CN110208204A - 一种基于dlp技术的傅里叶变换光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，属于光学物质测量技术领域。包括光源、第一透镜、第一DMD芯片、分光补偿模块、平面反射镜、倾角反射镜、第二透镜、光电探测器、模数转换器和控制处理器；光源发出的入射光能够依次经第一透镜透射、第一DMD芯片反射到达分光补偿模块处，该分光补偿模块用于无色散地将入射光分为两束分光，其中一束分光能够依次经平面反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处，另一部分能够依次经倾角反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处。本发明能够获得准确清晰的光谱图，提高最终光谱仪的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，属于光学物质测量技术领域。
背景技术
傅里叶光谱仪是基于对干涉后的明暗相间的干涉图像进行傅里叶变换为光谱图的原理而开发的光谱仪，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、冶金、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。
一篇名为“一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪”的中国实用新型专利(授权公告号为CN207881838U)公开了一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，具体包括狭缝、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。该现有技术使用DMD芯片代替传统光谱仪中的平面反射镜，通过控制DMD芯片单列微镜的摆动，分光镜分出的一束分光经DMD芯片的调控，只反射回一列线形光，该线形光最终与分光镜分出的另一束光在光电探测器处相遇并发生干涉，光电探测器接收该干涉信号，经模数转换和傅里叶变换处理，最终生成了用于表征物质组分的光谱图。
上述现有技术至少存在三点技术缺陷，使其并不能很好地在实际中得到应用，具体为：
1、该现有技术只适用于激光光源，在直接使用包含有较宽波段的光源(如可见光波段、近红外波段等)作为其探测光源时，由于替换的光源相干性不高，会发生严重的色散现象，严重影响干涉图像的清晰度，从而导致无法获得准确清晰的光谱图；
2、该现有技术中的DMD芯片安装位置倾斜，存在多列反光位置，因此与固定反射镜的反光位置相对于分光镜不能严格共轭，影响干涉图像的清晰度，进而无法获得准确清晰的光谱图；
3、该现有技术中使用原始光和经DMD芯片筛选的一列线形光在光电探测器处进行干涉，由于光电探测器的最佳响应区间是固定的，而该现有技术中原始光携带了大量与最终干涉无关的干扰光，增加了干涉图样的背景光强度，严重影响光电探测器对干涉图样的采集，进而无法获得准确清晰的光谱图。
因此，目前亟需一种能够获得准确清晰的光谱图的基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，以解决现有技术无法获得准确清晰的光谱图的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，包括光源、第一透镜、第一DMD芯片、分光补偿模块、平面反射镜、倾角反射镜、第二透镜、光电探测器、模数转换器和控制处理器；
光源发出的入射光能够依次经第一透镜透射、第一DMD芯片反射到达分光补偿模块处，该分光补偿模块用于无色散地将入射光分为两束分光，其中一束分光能够依次经平面反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处，另一束分光能够依次经倾角反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处；
倾角反射镜的镜面方向与入射向其镜面的光路方向呈设定角度，用于使两束分光形成光程差；
控制处理器通过模数转换器与光电探测器连接，用以获取干涉图像；
控制处理器还与第一DMD芯片连接，用以控制微镜阵列的摆动。
本方案使用分光补偿模块消除反射光经分光后出现的色散现象，避免色散现象对最终的干涉图样造成的影响；本发明使用平面反射镜来反射分光，而平面反射镜的设定位置可以与倾角反射镜相对于分光镜形成严格共轭，提高了干涉图样的清晰度；本发明通过控制DMD芯片的偏转状态来筛选入射进分光镜的光线，使得光电探测器上只能接收到干涉图样，避免了无关干扰光对光电探测器采集信号的影响；综上，本发明能够充分克服现有技术的不足，有效且实用地获得准确清晰的光谱图，提高最终光谱仪的测量精度。
