CN106404691A - 微轴锥孔分光光谱检测分析系统 - Google Patents

Abstract

一种微轴锥孔分光光谱检测分析系统，属于光学和光电技术领域，涉及微纳米光学器件和图像处理，超连续光源发出的激光经过衰减片照射到样品上通过微轴锥孔板将激光分光，产生彩色光斑条纹，经光阑和透镜进行光束整形后由成像设备CCD记录在计算机上显示成像图案。然后通过软件计算图案的各像素点颜色信息再与标准光谱进行匹配后得到样品的光谱信息。由于微轴锥孔的高衍射效率以及自身的轻质量，使得整个光谱检测分析系统具有体积小、光程短、弧矢面面积小的特点。本系统分析处理光谱的速度快，可用作对可见光不完全反射或吸收的材料的光谱检测分析系统在物质识别、分析、鉴定和防伪方面有重要的应用价值。

Description

微轴锥孔分光光谱检测分析系统

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微纳米光学器件和图像处理，特别是一种体积小、质量轻、能够即时检测物质光谱的微轴锥孔分光光谱检测分析系统。

背景技术

假冒伪劣产品在市场上层出不穷，而对商品的鉴别方法大多复杂，且鉴定周期较长。本系统可以对不同样品的光谱进行测量，并快速地判别出物质种类。并且本系统具有体积小、轻便且便于携带的特征。

微轴锥孔产生具有高衍射效率(一级最高衍射效率达90％以上)，且具有非常强的分光特性，可以在较短的光程内达到分色效果，是突破传统棱镜分光的有效途径之一。棱镜的尺寸、重量相对较大，价格相对较高，且棱镜分光具有光程较长的劣势，微轴锥孔的第一级衍射条纹衍射在工作波长范围(450nm-750nm)内最低可达到50％。本产品通过对光场的快速分析、欧氏距离匹配以及样品比对。可以快速地分辨出物体光谱。

发明内容

本发明目的是为了区分不同物质的可见光波段(450nm-750nm)的透射光谱而提出的一种体积小、质量轻、能够即时检测物质光谱的微轴锥孔分光光谱检测分析系统。激光照射样品经衰减片后由微轴锥孔分光后通过照相机记录以及后期图像处理技术，即时、快速产生被测物体在可见光波段内的光谱。

本发明的技术方案是：

微轴锥孔分光光谱检测分析系统，包括超连续激光器、衰减片、样品台、微轴锥孔、小孔光阑、透镜、CCD，通过超连续激光器发射的激光，经过衰减片照向微轴锥孔，经过样品后由小孔光阑和透镜进行光束整形最后照向CCD。

进一步的，激光光斑经衰减片透射过样品后照射一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强空心旋转电场的微轴锥孔，微轴锥孔沿极径的相位分布以及层高h_opt由下式确定：

其中：其中r是极径，λ是入射光波长，n为微轴锥孔的折射率，Λ是极径周期，mod表示取余；将微轴锥孔分光后的光束通过小孔光阑，然后使用透镜聚焦，将聚焦后的光束打入CCD中；经过计算机程序分析各像素点的颜色信息，并与标准光谱进行比对从而得到样品在可见光波段的光谱图。

进一步的，所述的微轴锥孔产生的一级衍射半径由下式确定：

其中：z是微轴锥孔到像面的距离，θ是微轴锥孔中心与一级衍射条纹连线与主光轴的夹角。

进一步的，当入射光照射样品后，计算机程序通过计算图片颜色信息与标准颜色波长的欧式距离D，进行与标准光谱的颜色匹配，欧式距离D定义由下式确定：

其中R,G,B为图像信息中的RGB图像信息分量，r,g,b为标准光谱图中RGB图像信息分量，m,n代表采集图像信息中的第m行第n列的像素点，λ为波长；其中标准光谱图中波长的采样间隔为1nm；采样范围从450nm-750nm；通过对所得欧式距离进行排序，图片颜色与标准光谱上波长中最短的欧氏距离即定义为该像素点所代表的波长；通过计算与统计整个图片的所有像素从而得到样品采集图像所代表的光谱图。

