CN107923793A - 小型光谱仪和光谱方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型光谱仪（8），其包括：光学系统；包括偏振器（2）、萨瓦尔元件（14）和分析器（5）的偏振干涉仪（15）；包括探测器（7）的探测单元（12）；和数据单元（13），其特征在于，光学系统构造为扩散器（1）。

Description

小型光谱仪和光谱方法

技术领域

本发明涉及一种小型光谱仪和一种用于获知由物体反射的、传输的或发射的射束的光谱的方法。

背景技术

本发明根据独立专利权利要求的类属从一种小型光谱仪和一种用于获知由物体反射的或发射的射束的光谱的方法出发。

在“A static polarization imaging spectrometer based on a Savartpolariscope”（Zhang等人，Optics Communications 203 (2002)，21-26）中描述了一种基于简单的萨瓦尔偏光器的成像的偏振光谱仪（PIS）。偏振光谱仪产生二维的强度分布，该强度分布沿空间方向包含干涉图，并且沿与之正交的方向包含图像信息。两个分量在此同时存在，并且必须彼此分离。二维的分布借助二维的CCD（charge-coupled device：电荷耦合装置）探测器接收。PIS包括：无限光学器件；包括偏振器、萨瓦尔偏光器和分析器的偏振干涉仪；成像透镜；和用于信号接收和信号处理的系统。无限光学器件从来自每个物体点的射束产生自身平行的带有不同的角度的射束集。PIS的分辨率能够通过CCD探测器的尺寸和形成萨瓦尔偏光器的双折射层的厚度调节。分辨率随着CCD探测器的尺寸的增大和双折射层的厚度的增大而提升。光谱的分辨率此外依赖于可用的角度范围、两个偏振方向之间的折射率对比度和萨瓦尔偏光器与探测器之间的透镜的焦距。

发明内容

本发明说明了一种小型光谱仪和一种用于借助根据本发明的小型光谱仪获知由物体反射的、传输的或发射的射束的光谱的方法。

小型光谱仪是带有在厘米范围内的尺寸的光谱仪，其中在厘米范围以下的更小的尺寸也包括在内。带有独立专利权利要求的特征的本发明具有如下优点：根据本发明的小型光谱仪具有紧凑的可小型化的结构。此外，根据本发明的小型光谱仪的廉价的制造是可能的。此外，根据本发明的小型光谱仪的特征在于高的用户友好性和测量错误的减少，这是因为测量结果在很大的区域内不依赖于光的入射角和小型光谱仪与测量物体之间的间距。通过空间图像信息的均质化形成的另外的优点是：在数据中仅存在光谱信息，并且复杂的背景信号不必一起考虑到。这提升了根据本发明的小型光谱仪的精确性和可再生产性。

这一点借助小型光谱仪实现，其包括：光学系统；包括偏振器、萨瓦尔元件和分析器的偏振干涉仪；包括探测器的探测单元；和数据单元，其中光学系统构造为扩散器。根据本发明的小型光谱仪的分辨率有利地不依赖于物体的特性和光源的类型，这是因为在根据本发明的小型光谱仪中，扩散器总是负责充分利用小型光谱仪的萨瓦尔元件的接收角。通过扩散器，接收角由来自待研究的物体的光完全照亮。

在根据本发明的小型光谱仪的改进方案中，探测单元包括聚焦光学器件，其中聚焦光学器件在光路中布置在偏振干涉仪与探测器之间。由此有利地，带有相同的路程差异的射束聚焦到探测器的共同的点上。因此能够产生空间分解的干涉图。