进一步地，该分光补偿模块包括由两个相同尺寸的直角等腰三棱镜斜面胶合构成的立方体棱镜组，其中一个直角等腰三棱镜的斜面上镀有半透半反膜；
倾角反射镜的镜面中心与平面反射镜的镜面中心关于立方体棱镜组的体心共轭对称。
该共轭对称具体是指倾角反射镜的镜面中心到立方体棱镜组的体心的距离与平面反射镜的镜面中心到立方体棱镜组的体心的距离相等。
本方案给出了一种较优的分光补偿模块具体构成。
进一步地，该分光补偿模块包括分光镜和补偿镜，分光镜为一面镀有半透半反膜的平板玻璃，补偿镜为厚度与分光镜相同的平板玻璃，补偿镜的透光面方向与分光镜的镜面方向平行设置；
倾角反射镜的镜面中心与平面反射镜的镜面中心关于分光镜的镜面中心共轭对称。
该共轭对称具体是指倾角反射镜的镜面中心到分光镜的镜面中心的距离与平面反射镜的镜面中心到分光镜的镜面中心的距离相等。
本方案给出了一种较优的分光补偿模块具体构成。
进一步地，第一透镜为准直透镜。
进一步地，光电探测器为InGaAs探测器。
进一步地，平面反射镜为第二DMD芯片。
进一步地，该设定角度为88.77度。
本方案给出了一个较优设定角度值，一束分光经过该角度的倾角反射镜的反射后，能够与另一束分光形成一定的光程差，该光程差能够使光电探测器上形成稳定且明显的干涉图样，有利于提高最终光谱仪的测量精度。
附图说明
图1是本发明一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪实施例1的光路结构示意图；
图2是本发明一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪实施例2的光路结构示意图；
其中，实线箭头与虚线箭头分别代表不同的光线，箭头方向代表光线传播方向。
具体实施方式
实施例1
如图1所示为本实施中的光路结构示意图，具体包括近红外光发生器、狭缝、准直透镜、DMD芯片、分光镜、平面反射镜、补偿镜、倾角反射镜、会聚透镜和InGaAs探测器。
其中，本实施例采用TI公司的DMD芯片，其由1024X768的微镜阵列构成，每个器件镜面为方形7.6X7.6μm镜片，相邻微镜的间隙为1μm，每个微镜的翻转角度为±12°，工作波段范围为350nm至2700nm；分光镜为一面镀有半透半反膜的平板玻璃，补偿镜为厚度与分光镜相同的平板玻璃；倾角反射镜能够通过调节其镜面的反射倾角；会聚透镜能够将入射光汇聚到探测器的感光面上。
具体的，近红外光发生器发出的入射光能够依次经准直透镜透射、DMD芯片反射到达分光镜处，分光镜的镜面方向与由准直透镜方向的入射光路的夹角为45°，补偿镜的透光面方向与分光镜的镜面方向平行设置，倾角反射镜的镜面中心到分光镜的镜面中心的距离与平面反射镜的镜面中心到分光镜的镜面中心的距离相等。该入射光其中一部分能够经分光镜反射至平面反射镜处，再依次经平面反射镜反射、分光镜透射、会聚透镜透射后到达InGaAs探测器处；该入射光的另一部分能够依次经分光镜透射、补偿镜透射到达倾角反射镜处，再依次经倾角反射镜反射、补偿镜透射、分光镜反射、会聚透镜透射后到达InGaAs探测器处，至此两束分光在InGaAs探测器上形成稳定清晰的干涉图像。
本实施例将专用的DMD芯片1024*768模组微镜与通用的InGAas探测器及相关光路系统、驱动电路采取特殊工艺刻制到一片硅片内，通过控制DMD微境的反射光路，产生近红外光谱波段干涉所需的最佳光程差，并通过InGAas探测器形成迈克逊干涉，通过DMD可编程微镜控制器整行统一翻转，使反射列与其余各列处于不同的反转状态，进而使得该列反射光进入干涉系统而其他列不能进入，经过分光镜分束后，分别在倾角反射镜和平面反射镜处反射，返回分束器处发生干涉。干涉光束被汇聚透镜汇聚到单点InGaAs探测器，并输出干涉光强信号，通过对数据进行傅里叶逆变换，得到光谱曲线。
本实施例需要使用A/D转换器来将InGaAs探测器采集的模拟信号转化为可供FPGA识别的数字信号，最后FPGA再通过傅里叶计算来获得光谱曲线图。同时FPGA中还用于控制DMD芯片微镜的偏转，具体是通过控制电路连接DMD控制器，通过DMD控制器最终实现对DMD芯片的控制，按照DMD可编程微镜控制器整行统一翻转，本实施例可产生1024列干涉光束。
具体的工作原理为：
设可编程DMD芯片微镜阵列顶端列为起始列，则该列反射光沿透射和反射方向传播的光程相等，光程差为0；DMD芯片微镜列宽为τ，倾角反射镜镜面与入射光夹角的余角值为θ，从起始列向下依次编号各列，则可得到第χ列与起始列的光程差为δ＝2χτ*tanθ、对应波数为υ的光波，第χ列反射光的干涉光强表示为：
m为微镜总列数，I0(υ)为光源光谱强度，H0(υ)为误差影响。根据傅里叶变换光谱分析原理，光源全光谱范围在第χ列时的干涉光强为：
