CN108180997A - 一种基于dlp技术的傅里叶变换光谱仪 - Google Patents

一种基于dlp技术的傅里叶变换光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，涉及光学技术领域，包括狭缝、准直透镜、分光镜、固定反射镜、透镜、光电探测器、A/D转换器、DMD芯片、DMD控制器和控制终端；入射光从狭缝射入，准直透镜和分光镜沿光路顺序依次设置；分光镜与光路方向的夹角为45°；分光镜将一束光分成两束光，固定反射镜在第一束光的方向，DMD芯片在第二束光的方向，其镜面法线与第二束光的夹角大于0；透镜在分光镜另一侧正对DMD芯片，光电探测器在透镜对光的汇聚处，光电探测器连接A/D转换器；DMD控制器和A/D转换器分别连接控制终端。解决了传统傅里叶变换光谱仪成本高、扫描速度慢的问题，达到了成本低、快速扫描的效果。

Description

一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪。
背景技术
DLP是数字光处理技术，它是基于美国TI公司开发的数字微镜元件DMD芯片来完成光信号数字显示的技术。光谱仪是进行光谱研究和物质结构分析，利用光学色散原理及现代先进电子技术设计的光电仪器。傅里叶变换光谱仪基于光干涉和傅里叶变换原理设计的，是一种用来获得固体、液体或气体的吸收、发射的光谱技术。
传统的傅里叶变换光谱仪如图1所示，为了产生干涉光，动镜M需要沿光轴移动，而动镜M沿光轴移动需要精密导轨和电机进行驱动，成本高、体积大、扫描速度慢。
发明内容
本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪。
本发明的技术方案如下：
一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，所述傅里叶变换光谱仪包括：狭缝、准直透镜、分光镜、固定反射镜、透镜、光电探测器、A/D转换器、DMD芯片、DMD控制器和控制终端；
入射光从所述狭缝射入光谱仪，所述准直透镜和所述分光镜按照光路顺序依次设置；所述分光镜的镜面方向与光路方向的夹角为45°，所述分光镜用于将一束光分成两束光；所述固定反射镜设置在第一束光的传播方向上，所述DMD芯片设置在第二束光的传播方向上；所述DMD芯片的镜面法线与所述第二束光的光轴之间的夹角大于0；所述DMD芯片与所述DMD控制器连接，所述DMD控制器与所述控制终端电性连接；
所述透镜设置在所述分光镜另一侧与所述DMD芯片相对的位置，所述光电探测器设置在所述透镜对光的汇聚处，所述光电探测器与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器与所述控制终端电性连接。
其进一步的技术方案为：所述DMD控制器用于控制所述DMD芯片上的微镜阵列按照预定顺序依次翻转单个微镜列，翻转后的所述微镜列的镜面法线与所述第二束光的光轴之间的夹角为0。
其进一步的技术方案为：所述分光镜用于将所述准直透镜的出射光分成能量相等的两束光，所述第一束光保持所述入射光的传播方向继续传播，所述第二束光在所述分光镜处反射45°后传播；
所述固定反射镜正对所述第一束光的传播方向，所述第一束光传播至所述固定反射镜后按原路返回至所述分光镜；所述DMD芯片设置在所述第二束光的传播光路上，所述第二束光传播至所述翻转后的微镜列后按原路返回至所述分光镜；返回的第一束光与返回的第二束光形成干涉光；所述透镜正对所述干涉光的传播方向，所述透镜将所述干涉光汇聚到所述光电探测器上；所述光电探测器用于根据所述干涉光生成电信号；所述A/D转换器用于将所述光电探测器得到的所述电信号转换为数字信号后传输到所述控制终端；所述控制终端用于对所述数字信号进行信号处理和傅里叶变换后得到所述入射光的光谱图。
本发明的有益技术效果是：
通过DMD芯片和DMD控制器来实现传统傅里叶变换光谱仪的动镜的功能，由DMD控制器控制DMD芯片，使得DMD芯片反射的光与固定反射镜反射的光满足干涉条件，形成干涉光，从而可以对干涉光进行光电转换和信号分析，得到入射光的光谱图。由于没有使用移动部件，也就不需要通过精密导轨和电机进行驱动，从而解决了传统傅里叶变换光谱仪成本高、体积大、扫描速度慢的问题，达到了降低成本、减小体积、实现快速扫描的效果。
附图说明
图1是传统的傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图2是一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图3是DMD芯片上的微镜列翻转的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
请参考图2，其示出了一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪的结构示意图，如图2所示，该傅里叶变换光谱仪包括：狭缝1、准直透镜2、分光镜3、固定反射镜4、透镜5、光电探测器6、A/D转换器7、DMD芯片8、DMD控制器9和控制终端10。
DMD是指数字微镜晶片(英文：Digital Micromirror Device)，DMD芯片上包括由数十万甚至上百万个微镜组成的微镜阵列，每个微镜都可以独立进行翻转。
DMD控制器9能够控制DMD芯片8上的微镜进行翻转。