附加地或替选地，根据本发明的小型光谱仪能够包括光源。因此能够实现利用光源照射待研究的物体，从而有利地，来自待研究的物体的光的强度得到提高，并且因此测量结果能够得到改进，或者才能够实现足够具体的测量。根据应用也仅因此确保了对照射物体的光的光谱特性的需要的认识。此外，通过光源能够实现使用不依赖于环境光的波长和光谱强度。因此，在没有或仅不充分地通过环境光，例如紫外线光或红外线光覆盖的频率范围内的光谱也能够得到激励。此外，能够通过调试光源选择通过该光源激励的、吸收的或传输的射束。因此，来自物体的被测量的光谱没有由于环境射束的光谱份额而出错，并且也能够实现在没有被遮光的空间中的测量。这尤其是在受控的实验室环境以外的日常的使用中，并且因此对于使用在日常的使用的货物中来说是不可缺少的。也能够通过这种光源选择性地照射特定的区域，这尤其是在带有非均质的特性的膨胀的样品中是有利的。

在有利的实施方式中，扩散器布置在偏振干涉仪的偏振器上。由此能够实现根据本发明的小型光谱仪的紧凑的结构和小型化。

根据本发明的小型光谱仪的数据单元能够在有利的设计方案中包括参考数据库。由此，对由物体反射的或发射的射束的光谱的内部的评估是可能的。根据本发明的小型光谱仪能够不依赖于网络通道的可用性或外部的参考数据库地使用。

替选地，根据本发明的小型光谱仪的数据单元能够设计为针对小型光谱仪与外部的评估元件之间的数据传递的通信接口，外部的评估元件包括参考数据库和数据处理单元。因为评估能够在外部进行，所以根据本发明的小型光谱仪在该实施方式中具有比之前的实施方式更少的构件，并且因此能够有利地更廉价地制造。此外，外部的评估元件能够由多个用户使用，并且通过发送关于评估质量的反馈执行参考数据库的改进。此外，参考数据库的更新因此能够得到执行。

在根据本发明的小型光谱仪的另外的实施方式中，探测器构造为一维的传感器矩阵。有利的是：因此能够实现根据本发明的小型光谱仪的非常紧凑的结构和小型化。

在替选的设计方式中，探测器构造为二维的传感器矩阵。该实施方式的优点在于：干涉图在一个维度中示出，并且沿第二维度的方向多次重复，从而干涉图能够在第二维度上被平均，并且因此信噪比相对于使用一维的传感器矩阵得到改进。

在另外的实施方式中，光学系统构造为对准的扩散器。该扩散器能够有利地与萨瓦尔元件的开口角度相协调。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在随后的描述中详细阐述。附图中相同的附图标记表示相同的或作用相同的元件。其中：

图1a示出了根据本发明的小型光谱仪的根据本发明的部分的结构；

图1b示出了根据本发明的小型光谱仪的功能原理的示意图，其中各个部件为了更好的概览性而彼此分离地示出；

图2示出了根据本发明的小型光谱仪的数据单元和其功能原理；

图3示出了根据本发明的小型光谱仪和外部的评估元件；并且

图4示出了具有整合的光源的根据本发明的小型光谱仪。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的小型光谱仪8的结构。数据单元13在图1a中未示出。根据本发明的小型光谱仪8的实施例包括是扩散器1的光学系统、偏振器2、第一双折射晶体3、第二双折射晶体4、分析器5、透镜6和探测器7。双折射晶体3、4共同形成萨瓦尔元件14。偏振器2和分析器5在光路中布置在萨瓦尔元件的两个对置的侧面上。它们和萨瓦尔元件14一起形成偏振干涉仪15。扩散器1布置在偏振器2的与萨瓦尔元件14对置的侧面。在该实施例中，扩散器1直接施加到偏振干涉仪15上，由此得到非常紧凑的布置。在光路中在分析器5的与萨瓦尔元件14对置的侧面上布置有聚焦光学器件6。在该实施例中，聚焦光学器件是透镜6。透镜6构造为会聚透镜，即碰撞到透镜6上的平行的射束在透镜6的焦点平面中相交。探测器7以如下方式布置：使其射束敏感的表面7a位于透镜6的焦点平面内。射束敏感的表面7a用于探测射束。在该实施例中，射束敏感的表面7a通过二维地布置各个射束传感器、所谓的二维的传感器矩阵在透镜6的焦点平面内实现。在替选的实施例中，射束敏感的表面7a通过一维地布置射束传感器、所谓的一维的传感器矩阵在透镜6的焦点平面内实现。

