专利名称：基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方法及装置， 属于光谱分析技术领域。
背景技术：
在当今信息社会，光谱获取技术显得非常重要，广泛应用于工业、农业、 医药等产业以及物理、化学和生物等研究领域，尤其是样品溶液中物质的成分 及含量的测定，并可同时测定多元素，具有快速简便的优点等优点(1)在工业 方面，光谱分析常用于塑料、纺织品、纸张以及高聚物中的多种金属元素测定； (2)在环境和水质监测方面，采用光谱分析方法可以快速准确测定试样中的多种 有害物质，从而可以对环境和水质进行在线监测和控制；(3)在生物医药方面， 光谱分析方法以其灵敏度高、取样量少、方法快速的突出优点已成为生物医药 以及药理学研究工作的重要手段，例如分子荧光光谱法测定维生素A、 C、 D、 E和B1、 B6等；(4)在农业方面，利用光谱分析，人们可以有效监测植物(如各 种农作物)的生长条件并且利用这些获得的信息对光照条件进行在线控制，从 而促进植物的光合作用等生理过程。
因此，光谱获取技术及其装置(即光谱仪)在诸多应用领域中都是必不可 少的重要检测分析手段和工具。光谱仪的核心部分包括色散元件及相关光学系 统、光电探测器以及外围电路。目前的高性能光谱仪通常采用分立的元器件组 建而成。例如，采用体光栅作为色散元件。这种传统方式虽然能达到很高的光 谱分辨率(如0.02nm)，但由于成本高、体积大、不易实现便携式测量与分析， 因而在很多应用场合(尤其是狭小空间场合的测量工作)受到了较大的限制。
为了实现具有体积小、成本低以及便于携带等特点的微型光谱仪，可以采 用波导光栅取代传统光谱仪中的大尺寸体光栅。波导光栅具有小尺寸、高可靠 性等集成器件的优点，且可实现大批量生产，有利于降低光谱仪成本。这种平 面波导光栅光谱仪通常具有若干个输出波导，每条输出波导与一个光电探测器 相连。光谱仪分辨率由平面波导光栅通道间隔决定。为了获得高分辨率， 一般 通过减小通道间隔来实现。然而，减小通道间隔的同时，必须增大通道数以保 证光谱仪足够的测量范围。这将导致平面波导光栅整体尺寸过大，因而不利于 降低器件成本，也不利于保证器件性能。因此，平面波导光栅光谱仪分辨率一 般比较低。与传统分立式大体积光谱仪的最高水平相比，其分辨率相差约一个
4数量级，约为0.1nm 0.5nm。后来，有人提出采用温度扫描方式试图提高光谱分 辨率。然而，他们将扫描得到的一系列光电探测器接收光功率直接作为一系列 波长的功率值，而忽略了光电探测器所接收的功率是被测光谱与波导光栅光谱 响应的巻积结果。因此，这种方式并不能真正获得高分辨率。
发明内容
本发明的目的针对现有技术不足，提出一种基于多通道滤波器的数字式温 度扫描光谱获取方法及装置，以获得高分辨率光谱。
本发明的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方法，其特征在于 利用数字温度扫描控制器对带有加热装置的多通道滤波器进行数字温度扫描， 数字温度扫描控制器的扫描信号来自于中央处理器，在数字温度扫描过程中， 由光探测器阵列中的N个光电探测器单元分别接收多通道滤波器中的n个通道 输出的光功率，N^n，并将获得的随温度变化的一系列光功率转变为电信号传 送一至中央处理器，经中央处理器进行光谱数据处理，获得高分辩率光谱。
上述的多通道滤波器中第i个通道的光谱中心波长由多通道滤波器的温度-波长系数y决定^1 =^^,式中，Al"=A -义 ， 1 、人分别为温度变化前、
后的第i个通道的光谱中心波长，sr为温度变化量。上述的数字温度扫描的范围厶r由多通道滤波器的光谱中心波长间隔A人及 多通道滤波器的温度-波长系数y决定A7^AX/y。
采用本发明方法的装置，包括一个带有加热装置并具有至少一个输入端口 的多通道滤波器、由N个光电探测器单元组成的光探测器阵列、中央处理器和 数字温度扫描控制器，多通道滤波器具有n个通道，光探测器阵列中的N个光 电探测器单元输入端分别与多通道滤波器的n个通道输出端相连，N个光电探 测器单元输出端与中央处理器输入端相连，数字温度扫描控制器的输入端与中
央处理器的输出端相连，数字温度扫描控制器的输出端与加热装置相连。
上述装置中的多通道滤波器可以是由单个微腔构成的滤波器阵列或由具有 多个微腔的复合腔构成的滤波器阵列；也可以是由单个布拉格光栅构成的滤波 器阵列或由具有多个布拉格光栅的复合腔构成的滤波器阵列。
上述装置中的多通道滤波器可以由具有n个通道的色散光栅和n个微腔滤 波器组成，色散光栅的每个通道分别与一个微腔滤波器相连。
上述装置中的多通道滤波器也可以采用由具有n个通道的色散光栅和n个 马赫-泽德干涉型滤波器组成，n个马赫-泽德干涉型滤波器的输入端分别与色散 光栅的n个通道相连，每个马赫-泽德干涉型滤波器两个输出端分别与光探测器阵列中的两个光探测器连接，或每个马赫-泽德干涉型滤波器的一个输出端连接 一个光探测器，另一个输出端为空闲端。
通常使马赫-泽德干涉型滤波器的两个输出端波长间隔与色散光栅的自由光 谱范围相等，以便于扩展光谱分析范围。
