±1级衍射光…±N级衍射光，为清晰起见，图3中仅示出了0级和±1级衍射光，图3中的箭头同样表示波长由长至短的分布，其中仅﹣1级衍射光被利用；

DMD4，被第一分光单元和第二分光单元所共用，使从第一分光单元出射的样品光束S的+1级衍射光和从第二分光单元出射的参考光束R的﹣1级衍射光分别从两个角度入射到DMD4上，且使该样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的﹣1级衍射光在DMD4上的投影（即光束在DMD上形成的光斑）完全重合（如图1所示，其中DMD4接收的光为样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的﹣1级衍射光），且彩色条纹的延伸方向相同，由于样品光束S的+1级衍射光与参考光束R的﹣1级衍射光的波长分布方向相同（如图2和图3中的箭头所示，均为从右向左），不同颜色条纹的次序完全对应，因此对于参考光束R和样品光束S的测量条件严格地相同；

第一探测器15和第二探测器25，分别用于接收被DMD反射的样品光束S和参考光束R，并测量所接收到的光的能量，第一探测器15与DMD之间还具有第一收集透镜14，第二探测器25与DMD之间具有第二收集透镜24；

比较装置（图1中未示出），用于使第一探测器15得到的信息与第二探测器25得到的信息相比较，从而得到反映样品信息的光谱。

下面详细描述利用共用的DMD同时测量样品光束S和参考光束R的过程。

DMD是一种双稳态的空间光调制器，其结构如图4所示，是由多个独立控制的微反射镜单元401（每个微反射镜401的结构如图5所示）构成的阵列，每个微反射镜单元401可被控制器寻址从而处于第一倾角（On状态）或第二倾角（Off状态）。当某一微反射镜单元处于On状态时，来自某一方向的入射光被反射到X方向，当该微反射镜单元处于Off状态时，来自该方向的入射光被反射到Y方向。现有技术中采用DMD的单通道光谱仪中，利用DMD对光谱信息进行Hadamard编码，并在X方向上放置探测器，以接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的光，以用于光谱分析。

而本发明中的DMD与现有技术中的单通道光谱仪中的DMD的工作方式有所不同。本发明中使用共用的DMD同时接收来自两个方向的样品光束S和参考光束R，通过控制DMD中的各个微反射镜单元的各自的方向，使其能够选择性地将样品光束S中的某波段的光反射到对应的用于测量光强的探测器中，从而能够分别得到各个波段的光的含量，进而得到样品光束S的光谱。而在DMD选择性地将样品光束S中的各个波段的光反射到对应的探测器中的同时，也将参考光束R中的各个波段的光反射到了与参考光束对应的另一个探测器中，从而同样可以得到参考光束R中的各个波段的含量，进而得到参考光束R的光谱。

上述实施例1提供的双光束光谱仪中的DMD的具体工作方式如图6所示。当某一微反射镜单元处于打开（On）状态时，样品光束S被反射到D1方向，参考光束R被反射到D2方向。当该微反射镜单元处于Off状态时，样品光束S被反射到A1方向，参考光束R被反射到A2方向。在D1方向上放置第一探测器15，在D2方向上放置第二探测器25（如图1所示），在A1方向上放置第一吸收器（图1中未示出），在A2方向上放置第二吸收器（图1中未示出），第一吸收器和第二吸收器能够防止无用的光反射到系统的其他部分而造成光干扰。则当微反射镜处于Off状态时，样品光束S被反射到A1方向并被第一吸收器吸收（废弃不用），参考光束R被反射到A2方向并被第二吸收器吸收（废弃不用）。当微反射镜处于On状态时，第一探测器可接收到被微反射镜反射的样品光束S，第二探测器可接收到被微反射镜反射的参考光束R。分别放置在D1和D2方向上的第一和第二探测器可接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的光，从而利用共用的DMD对样品光束S和参考光束R进行编码，以用于光谱分析。其中DMD的编码控制方式为本领域公知技术，例如常用的Hadamard转换、振幅调制、频率调制、随机编码图案或其他类似的变换等。

本实施例中，通过使样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的﹣1级衍射光从两个角度入射并重叠到共用的DMD上，并利用第一探测器15和第二探测器25分别接收被DMD反射的样品光束S和参考光束R，仅采用一块DMD即可实现参考光束和样品光束的同时测量，从而非常好地校正光源波动带来的误差。