替选地，聚焦光学器件6能够包括随后的元件的至少其中一个：折射元件、衍射元件、全息光学元件或反射元件。

射束通过根据本发明的小型光谱仪8的不同的元件的走向的示意图在图1b中示出。数据单元13在图1b中未示出。为了更好的概览性，小型光谱仪8的各个部件彼此间隔开地示出。实线位于附图平面中，虚线具有进入附图平面中的分量。射束走向示例性地针对两个射束S1、S2示出，其以彼此不同的角度碰撞到偏振器2上。此外，射束S1、S2的走向从扩散器1上的另外的点出发地示出。扩散器1是光学结构元件。其具有许多很小的散射中心。碰撞到扩散器1的第一侧面11上的射束在穿过扩散器1时因此朝不同的方向偏转。从扩散器出来的射束的强度的角度依赖性具有限定的形状，并且不依赖于碰撞在扩散器1的第一侧11上的射束的角度和强度分布。因此，待研究的物体能够以相对于小型光谱仪的许多间隔和角度布置，而不会改变小型光谱仪的测量结果。从扩散器1出来的射束由布置在光路中的偏振器2线性偏振。线性偏振的射束在穿过偏振器2后首先进入带有第一光轴OA1的第一双折射晶体3，并且随后穿过带有第二光轴OA2的第二双折射晶体4。双折射晶体3、4的主截面通过垂直于进入面3a的平面描述，并且包含光轴OA1、OA2。在该实施例中，第一光轴OA1与进入面3a之间的角度为45º。第二双折射晶体4的主截面相对于第一双折射晶体3的主截面转动90º。双折射材料针对进入的射束的不同的偏振具有不同的折射率。在双折射中，进入的射束分为两个彼此垂直偏振的分量。一方面是普通射束（其电场垂直于主截面），另一方面是特别射束（其电场在双折射晶体3、4的主截面中震荡）。随后被称为碰撞到双折射晶体上的射束的子射束的普通和特别的射束的波前具有不同的传播速度，其通过不同的折射率确定。由此，普通射束和特别射束在穿过双折射晶体3、4后具有相差，其依赖于不同的折射率的差、双折射晶体3、4的厚度和入射角。相差与子射束的路程差异成正比。在该实施例中，偏振器2以如下方式选择：使普通射束和特别射束在萨瓦尔元件14中具有相同的强度。偏振方向因此以如下方式选择：使其相对于双折射晶体3、4的主截面具有45º的角度。第一射束S1垂直地碰撞到第一双折射晶体3上。在第一双折射晶体中，其分为普通射束S1O和特别射束S1A。普通射束S1O根据斯涅耳折射定律折射，因此，其在没有偏转的情况下穿过第一双折射晶体3。介电系数说明了材料针对电场的穿透性。其通常通过张量描述。因此，电场通常不平行于电通量密度。传播矢量不仅在材料中而且也在材料外部垂直于电通量密度。传播矢量的方向也在特别射束S1A中得到保持。但特别射束S1A的传播方向仍然通过坡印亭矢量确定，其垂直于电场。传播矢量与坡印亭矢量之间的角度等于电场与电通量密度之间的角度。因此，能够从电场的分量确定角度，在该角度下，特别射束S1A穿过第一双折射晶体3。第二双折射晶体4的主截面垂直于第一双折射晶体3的主截面。特别射束S1A的电场因此垂直于第二双折射晶体4的主截面震荡。在进入第二双折射晶体4的情况下，特别射束变为第二双折射晶体4的新的普通射束并且根据斯涅耳折射定律折射。普通射束S1O的电场在第二双折射晶体4的主截面中震荡。因此，普通射束在进入第二双折射晶体4的情况下变为新的特别射束，并且以如下角度穿过第二双折射晶体，该角度能够从新的特别射束的电场的分量确定。在穿过萨瓦尔元件14后，射束S1的子射束在不同的点上从萨瓦尔元件14出来，并且随后基于斯涅耳折射定律又彼此平行地并且垂直于进入面3a地延伸。所述子射束然而如之前描述的那样具有相差。两个子射束的相差如之前描述的那样尤其依赖于进入萨瓦尔元件14的进入角，并且针对垂直的射束S1是零。在光路中在萨瓦尔元件14后面布置有分析器5，其使射束沿和偏振器2相同的方向偏振。两个子射束在穿过分析器5后具有相同的偏振。因此，子射束能够发生干涉。子射束借助会聚透镜6聚焦到在其焦点平面中的点上。两个子射束发生干涉。在探测器7上得到强度斑点，探测器布置在透镜6的焦点平面中。因为会聚透镜6使所有平行地碰撞到会聚透镜上的射束聚焦到焦点平面中的点上，所以如第一射束S1垂直地碰撞到萨瓦尔元件14上的所有射束在探测器上形成共同的强度斑点。第二射束S2以和第一射束S1不同的角度碰撞到萨瓦尔元件14上。在图1b中画出第二射束S2从扩散器1上的不同的定位开始的示意性的走向。第二射束也分为普通射束S2O和特别射束S2O。普通射束S1O在材料中根据斯涅耳折射定律折射。特别射束S2A的走向如之前描述的那样确定。在和第二射束S2相同的角度下碰撞到萨瓦尔元件14上的所有射束在穿过偏振干涉仪15后聚焦到透镜6的焦点平面中的共同的强度斑点上。强度斑点由探测器7探测。探测器7上的每个强度斑点因此相应于另一个路程差异。萨瓦尔元件14产生不同的路程差异。随着与探测器7的中心的间距的增大形成带有越来越大的路程差异的干涉的子射束的强度斑点。因此，在探测器上产生空间分解的干涉图。这对于傅里叶变换光谱来说是需要的。