本发明的优点和积极效果：

本发明的微轴锥光谱检测分析系统，可用作对可见光不完全反射或吸收的材料的光谱检测分析，微轴锥孔分光光谱检测分析系统在物质识别、分析、鉴定和防伪方面有重要的应用价值。

附图说明

图1是微轴锥孔的主视图、左视图及俯视图。其中：(a)是微轴锥孔的主视图；(b)是微轴锥孔的左视图；(c)是微轴锥孔的俯视图。

图2是微轴锥孔衍射级次效率分析。其中：(a)为衍射效率分析光路图；(b)是彩色CCD记录下的图案；(c)是不同衍射级次在不同波长段的分光效率图。

图3是系统对不同样品处理过程的程序流程图。

图4实例实验光路图。

图中：1.超连续激光器；2.衰减片；3.样品台；4.微轴锥孔；5.小孔光阑；6.透镜；7.CCD。

图5水和酒精的采集图像。

图6水和酒精的光谱对比图像。其中：(a)450-750nm光谱对比图(b)690-710nm光谱对比图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明如下：

如图1所示，本发明特征在于激光光斑经衰减片透射过物体后照射一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强空心旋转电场的微轴锥孔，该孔具有非常高的衍射效率。微轴锥孔沿极径的相位分布以及层高h_opt由下式确定：

微轴锥孔沿极径的相位分布以及层高h_opt为：

其中：其中r是极径，λ是入射光波长，n为微轴锥孔的折射率，Λ是极径周期，mod表示取余。实验室中英文光源红光波长强度较强，故取λ为632.8nm。微轴锥孔的折射率为1.46，Λ取20μm；

本发明中螺旋微轴锥孔的制作可采用激光直写及电感耦合等离子体刻蚀的方法实现。其具体步骤如下：

(1)在石英衬底上涂光刻胶。

(2)利用激光直写的方法在涂布光刻胶的表面写入微轴锥孔结构。

(3)将激光直写后的样品放入显影剂中。

(4)通过电感耦合等离子体刻蚀的方法将光刻胶上的结构刻蚀转移到石英衬底上。

本专利的图像处理计算机程序处理如图3分为如下几个步骤：

步骤1：根据激光器选择合适的滤波片

步骤2：装入样品

步骤3：微调微轴锥孔位置，使出射光斑具有较好的圆对称性

步骤4：镜头记录出射光斑图案

步骤5：软件对相片逐点采样

步骤6：将采样结果与存储的标准光谱信息比对

步骤7：计算各像素点与标准光谱信息上最匹配的波长值

步骤8：记录统计各波长点像素个数

步骤9：绘制样品光谱图

步骤10：结束

下面以水和酒精为实施例，描述实验室内微轴锥分光光谱检测系统对样品的光谱处理过程，首先搭建实验光路图，如图4所示，本发明检测分析系统包括超连续激光器1、衰减片2、样品台3、微轴锥孔4、小孔光阑5、透镜6、CCD7，通过超连续激光器1发射的激光，经过衰减片2照向微轴锥孔4经过样品后由小孔光阑5和透镜6进行光束整形最后照向CCD7。处理过程是：

1.首先将样品台3清空装入水并测量水的光谱。

将超连续激光射入系统，根据超连续光源在长波长功率较强，短波长功率较小，且整体功率较高的特性选择红光强衰减片，使得出射光光斑较为清晰；

微调微轴锥孔4位置，使得出射光斑具有较好的圆对称性；

使用彩色CCD7记录出射光斑图案，如图5(a)所示；

通过软件处理后所得的光谱图案，如图6中虚线谱线所示；

关闭激光。

2.同理将样品台3上放置酒精。

将超连续激光射入系统，放置之前选择的衰减片2；

微调微轴锥孔4位置，使得出射光斑具有良好的圆对称性；

使用彩色CCD7记录出射光斑图案，如图5(b)所示；

通过软件处理后所得的光谱图案，如图6中实线谱线所示。

3.通过对比水和酒精的光谱图可以发现他们在多个波长出现较大差别，即可区分出不同物质。

本发明提供的微轴锥分光光谱检测系统通过螺旋微轴锥孔4分光可以在非常短的成像距离内产生非常强的分光效果。微轴锥孔4的第一级衍射条纹衍射在本系统工作波长范围(450nm-750nm)内如图2所示最低可达到50％。最高衍射效率可达到90％，其半径r₁定义式为：