入射光从狭缝1射入光谱仪，准直透镜2和分光镜3按照光路顺序依次设置，分光镜3的镜面方向与光路方向的夹角为45°，分光镜3用于将一束光分成两束光。
狭缝1可以对入射光进行整形，准直透镜2对整形后的入射光进行准直，得到平行光源，准直透镜2准直后的出射光射到由分光镜3、固定反射镜4和DMD芯片8组成的干涉仪。
固定反射镜4设置在第一束光的传播方向上，DMD芯片8设置在第二束光的传播方向上，DMD芯片8的镜面法线与第二束光的光轴之间的夹角大于0，DMD芯片8与DMD控制器9连接，DMD控制器9与控制终端10电性连接。
透镜5设置在分光镜3另一侧与DMD芯片8相对的位置，光电探测器6设置在透镜5对光的汇聚处，光电探测器6与A/D转换器7连接，A/D转换器7与控制终端10电性连接。
DMD控制器9用于控制DMD芯片8上的微镜阵列按照预定顺序依次翻转单个微镜列，翻转后的微镜列的镜面法线与第二束光的光轴之间的夹角为0。
结合参考图3，DMD芯片8上的微镜列M1翻转后，镜面法线与入射光(第二束光)的光轴的夹角θ变为0，入射光(第二束光)投射到微镜列M1处按原路返回，入射光(第二束光)投射到其他未翻转的微镜列后仍然按照2θ角反射出去。
可选的，分光镜3用于将准直透镜2的出射光分成能量相等的两束光，第一束光保持入射光的方向继续传播，第二束光在分光镜3处反射45°后传播。
由于分光镜3的镜面方向与光路方向(即准直透镜2的出射光的光轴)的夹角为45°，因此，分光镜3分出的两束光，一束光仍沿着出射光的光轴，另一束光则反射45°，两束光互相垂直。
固定反射镜4正对第一束光的传播方向，第一束光传播至固定反射镜4后按原路返回分光镜3，DMD芯片8设置在第二束光的传播光路上，第二束光传播至翻转后的微镜列后按原路返回至分光镜3，返回的第一束光与返回的第二束光形成干涉光。
假设DMD芯片8的镜面法线与第二束光的光轴之间的夹角为θ，由于初始状态时夹角θ大于0，因此第二束光投射到DMD芯片8的镜面的光不会沿原路返回，而是偏转2θ角后出射。
而DMD控制器9控制DMD芯片8上的微镜阵列按照预定顺序依次翻转单个微镜列，由于翻转后的微镜列的镜面法线与第二束光的光轴重合，也就是夹角θ为0，因此第二束光投射到翻转后的微镜列后沿原路返回，返回的第二束光与从固定反射镜4返回的第一束光满足干涉条件，会形成干涉光。
对于光的干涉，只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。第一束光和第二束光是由同一束光在分光镜3处分出来的，因此满足干涉条件。
由于DMD芯片8上的微镜阵列依次翻转，因此可以得到不同光程差的干涉光。
透镜5正对干涉光的传播方向，透镜5将干涉光汇聚到光电探测器6上，光电探测器6用于根据干涉光生成电信号，A/D转换器7用于将光电探测器6得到的电信号转换为数字信号后传输到控制终端10，控制终端10用于对数字信号进行信号处理和傅里叶变换后得到入射光的光谱图。
在实际应用中，控制终端10可以是计算机。
可选的，信号处理可以包括去噪等处理方式。
在实际应用中，还可以将固定反射镜4设置在第二束光的光轴方向上，将DMD芯片8设置在第一束光的光轴方向上，透镜5的位置可以保持不变，本实施例对此不进行限定。
以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述傅里叶变换光谱仪包括：狭缝、准直透镜、分光镜、固定反射镜、透镜、光电探测器、A/D转换器、DMD芯片、DMD控制器和控制终端；
入射光从所述狭缝射入光谱仪，所述准直透镜和所述分光镜按照光路顺序依次设置；所述分光镜的镜面方向与光路方向的夹角为45°，所述分光镜用于将一束光分成两束光；所述固定反射镜设置在第一束光的传播方向上，所述DMD芯片设置在第二束光的传播方向上；所述DMD芯片的镜面法线与所述第二束光的光轴之间的夹角大于0；所述DMD芯片与所述DMD控制器连接，所述DMD控制器与所述控制终端电性连接；
所述透镜设置在所述分光镜另一侧与所述DMD芯片相对的位置，所述光电探测器设置在所述透镜对光的汇聚处，所述光电探测器与所述A/D转换器连接，所述A/D转换器与所述控制终端电性连接。
2.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述DMD控制器用于控制所述DMD芯片上的微镜阵列按照预定顺序依次翻转单个微镜列，翻转后的所述微镜列的镜面法线与所述第二束光的光轴之间的夹角为0。
3.根据权利要求2所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述分光镜用于将所述准直透镜的出射光分成能量相等的两束光，所述第一束光保持所述入射光的传播方向继续传播，所述第二束光在所述分光镜处反射45°后传播；
所述固定反射镜正对所述第一束光的传播方向，所述第一束光传播至所述固定反射镜后按原路返回至所述分光镜；所述DMD芯片设置在所述第二束光的传播光路上，所述第二束光传播至所述翻转后的微镜列后按原路返回至所述分光镜；返回的第一束光与返回的第二束光形成干涉光；所述透镜正对所述干涉光的传播方向，所述透镜将所述干涉光汇聚到所述光电探测器上；所述光电探测器用于根据所述干涉光生成电信号；所述A/D转换器用于将所述光电探测器得到的所述电信号转换为数字信号后传输到所述控制终端；所述控制终端用于对所述数字信号进行信号处理和傅里叶变换后得到所述入射光的光谱图。
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