实施例2

本实施例提供了一种双光束光谱仪，其基本结构与实施例1中提供的双光束光谱仪的结构基本相同，其区别仅在于DMD的工作方式不同。在本实施例中，DMD的工作方式如图7所示。当某一微反射镜单元处于On状态时，样品光束S被反射到D1方向，参考光束R被反射到D2方向。当该微反射镜单元处于Off状态时，样品光束S被反射到D2方向，参考光束R被反射到A方向。即相当于实施例1中的A1方向与D2方向重合。在D1方向上放置第一探测器15，在D2方向上放置第二探测器25，在A方向上放置吸收器。则当微反射镜处于Off状态时，样品光束S被反射到D2方向并被第二接收器接收，参考光束R被反射到A方向并被吸收器吸收（废弃不用）。当微反射镜处于On状态时，第一探测器可接收到被微反射镜反射的样品光束S，第二探测器可接收到被微反射镜反射的参考光束R。因此放置在D1方向上的第一探测器可接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的样品光束S，放置在D2方向上的第二探测器可接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的参考光束R，还可接收被DMD中的各个处于Off状态的微反射镜单元反射的样品光束S。其中DMD的控制方式为本领域公知技术，例如常用的Hadamard转换、振幅调制、频率调制、随机编码图案或其他类似的变换等，本领域技术人员可根据图7中所示的几何结构容易地得到具体的DMD控制方式以及得到光谱的具体算法。下文中将提供其中一种控制方式和得到光谱的具体算法作为示例，本领域技术人员可以容易地在此基础上做出各种变型。

例如，对于4级Hadamard编码来说，由第一探测器15检测到的能量可以写作E1,E2,E3,E4。第一探测器15总是检测到样品光束S被On状态下的微反射镜单元所反射的部分光。4级Hadamard矩阵可以写为：

$H_4=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)$    [1]

DMD中的每个微反射镜单元所反射的样品光束S的每种波长的含量可写作λ1,λ2,λ3,λ4，因此有如下方程：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\\ E4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\mathrm{\λ}1\\ \mathrm{\λ}2\\ \mathrm{\λ}3\\ \mathrm{\λ}4\end{array}\right)$    [2]

从方程[2]可以推导出每种波长的含量为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\λ}1\\ \mathrm{\λ}2\\ \mathrm{\λ}3\\ \mathrm{\λ}4\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\\ E4\end{array}\right)$    [3]

设由第二探测器25检测到的能量写作E1′,E2′,E3′,E4′。DMD中的每个微反射镜单元所反射的参考光束R的每种波长的含量可写作λ1′,λ2′,λ3′,λ4′。其中E1′,E2′,E3′,E4′中不仅含有参考光束R的﹣1级衍射光，还含有样品光束S的+1级衍射光，因此得到如下方程：

$\left(\begin{array}{c}{E1}^{\′}\\ {E2}^{\′}\\ {E3}^{\′}\\ {E4}^{\′}\end{array}\right)=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\begin{array}{c}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}1}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}2}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}3}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}4}^{\′}\end{array}\right)\end{array}\end{array}+\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 1& 0\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}\mathrm{\λ}1\\ \mathrm{\λ}2\\ \mathrm{\λ}3\\ \mathrm{\λ}4\end{array}\right)$

$=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}1}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}2}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}3}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}4}^{\′}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 1& 0\end{array}\right)\×{\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\\ E4\end{array}\right)$    [4]

$=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}1}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}2}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}3}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}4}^{\′}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 1& -1& 0& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 1& 0& 0& -1\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\\ E4\end{array}\right)$

从而可以推导出参考光束R的每种波长的含量为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}1}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}2}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}3}^{\′}\\ {\mathrm{\λ}4}^{\′}\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}E{1}^{\′}\\ E{2}^{\′}-E1+E2\\ E{3}^{\′}-E1+E3\\ E\mathrm{}{4}^{\′}-E1+E4\end{array}\right)$    [5]

上文中以4级Hadamard编码为例提供了一种DMD的控制方式和得到光谱的具体算法，本领域技术人员可以容易地在此基础上推导出n级Hadamard编码的具体控制方式和具体算法。例如对于样品光束S，每种波长的含量可以通过下式得到：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\λ}1\\ \mathrm{\λ}2\\ \·\·\·\·\\ \mathrm{\λn}\end{array}\right){{=H}_n}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ \·\·\·\·\\ \mathrm{En}\end{array}\right)$    [6]

对于参考光束R，可通过下式计算出每种波长的含量：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\λ}{1}^{\′}\\ \mathrm{\λ}{2}^{\′}\\ \·\·\·\·\\ \mathrm{\λ}{n}^{\′}\end{array}\right){{=H}_n}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}E{1}^{\′}\\ E{2}^{\′}-E1+E2\\ \·\·\·\·\\ E{n}^{\′}-E1+\mathrm{En}\end{array}\right)$    [7]