其中：z是微轴锥孔到像面的距离，θ是微轴锥孔中心与一级衍射条纹连线与主光轴的夹角。

当入射光照射样品后，计算机程序通过计算图片颜色信息与标准颜色波长的欧式距离D，进行与标准光谱的颜色匹配，欧式距离D定义由下式确定：

其中R,G,B为图像信息中的RGB图像信息分量，r,g,b为标准光谱图中RGB图像信息分量，m,n代表采集图像信息中的第m行第n列的像素点，λ为波长；其中标准光谱图中波长的采样间隔为1nm；采样范围从450nm-750nm；通过对所得欧式距离进行排序，图片颜色与标准光谱上波长中最短的欧氏距离即定义为该像素点所代表的波长；通过计算与统计整个图片的所有像素从而得到样品采集图像所代表的光谱图。

本发明中，可以根据图像采集设备的分辨率自由调整像面距离，因此整个系统的光程较小。由于光程较小，不同样品因折射率产生的光线偏折在较短光路中产生的光线偏移量差值也会相对较小，因此本系统的弧矢面面积也非常小。由于分光器件为螺旋微轴锥孔4，而不是传统的棱镜，由于螺旋微轴锥孔4的大小远小于棱镜且重量远低于棱镜，故系统质量较传统光谱探测系统较轻，体积较小。光谱处理系统为计算机程序而非传统的光功率计，故不需要额外的光谱处理硬件且处理速度非常快，降低了光谱探测系统成本，节省了光谱处理时间。

Claims (4)

1.微轴锥孔分光光谱检测分析系统，其特征在于：包括超连续激光器、衰减片、样品台、微轴锥孔、小孔光阑、透镜、CCD，通过超连续激光器发射的激光，经过衰减片照向微轴锥孔，经过样品后由小孔光阑和透镜进行光束整形最后照向CCD。

2.根据权利要求1所述的微轴锥孔分光光谱检测分析系统，其特征在于：激光光斑经衰减片透射过样品后照射一种高空间分辨率、高灵敏度、能产生强空心旋转电场的微轴锥孔，微轴锥孔沿极径的相位分布以及层高h_opt由下式确定：

$h_{opt}=\frac{\mathrm{\λ}}{n-\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}\right)}^2}}$

其中：其中r是极径，λ是入射光波长，n为微轴锥孔的折射率，Λ是极径周期，mod表示取余；将微轴锥孔分光后的光束通过小孔光阑，然后使用透镜聚焦，将聚焦后的光束打入CCD中；经过计算机程序分析各像素点的颜色信息，并与标准光谱进行比对从而得到样品在可见光波段的光谱图。

3.根据权利要求1或2所述的微轴锥孔分光光谱检测分析系统，其特征在于：所述的微轴锥孔产生的一级衍射半径由下式确定：

$r_1=z\·tan\mathrm{\θ}=z\·tan\[a\sin \left(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}\right)\]$

其中：z是微轴锥孔到像面的距离，θ是微轴锥孔中心与一级衍射条纹连线与主光轴的夹角。

4.根据权利要求2所述的微轴锥孔分光光谱检测分析系统，其特征在于：当入射光照射样品后，计算机程序通过计算图片颜色信息与标准颜色波长的欧式距离D，进行与标准光谱的颜色匹配，欧式距离D定义由下式确定：

$D(m,n,\mathrm{\λ})=\sqrt{{\left(R\right(m,n)-r(\mathrm{\λ}\left)\right)}^2+{\left(G\right(m,n)-g(\mathrm{\λ}\left)\right)}^2+{\left(B\right(m,n)-b(\mathrm{\λ}\left)\right)}^2}$

其中R,G,B为图像信息中的RGB图像信息分量，r,g,b为标准光谱图中RGB图像信息分量，m,n代表采集图像信息中的第m行第n列的像素点，λ为波长；其中标准光谱图中波长的采样间隔为1nm；采样范围从450nm-750nm；通过对所得欧式距离进行排序，图片颜色与标准光谱上波长中最短的欧氏距离即定义为该像素点所代表的波长；通过计算与统计整个图片的所有像素从而得到样品采集图像所代表的光谱图。