一種光譜二維折疊哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀的制作方法
【專利摘要】一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，屬于近紅外光譜儀領(lǐng)域，為解決目前DMD哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀對(duì)DMD微鏡利用不充分、光譜工作寬度和光譜分辨率難以同時(shí)提高的缺陷，該光譜儀從光源發(fā)出的寬波段復(fù)色光由光纖端口入射到準(zhǔn)直透鏡，準(zhǔn)直為復(fù)色平行光入射到兩個(gè)子光柵上，經(jīng)兩個(gè)互成夾角的光柵色散為兩個(gè)相互平行的光譜帶；利用靜電驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整DMD的角度，使光譜帶由成像透鏡會(huì)聚后按波長(zhǎng)順序依次入射到DMD的不同位置，形成兩個(gè)互相平行且兩端對(duì)齊的光譜帶；經(jīng)DMD進(jìn)行波長(zhǎng)選通后由透鏡聚焦在單點(diǎn)探測(cè)器上，將接收的光譜信息傳送給光譜信息采集處理系統(tǒng)，對(duì)接收的光譜信息進(jìn)行哈達(dá)瑪逆變換解碼，得到原始光譜信號(hào)的信息。
【專利說(shuō)明】一種光譜二維折疊哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]近紅外光譜儀作為一種有力的科學(xué)分析工具，目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品、石化產(chǎn)品、臨床診斷、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著研究和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V儀要求的提高，無(wú)接觸、快速、低成本、性能穩(wěn)定可靠的微小型光譜儀逐漸成為該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。目前，數(shù)字變換式微型近紅外光譜儀主要有傅里葉變換式和哈達(dá)瑪變換式兩種。傅立葉變換光譜儀因存在可動(dòng)部件，對(duì)環(huán)境要求較高，主要用于實(shí)驗(yàn)室分析。基于DMD (Digital Micro mirror Device,數(shù)字微鏡元件)的哈達(dá)瑪變換(Hadamard Transform, HT)光譜儀無(wú)可動(dòng)部件,運(yùn)算和處理時(shí)間優(yōu)于傅里葉變換光譜儀，可實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率、高信噪比和極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力的完美結(jié)
口 ο
[0003]目前DMD技術(shù)的主要供應(yīng)商是美國(guó)德州儀器公司，其供應(yīng)的DMD的尺寸都是固定的 800X600、1024X768、1280X720 和 1920x1080 幾種，且其價(jià)格昂貴。
[0004]現(xiàn)有的基于DMD的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀均采用單個(gè)平面光柵分光，用單個(gè)DMD進(jìn)行光譜調(diào)制。在光柵常數(shù)和狹縫寬度一定的情況下，若提高系統(tǒng)的分辨率則會(huì)使系統(tǒng)的工作光譜范圍減?。蝗粢岣吖庾V儀的工作光譜范圍，則必須以降低分辨率為代價(jià)。所以，目前市場(chǎng)上已有的多種商品化的便攜式哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀普遍存在兩個(gè)問(wèn)題:(O光譜范圍較窄、分辨率不高；(2) DMD表面接收到的光譜寬度遠(yuǎn)小于DMD的寬度，使得DMD的大部分微鏡不能被有效利用。另外，由于哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀通常用于微弱光譜信號(hào)的檢測(cè)，在光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡可能提高光學(xué)系統(tǒng)的光能利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決目前DMD哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀對(duì)DMD微鏡利用不充分、光譜工作寬度和光譜分辨率難以同時(shí)提高的缺陷，我們提出了光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀。
[0006]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下:
[0007]一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，包括光源、準(zhǔn)直透鏡組、平面光柵、成像透鏡組、DMD、聚焦透鏡組、單點(diǎn)探測(cè)器、靜電驅(qū)動(dòng)電路和光譜信息采集處理系統(tǒng)，其特征在于，該光譜儀的平面光柵由兩個(gè)子光柵組成，兩子光柵結(jié)構(gòu)相同，但與光軸夾角不同；從光源發(fā)出的寬波段復(fù)色光由光纖端口入射到準(zhǔn)直透鏡，由準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直為復(fù)色平行光入射到兩個(gè)子光柵上，經(jīng)兩個(gè)互成夾角的光柵色散為兩個(gè)相互平行的光譜帶；利用靜電驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整DMD的角度，使光譜帶由成像透鏡會(huì)聚后按波長(zhǎng)順序依次入射到DMD的不同位置，形成兩個(gè)互相平行且兩端對(duì)齊的光譜帶；經(jīng)DMD進(jìn)行波長(zhǎng)選通后由透鏡聚焦在單點(diǎn)探測(cè)器上，單點(diǎn)探測(cè)器將接收的光譜信息傳送給光譜信息采集處理系統(tǒng)，光譜信息采集處理系統(tǒng)對(duì)接收的光譜信息進(jìn)行哈達(dá)瑪逆變換解碼，得到原始光譜信號(hào)的信息。