在典型的实施方式中，扩散器1是1毫米厚的带有散射颗粒的石英玻璃板，其粘贴到带有0.5mm的厚度的偏振薄膜2上，偏振薄膜位于萨瓦尔元件14上，萨瓦尔元件包括两个分别3mm厚的由金红石构成的板，板以如下方式布置：使光轴OA1、OA2相对于进入表面分别具有45º的角度，并且位于彼此呈90º地布置的主截面中。替选地，在另外的实施方式中，替代由金红石构成的板地能够布置有由方解石构成的板。在萨瓦尔元件14的出射面上安置有带有0.5mm厚的另外的偏振薄膜，其作用为分析器5。出射光于是通常通过带有通常4mm的焦距的消色差聚焦透镜6成像到二维的光子探测器阵列7a上，光子探测器阵列带有通常4mm的对角线和五百万个像点。

各个像素的信号沿一个方向（例如行）包含干涉图，从干涉图通过傅里叶变换能够获得碰撞到扩散器1上的光的光谱。沿另一方向，该信息重复，从而通过平均能够实现信号改进。因此获得的光谱能够要么直接与参考光谱比较，要么提前以化学计量的方式评估，并且随后与参考值比较，以便因此推断出研究的物体的成分。

在另外的实施例中，第一光轴OA1与进入面3a之间的角度在30 º至60 º之间选择。

在另外的实施例中，作为探测器单元12不能够使用固定建造的探测器单元12，而是使用移动电话设备或布置在外部的安保照相机的照相机。扩散器1和偏振干涉仪15在此形成一个单元，其能够在使用时布置在照相机上。

在另外的实施例中能够使用对准的扩散器1，其与萨瓦尔元件的适当的开口角度相协调。

图2示出数据单元13的功能原理，数据单元在实施例中整合到小型光谱仪8中。在探测器单元12中产生空间分解的干涉图20a。该干涉图被传送到数据单元13上。数据单元13在该实施例中包括数据处理单元16、参考数据库17和比较单元18。空间分解的干涉图20a被传送到数据处理单元16上。在那里进行干涉图的傅里叶变换。被傅里叶变换的干涉图是由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b。在参考数据库17中存储有公知的物体、化合物、材料等的光谱。在比较单元18中，由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b与公知的光谱比较，这能够在应用化学计量的算法之前或之后发生。因此，由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b配属于公知的物体、公知的化合物、公知的材料等。这说明了待研究的物体的情况。光谱信息18b或由此获知的较高值的信息，例如待研究的物体的材料特性形成数据单元13的出口。在此能够向用户选择性地表明原始数据20a、傅里叶变换的光谱16b或在化学计量的分析后得到的关于物体的信息。