对采集到的离散干涉光强数据进行傅里叶逆变换，得到携带了样品信息的光谱分布图函数：
式中，Bυ为波数为υ的光波的光谱强度。
采用三角函数A(jδ+ε)来截短干涉图和实现切趾，
切趾后光谱图函数为：
B＝A(jδ+ε)×Bv。
本实施例中倾角反射镜在0-2°范围内可调节，近红外最佳采样间隔为0.31645μm，因此在倾角1.23°时，为最佳角度，最大光程差约为645μm，采样点数1024个，最大分辨率15.5cm-1，探测近红外波数范围4000-12000cm-1，可满足近红外探测一般要求。
实施例2
如图1所示为本实施中的光路结构示意图，本实施例与实施例1的不同仅在于，本实施例采用由两个相同尺寸的直角等腰三棱镜斜面胶合构成的立方体棱镜组来作为分光补偿模块，而实施例1则使用了平行放置的分光镜和补偿镜作为分光补偿模块。
本实施例中一个直角等腰三棱镜的斜面上镀有半透半反膜，近红外光发生器发出的入射光能够依次经准直透镜透射、DMD芯片反射，垂直射向该镀膜直角等腰三棱镜的一直角面，该入射光其中一部分能够经半透半反膜反射至平面反射镜处，再依次经平面反射镜反射、立方体棱镜组透射、会聚透镜透射后到达InGaAs探测器处；该入射光的另一部分能够经半透半反膜透射到达倾角反射镜处，再依次经倾角反射镜反射、立方体棱镜组反射、会聚透镜透射后到达InGaAs探测器处，至此两束分光在InGaAs探测器上形成稳定清晰的干涉图像。
其中，倾角反射镜的镜面中心到立方体棱镜组的体心的距离与平面反射镜的镜面中心到立方体棱镜组的体心的距离相等。
本实施例的工作原理与实施例1完全相同，在此不予以赘述。
实施例3
本实施例与实施例1的不同仅在于，本实施例中的平面反射镜位于实施例1中倾角反射镜的位置，本实施例中的倾角反射镜位于实施例1中平面反射镜的位置，其它均与实施例1相同，在此不予以赘述。
实施例4
本实施例与实施例2的不同仅在于，本实施例中的平面反射镜位于实施例2中倾角反射镜的位置，本实施例中的倾角反射镜位于实施例2中平面反射镜的位置，其它均与实施例2相同，在此不予以赘述。
上述实施中，使用平面反射镜来反射一束分光，当然还可以使用一块DMD芯片来替代该平板反射镜，其功能和作用与该平板反射镜完全相同，上述变形应当落入本发明保护范围内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪，其特征在于， 包括光源、第一透镜、第一DMD芯片、分光补偿模块、平面反射镜、倾角反射镜、第二透镜、光电探测器、模数转换器和控制处理器；
光源发出的入射光能够依次经第一透镜透射、第一DMD芯片反射到达分光补偿模块处，该分光补偿模块用于无色散地将入射光分为两束分光，其中一束分光能够依次经平面反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处，另一束分光能够依次经倾角反射镜、分光补偿模块、第二透镜的反射或透射到达光电探测器处；
倾角反射镜的镜面方向与入射向其镜面的光路方向呈设定角度，用于使两束分光形成光程差；
控制处理器通过模数转换器与光电探测器连接，用以获取干涉图像；
控制处理器还与第一DMD芯片连接，用以控制微镜阵列的摆动。
2.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，该分光补偿模块包括由两个相同尺寸的直角等腰三棱镜斜面胶合构成的立方体棱镜组，其中一个直角等腰三棱镜的斜面上镀有半透半反膜；
倾角反射镜的镜面中心与平面反射镜的镜面中心关于立方体棱镜组的体心共轭对称。
3.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，该分光补偿模块包括分光镜和补偿镜，分光镜为一面镀有半透半反膜的平板玻璃，补偿镜为厚度与分光镜相同的平板玻璃，补偿镜的透光面方向与分光镜的镜面方向平行设置；
倾角反射镜的镜面中心与平面反射镜的镜面中心关于分光镜的镜面中心共轭对称。
4.根据权利要求1-3任一所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，第一透镜为准直透镜。
5.根据权利要求4所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，光电探测器为InGaAs探测器。
6.根据权利要求5所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，平面反射镜为第二DMD芯片。
7.根据权利要求1所述的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，该设定角度为88.77度。
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