其中H_n表示n级Hadamard矩阵，H_n ^-1表示n级Hadamard逆矩阵。

该实施例中，可以仅使用一个吸收器，节省了成本，且光路结构更加简单。

上述实施例1和2中被DMD所利用的重合在其上的光为样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的﹣1级衍射光，容易理解的是也可以利用样品光束S的﹣1级衍射光和参考光束R的+1级衍射光同样可以实现本发明。在这两种情况下，重合在DMD上的投影中，不同颜色条纹的次序完全对应，因此对于参考光束R和样品光束S的测量条件严格地相同，光源、探测器等的波动对样品光束S和参考光束R的影响完全相同，可以非常好地实现误差校正。然而，在其他实施例中，也可以利用样品光束S的﹣1（+1）级衍射光和参考光束R的-1（+1）级衍射光，同样地使二者在DMD4上的投影完全重合，在这种情况下，样品光束S与参考光束R在DMD上的投影中，各种颜色条纹的排布次序是相反的，如图8所示，其中λ₁-λ₄，λ₁’-λ₄’代表波长不同的条纹，λ₁=λ₁’，λ₂=λ₂’，λ₃=λ₃’，λ₄=λ₄’的。从中可以看出，样品光束S中波长为λ₁的条纹与参考光束R中波长为λ₄’的条纹入射到DMD的同一位置。样品光束S中波长为λ₄的条纹与参考光束R中波长为λ₁的条纹入射到DMD的同一位置。在这种情况下，通过对DMD的算法控制，同样可以实现样品光束S和参考光束R的同时测量。由于DMD中的微反射镜的切换频率非常快（约为60-80Hz），因此DMD对检测光编码的时间远小于光源、探测器等的波动时间，因此可以认为利用DMD对检测光编码的过程为一种“准”实时的过程。因此虽然各种颜色条纹的排布次序相反，但是DMD对检测光的“准”实时编码使得光源、探测器等的波动对样品光束S和参考光束R的影响是基本相同的，不会在样品光束S和参考光束R之间产生较大差异，因此可以通过比较样品光束S和参考光束R来消除光源波动造成的误差。

上述各个实施例中，入射到DMD上的样品光束S和参考光束R在DMD上的投影是完全重合的，因此所需DMD的面积只要大于重合的投影大小即可，从而最大程度上节省DMD的面积。当然，样品光束S和参考光束R在DMD上的投影也可以不完全重合，即在空间上是错开的，同样可以仅使用一块DMD。但这种情况下所需DMD的面积为样品光束S和参考光束R在DMD上的投影的叠加后的面积，会对DMD的面积造成一定的浪费。然而由于空间上允许样品光束S和参考光束R在DMD上的投影的非精确对准，因此可以降低对第一凹面衍射光栅13、第二凹面衍射光栅23等光学元件的对准精度的要求。

由于0级衍射光不具有色散特性，±2级以上的衍射光强度过小，因此上述实施例中仅利用样品光束S和参考光束R的±1级衍射光。根据本发明的其他实施例，也可以采用样品光束S和参考光束R的±N（N≥2）级衍射光进行检测，但优选使用样品光束S和参考光束R的±1级衍射光进行检测。

上述实施例中采用反射式的凹面衍射光栅作为色散元件，也可以采用其他的形式，例如反射式或透射式衍射光栅作为色散元件，色散元件可与聚光元件组合，利用聚光元件将色散后的光会聚到DMD上。除了利用衍射原理实现色散功能的例如光栅的衍射型器件，也可以利用其他形式的作为本发明中的色散元件，例如棱镜等。对于棱镜等色散元件，只能够提供一束色散光，而并不存在±N级衍射光，只要色散元件将其所提供的色散光入射到DMD上即可实现本发明。

根据本发明的其他实施例，其中DMD4也可以由其他的空间光调制器来替代，例如液晶空间光调制器（或液晶光阀）、数字光处理器（DLP）、光栅光阀（GLV）等，通过阅读本发明，本领域技术人员可以理解的是，本发明中的空间光调制器是指包括多个能够独立控制的单元、且每个单元能够调制入射到其上的光的出射方向的器件，凡是能够实现这种功能的元件都可包含在本发明所说的空间光调制器中，均可用于本发明所提供的双光束光谱仪。上述实施例中的DMD4是通过反射的方式对入射到其上的光进行出射方向的调制的，根据本发明的其他实施例，也可以采用其他的方式（例如透射）进行出射方向的调制，例如可采用液晶光阀作为空间光调制器，将入射到空间光调制器上的光透射到不同方向，以实现出射方向的调制。

根据本发明的其他实施例，其中所述分光单元的结构并不限于上述实施例中所提供的结构，本领域技术人员可根据实际使用而对分光单元的组成和结构进行改变，只要是能够实现对样品光束S以及参考光束R进行分光的功能即可。