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:將傳統(tǒng)的哈達(dá)瑪變換光譜儀的單光柵用兩個(gè)互成夾角的子光柵代替，使得經(jīng)光柵分光后的光譜在DMD表面實(shí)現(xiàn)二維折疊，形成兩個(gè)波長(zhǎng)首尾相連的光譜帶，充分利用了 DMD微鏡陣列，相當(dāng)于變相提高了 DMD的微鏡單元數(shù)目，可以在保持光譜儀分辨率不變的情況下增加光譜儀工作譜段，或在工作譜段不變的情況下提高光譜儀分辨率。本發(fā)明沒(méi)有使用入射狹縫，從光源發(fā)出的光經(jīng)光纖直接入射到準(zhǔn)直系統(tǒng)，可以大大提高系統(tǒng)的光能利用效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明光譜二維折疊哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明中兩個(gè)子光柵模擬圖。
[0011]圖3為本發(fā)明光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)模擬圖。
[0012]圖4為本發(fā)明DMD表面二維折疊光譜的模擬示意圖。
圖5為本發(fā)明800nm~1400nm的衍射效率隨入射角的變化曲線。
圖6為本發(fā)明1400nm~2000nm的衍射效率隨入射角的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]如圖1和圖3所示，本發(fā)明一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，包括光源1、準(zhǔn)直透鏡組2、互成夾角的第一平面子光柵3和第二平面子光柵4、成像透鏡組5、DMD6、聚焦透鏡組7、單點(diǎn)探測(cè)器8、靜電驅(qū)動(dòng)電路和光譜信息采集處理系統(tǒng)。從光源I發(fā)出的寬波段復(fù)色光由光纖端口入射到準(zhǔn)直透鏡組2，由準(zhǔn)直透鏡組2準(zhǔn)直為復(fù)色平行光入射到兩個(gè)互成夾角的子光柵3、子光柵4上(如圖2 )，色散為兩個(gè)相互平行的光譜帶；光譜帶由成像透鏡組5會(huì)聚后按波長(zhǎng)順序依次入射到DMD6的不同位置，形成兩個(gè)互相平行且兩端對(duì)齊的光譜帶A和B，如圖4所示；利用靜電驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整DMD6的角度，使經(jīng)DMD6進(jìn)行波長(zhǎng)選通后由透鏡組7聚焦在單點(diǎn)探測(cè)器8上，單點(diǎn)探測(cè)器8接收到的光譜信息經(jīng)光譜信息采集處理系統(tǒng)進(jìn)行哈達(dá)瑪逆變換解碼，得到原始光譜信號(hào)的信息。
[0015]光柵的光柵常數(shù)d和衍射光譜級(jí)次m與光譜分辨率R的關(guān)系式為:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，包括光源(I)、準(zhǔn)直透鏡組(2)、成像透鏡組(5)、DMD (6)、聚焦透鏡組(7)、單點(diǎn)探測(cè)器(8)、靜電驅(qū)動(dòng)電路和光譜信息采集處理系統(tǒng)；其特征是，該光譜儀還包括互成夾角的第一平面子光柵(3)和第二平面子光柵(4)，從光源(I)發(fā)出的寬波段復(fù)色光由光纖端口入射到準(zhǔn)直透鏡組(2)，由準(zhǔn)直透鏡組(2)準(zhǔn)直為復(fù)色平行光入射到兩個(gè)互成夾角的第一平面子光柵(3)和第二平面子光柵(4)上，色散為兩個(gè)相互平行的光譜帶；光譜帶由成像透鏡組(5)會(huì)聚后按波長(zhǎng)順序依次入射到DMD (6)的不同位置，形成兩個(gè)互相平行且兩端對(duì)齊的光譜帶A和B ;利用靜電驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整DMD (6)的角度，使經(jīng)DMD (6)進(jìn)行波長(zhǎng)選通后由透鏡組(7)聚焦在單點(diǎn)探測(cè)器(8)上，單點(diǎn)探測(cè)器(8)接收到的光譜信息經(jīng)光譜信息采集處理系統(tǒng)進(jìn)行哈達(dá)瑪逆變換解碼，得到原始光譜信號(hào)的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，其特征在于，第一平面子光柵(3)對(duì)應(yīng)的入射角為6.7°，第二平面子光柵(4)對(duì)應(yīng)的入射角為12.6°，對(duì)應(yīng)的子光譜波段分別為1400nm?2000nm和800nm?1400nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光譜二維折疊的哈達(dá)瑪變換近紅外光譜儀，其特征在于，DMD (6)的像元數(shù)為1024*768，像元尺寸為13.68*13.68 μ m，靜電驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下可旋轉(zhuǎn) ±12°。
【文檔編號(hào)】G01N21/359GK103743702SQ201310687831
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】劉華, 王曉朵, 盧振武, 黨博石 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所