CN107941340A - 一种基于干涉滤光片的微型光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱仪技术领域，提供一种基于干涉滤光片的微型光谱仪，该微型光谱仪的单个通道由散射器、干涉滤光片、微透镜和CMOS图像传感器组成。本发明的有益效果是干涉滤光片的分光特性具有非线性色散、透过率不均匀等特点，导致探测器检测到的谱图与被测光谱分布间关系较复杂，本发明建立了它们之间的理论模型；而且该光谱仪具有结构简单、集成度高、可扩展性强等优点，实现比光栅光谱仪更小的仪器体积。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其是涉及一种基于干涉滤光片的微型光谱仪。
背景技术
由于食品原料的化学污染、畜牧业中抗生素的滥用、以及食品工业生产中添加剂的违规使用，食品健康生产问题日益严重。更有不法分子为了牟取暴利，在食用品中添加有毒物质改善食品外观，使用替代原料降低成产成本，以假乱真，以次充好，危害消费者的身心健康。光谱仪在食品安全、环境污染检测等领域起到不可替代的作用，通过分析不同物质组分的光谱得到相关成分的含量信息。为了满足日常生活中的检测需求，光谱仪需要解决便携性和稳定性问题才能从实验室走向大众的生活中。人们通过常规光谱仪的微小型化或新型光谱仪原理研究两种手段来实现廉价、便携、稳定的民用光谱仪。
2007年中国科学院长春光机所梁静秋等人(王波,梁中翥,孔延梅,梁静秋，新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪的设计与实验研究[A]，中国微米纳米技术学会第十一届学术年会，2009)设计了一款空间调制傅里叶光谱仪系统，他们使用阶梯镜M1，M2代替传统迈克尔逊干涉仪中的两个平面镜。入射的光线经过透镜进行一个光线准直的过程，然后经过准直的光线会入射到分束器上，接着分束器将入射的光分为强度相等的两束相干光：其中一束光经分束器反射后入射到反射镜M1上经过反射后返回分束器，另一束光透过分束器入射到反射镜M2上，经反射后回到分束器。两束反射光在空间不同位置发生干涉形成多个定域干涉条纹，那么只需要记录下每个干涉级次的条纹，然后经过傅里叶变换就可以恢复待测光谱曲线，但是该光谱仪体积大、价格昂贵。
2013年浙江大学刘康、余飞鸿等人(刘康，余飞鸿，双光束微型光谱仪[J]，光子学报，2013，42(10))研制出了一种基于双芯光纤和面阵探测器Czerny-Turner光学结构的微型光谱仪。这种光谱仪系统有两根双芯光纤，第一根双芯光纤的作用是将光源分成两路光强相等的光线，其中一路光线作为参考光，另一路光线作为被测样品的照明光路。这种微型光谱仪主要采用的是经典Czerny—Turner光学结构，这种机构采用的分光方式是光栅分光，光线会按顺序经过狭缝、准直镜、光栅、反射镜，最后成像在CCD图像传感器上，但是体积太大，不利于光谱仪的微小型化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明基于干涉滤光片原理，提供一种具有结构简单、集成度高、可扩展性强等优点，比光栅光谱仪更小的新型光谱仪。
本发明的技术方案是：一种基于干涉滤光片的微型光谱仪，所述微型光谱仪的单个通道由散射器、干涉滤光片、微透镜和CMOS图像传感器组成，CMOS图像传感器上接收的光强主要跟被测物的近红外光谱透过率、干涉滤光片对光线的衰减、CMOS图像传感器的光敏度曲线有关。那么我们可以将光线通过系统这些部分视为系统对光谱进行变换，我们将被测物的近红外光谱用矩阵T表示，干涉滤光片对光线的衰减用矩阵V表示，将CMOS图像传感器对光线的光敏度用矩阵G表示，初始光强用I0表示，那么初始光强为I0的光谱经过微型光谱仪系统后CMOS图像传感器上接收到的光强可以用公式I＝I0×T×V×G表示。
总体算法流程如下：
第一步：对近红外光谱进行预处理得到矩阵T，创建834nm-885nm波段的近红外光谱图样本库。
第二步：对干涉滤光片的透过率参数进行相应角度的高斯拟合处理得到矩阵V。
第三步：对CMOS图像传感器843nm-885nm波段光敏度进行预处理得到矩阵G。
第四步：对CMOS图像传感器相应位置光强I进行计算。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、干涉滤光片的分光特性具有非线性色散、透过率不均匀等特点，导致探测器检测到的谱图与被测光谱分布间关系较复杂，本发明建立了它们之间的理论模型；
2、本发明中基于干涉滤光片的新型光谱仪具有结构简单、集成度高、可扩展性强等优点，实现比光栅光谱仪更小的仪器体积。
附图说明
图1是本发明中微型光谱仪单个通道的结构示意图；
图2是本发明中CMOS图像传感器上成像的结构示意图。
图中：
1、散射器 2、干涉滤光片 3、微透镜
4、CMOS图像传感器
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明做详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，微型光谱仪的单个通道由散射器1、干涉滤光片2、微透镜3和CMOS图像传感器4组成，首先光线入射到微型光谱仪的单个通道，由散射器1将其散射，使光线的角度扩展到(0°～30°)，接着由干涉滤光片2按照不同角度通过中心波长不同的原理进行分光，光线经过分光后变成按不同空间角度排列的单色光谱，空间角度与中心波长的关系如式(1)所示；
其中，θ0为空间角度，N为材料有效折射率，λ0为垂直入射的中心波长，λ为入射光波长。
最后，微透镜3将具有相同入射方向的光会聚，如附图2，由于光线呈空间分布，因此经过微透镜3与中心光轴夹角相同的光线都会有相同的像高，这样在焦平面上就会形成一个圆环，即谱线的每一个波长都会对应在微透镜3的焦平面上形成一个圆环。因此，CMOS图像传感器4接收到的谱图理论上来说是由一个个圆环组成，圆环上每一点在CMOS图像传感器上的位置由式(2)给出，圆环的亮度由被测物光谱透过率和光谱仪内部结构对光线的衰减决定。
其中，NUM为间隔像元数，f’为微透镜焦距，θ为光波入射角，l为像元尺寸。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (3)
1.一种基于干涉滤光片的微型光谱仪，其特征在于：所述微型光谱仪的单个通道由散射器、干涉滤光片、微透镜和CMOS图像传感器组成。
2.根据权利要求1所述的基于干涉滤光片的微型光谱仪，其特征在于：CMOS图像传感器上接收的光强主要跟被测物的近红外光谱透过率、干涉滤光片对光线的衰减、CMOS图像传感器的光敏度曲线有关。
3.根据权利要求2所述的基于干涉滤光片的微型光谱仪，其特征在于：CMOS图像传感器上接收到的光强的总体算法流程如下：
第一步：对近红外光谱进行预处理得到矩阵T，创建834nm-885nm波段的近红外光谱图样本库；
第二步：对干涉滤光片的透过率参数进行相应角度的高斯拟合处理得到矩阵V；
第三步：对CMOS图像传感器843nm-885nm波段光敏度进行预处理得到矩阵G；
第四步：对CMOS图像传感器相应位置光强I进行计算。
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| US8860938B2 (en) * | 2008-10-21 | 2014-10-14 | Chemometec A/S | Apparatus and methods for analysing fluorescent particles |
| CN106153190A (zh) * | 2016-06-16 | 2016-11-23 | 电子科技大学 | 用于获得光谱的分光模块及双模复用光学装置 |
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2017
- 2017-12-29 CN CN201711476914.5A patent/CN107941340A/zh active Pending
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