上述实施例1中，参考光束R从光源发出后，直接入射到第二狭缝21中，不经过任何样品，即使待测样品的光谱（即经待测样品调制后的光谱）与发出参考光束R的光源的光谱进行比较。然而在根据本发明的其他实施例中，如图9中的光路所示，也可以使参考光束R经过一参考样品5后再入射到第二狭缝21中，即，使待测样品的光谱与参考样品5的光谱进行比较。例如待测样品为一种物质A的水溶液，要测定物质A的光谱，一般需要排除作为溶剂的水的影响，这种情况下参考样品5可为水溶液，通过比较物质A的水溶液的光谱和水溶液的光谱，即可得出物质A的光谱。可以理解的是，上述实施例1中也可以看作是参考样品5为“空”的情形。

根据本发明的其他实施例，参考样品5也可以替换成另一待测样品，此时的双光束光谱仪可看做是两个单光束光谱仪，分别对两个待测样品进行检测，来自两个待测样品的光被分别色散后入射到同一个DMD上，再利用第一和第二探测器分别对来自两个待测样品的光进行检测。这种情况下，参考光束R加载了另一个待测样品，因此可同时测量两个样品，从而增加测量的产率。

上述实施例1中，参考光束R和样品光束S均来自同一个光源1，这样做的好处是可以使参考光束R和样品光束S完全相同，从而抵消光源的波动造成的影响。但是在其他实施例中，参考光束R和样品光束S也可以分别来自不同的光源1和2，这种情况下同样可以抵消掉除光源以外其他的器件，诸如探测器和相关电子器件等的波动所产生的误差。另外，不同的两个光源1和2的光谱范围可以不同，例如如图10所示，来自光源1的光谱范围为A1的第一光束和来自光源2的光谱范围为A2的第二光束分别入射到同一种的两个待测样品3（例如由同一个待测样品切分成的两部分）上，A1与A2不同，这种情况下可测量样品A1+A2光谱范围内的光谱，从而增加测量光谱谱段的范围。同时，本领域的技术人员知晓，上述光谱范围为A1和A2的两束光也可以入射到一个待测样品上，第一色散元件和第二色散元件分别接收待测样品调制后形成的两束光。

图1中所提供的光路拓扑结构为优选结构，这种光路结构只需少量的简单的光学元件，且系统的结构更加紧凑。根据本发明的其他实施例，上述优选拓扑结构并非对本发明的限制，本领域技术人员也可以根据本发明提供的内容而对该系统的光路拓扑结构做出改变，但依然属于本发明公开的范围。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

附图标记列表

光源1、分束器2、样品光束S、参考光束R、第一反射镜10、样品台3、第一狭缝11、第一准直元件12、第一凹面衍射光栅13、第二反射镜20、第二狭缝21、第二准直元件22、第二凹面衍射光栅23、DMD4、第一探测器15、第二探测器25、微反射镜单元401

Claims (14)

1.一种光调制装置，包括：

第一色散元件，用于接收第一光束并使其色散；

第二色散元件，用于接收第二光束并使其色散；

一个空间光调制器，用于接收从第一色散元件发出的色散后的所述第一光束以及从第二色散元件发出的色散后的所述第二光束，且二者在空间光调制器上形成的投影至少部分重合；

第一探测器和第二探测器；

其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、第一探测器和第二探测器的相对位置为：当空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，使入射到其上的色散后的所述第一光束出射到所述第一探测器上，使入射到其上的色散后的所述第二光束出射到所述第二探测器上；当所述空间光调制器中的每一个单元处于第二状态时，使入射到其上的色散后的所述第一光束出射到不同于所述第一探测器方向的第一方向，使入射到其上的色散后的所述第二光束出射到不同于所述第二探测器方向的第二方向。

2.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一色散元件接收的第一光束来自待测样品，所述第二色散元件接收的第二光束来自参考样品。

3.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束来自不同的待测样品。

4.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一光束由具有第一光谱范围的光照射待测样品产生，所述第二光束由具有第二光谱范围的光照射待测样品产生，其中第一光谱范围不同于第二光谱范围。

5.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一方向和第二方向上放置有吸收器。

6.根据权利要求5所述的光调制装置，其中第一方向与所述第二探测器的方向相同，从而省略在第一方向上的吸收器。

7.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为衍射光栅。

8.根据权利要求7所述的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的﹣N级衍射光叠加地入射到所述空间光调制器上，其中N≥1。

9.根据权利要求7所述的光调制装置，其中入射到所述空间光调制器上的为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的+N级衍射光，其中N≥1，或者为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的﹣N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的﹣N级衍射光。

10.根据权利要求7所述的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为反射式凹面衍射光栅。

11.根据权利要求1所述的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相反的。

12.根据权利要求1所述的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自在所述空间光调制器上的投影中，各种光谱成分的排布次序是相同的。

13.根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述空间光调制器为DMD、液晶光阀、数字光处理器或光栅光阀。

14.根据权利要求1所述的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束和从第二色散单元出射的色散后的第二光束在空间光调制器上的投影完全重合。