图3示出一种实施例，其中数据单元构造为通信接口19。小型光谱仪8在此整合到电子设备22中。通信接口19能够实现小型光谱仪8与外部的评估元件20之间的数据传递18b、20a、20b。数据传递18b、20a、20b例如能够通过因特网连接、LAN、WLAN、USB、蓝牙或红外线射束实现。评估元件20设计用于接收来自通信接口19的数据。评估由探测器7容纳的干涉图20a在该实施例中没有在小型光谱仪8中实现，而是在外部的评估元件20中实现。外部的评估单元20包括数据处理单元16、参考数据库17和比较单元18。空间分解的干涉图20a的传送通过数据传递18b、20a、20b到例如以云的形式的数据处理单元16上。数据处理单元由此借助傅里叶变换产生由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b。在比较单元18中，如前面描述的那样，由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b与参考数据库17的公知的光谱比较，这能够在应用化学计量的算法之前或之后发生。待研究的物体的光谱信息18b是评估结果，其通过数据传递发送回通信接口19。在该实施例中，电子设备22的用户的反馈20b通过数据传递18b、20a、20b设置。用户以关于其质量的可能性评价评估结果。由此，外部的评估元件20的参考数据库17能够得到更新和改进。外部的评估元件20尤其是能够被多个用户使用。通过用户的评价改进评估结果的质量。因此，用户能够接收对于其来说公知的物质的光谱，并且评价其是否由设备正确地识别出。

在此未示出的实施例中，外部的评估元件20包括参考数据库17和比较单元18。数据单元在该实施例中设计为通信接口19，并且包括数据处理单元16。通信接口19能够实现小型光谱仪8与外部的评估单元20之间的数据传递。数据传递能够例如通过因特网连接、LAN、WLAN、USB、蓝牙或红外线射束实现。评估元件20设计用于接收来自通信接口19的数据。由待研究的物体反射的、传输的或发射的射束的光谱16b在数据处理单元16中确定，并且通过数据传递传送到外部的评估单元20上。在那里，评估如前面描述的那样实现。

图4示出具有整合的光源9的小型光谱仪8的实施例。借助光源辐射S待研究的物体10，以便提高被反射的射束的强度，或者激励待研究的物体来发射射束。

Claims (10)

1.一种小型光谱仪（8），其包括：

-光学系统；

-包括偏振器（2）、萨瓦尔元件（14）和分析器（5）的偏振干涉仪（15）；

-包括探测器（7）的探测单元（12）；和

-数据单元（13），

其特征在于，所述光学系统构造为扩散器（1）。

2.根据权利要求1所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述探测单元（12）包括聚焦光学器件（6），其中聚焦光学器件（6）在光路中布置在偏振干涉仪（15）与探测器（7）之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述小型光谱仪（8）包括光源（9）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述扩散器（1）布置在偏振干涉仪（15）的偏振器（2）上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述数据单元（13）包括参考数据库（17）。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述数据单元（13）设计为针对小型光谱仪（8）与外部的评估元件（20）之间的数据传递（18a、20a、20b）的通信接口，所述外部的评估元件包括参考数据库（17）和数据处理单元（16）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述探测器（7）构造为一维的传感器矩阵。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述探测器（7）构造为二维的传感器矩阵。

9.根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8），其特征在于，所述光学系统是对准的扩散器（1）。

10.用于借助根据前述权利要求中任一项所述的小型光谱仪（8）获知由物体反射的、传输的或发射的射束的光谱（18b）的方法。