本发明有益的效果是
采用本发明方法可以实现高分辨率的光谱分析，本发明装置具有结构紧凑、 容易实现小型化、便携式的优点，为低成本、高性能光谱分析仪提供了有效途 径。
图l是本发明装置第一种结构示意图； 图2是本发明装置第二种结构示意图3是本发明装置第三种结构示意图4是多通道滤波器其中一个通道的光谱响应；
图5是被测光谱图6是数字温度扫描过程中第n个通道接收的光功率图7是利用本发明方法得到的光谱图8是利用本发明方法得到的光谱图与被测光谱图的比较。
具体实施例方式
参照图1，本发明的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装置，包
括一个带有加热装置9并具有至少一个输入端口 1的多通道滤波器2、由N个 光电探测器单元组成的光探测器阵列4、中央处理器5和数字温度扫描控制器8， 多通道滤波器2具有n个通道，光探测器阵列4中的N个光电探测器单元输入 端分别与多通道滤波器2的n个通道输出端相连，N个光电探测器单元输出端 与中央处理器5输入端相连，数字温度扫描控制器8的输入端与中央处理器5 的输出端相连，数字温度扫描控制器8的输出端与加热装置9相连。
在图示实例中，多通道滤波器2为由单个微腔11构成的滤波器阵列。多通 道滤波器2或者也可以是具有多个微腔的复合腔构成的滤波器阵列。或者也可 以采用由单个布拉格光栅构成的滤波器阵列或由具有多个布拉格光栅的复合腔 构成的滤波器阵列。
多通道滤波器2或者也可以如图2所示，由具有n个通道的色散光栅10和 n个微腔滤波器21组成，色散光栅10的每个通道分别与一个微腔滤波器21相 连。多通道滤波器2或者也可以如图3所示，由具有n个通道的色散光栅10和 n个马赫-泽德干涉型滤波器22组成，n个马赫-泽德干涉型滤波器22的输入端 分别与色散光栅10的n个通道相连，每个马赫-泽德干涉型滤波器22两个输出 端22a、 22b分别与光探测器阵列4中的两个光探测器连接，或每个马赫-泽德干 涉型滤波器的一个输出端22a连接一个光探测器，另一个输出端22b为空闲端。
上述中央处理器可以采用普通的8051单片机或其它处理器。
以实施例1所示的装置为例，说明本发明基于多通道滤波器的数字式温度 扫描光谱获取方法的实现过程。
设初始温度7^30。C，
多通道滤波器具有8个通道，光探测器阵列具有8个光电探测器单元，多 通道滤波器中温度变化前的第4个通道光谱中心波长？wrl550nm，波长-温度系 数Y^.063nm/。C，光谱中心波长间隔Abl.6nm，图4所示是多通道滤波器第 4通道的光谱响应。数字温度扫描的范围A7^AAy^25.4。C。
设多通道滤波器输入端口的被测光谱具有双峰形状，如图5所示。
在中央处理器的控制下，利用数字温度扫描控制器与加热装置使得多通道 滤波器温度r在30。C 55。C范围内扫描，温度扫描步长57M).15。C，扫描步数 《=160，最小波长间隔SX，S7M).005nm。
在数字温度扫描过程中，由光探测器阵列中的8个光电探测器单元分别接 收多通道滤波器中的8个通道输出的光功率，并将获得的一系列随温度变化的 光功率(如图6所示)转变为电信号传送至中央处理器，在中央处理器中进行 光谱数据处理，获得高分辩率光谱，如图7所示。
为了与原始输入信号光谱进行比较，将本发明获得光谱(图8圆圈)与原 始输入信号光谱(图8实线)放在同一张图中。由图可见，本发明获得光谱与 被测光谱非常接近，可以准确地分辩峰/谷值波长位置。利用本发明光谱获取方 法可以有效地得到高分辨率光谱，在很多气体、液体成分的分析中有实用价值。 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精 神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明 的保护范围。
权利要求
1、基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方法，其特征在于利用数字温度扫描控制器对带有加热装置的多通道滤波器进行数字温度扫描，数字温度扫描控制器的扫描信号来自于中央处理器，在数字温度扫描过程中，由光探测器阵列中的N个光电探测器单元分别接收多通道滤波器中的n个通道输出的光功率，N≥n，并将获得的随温度变化的一系列光功率转变为电信号传送一至中央处理器，经中央处理器进行光谱数据处理，获得高分辩率光谱。
2、 根据权利要求1所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方 法，其特征在于所说的多通道滤波器中第i个通道的光谱中心波长由多通道滤波 器的温度-波长系数Y决定A《-7^，式中，X 、义"分别为温度变化前、后的第i个通道的光谱中心波长，sr为温度变化量。
3、 根据权利要求1所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方 法，其特征在于所说的数字温度扫描的范围Ar由多通道滤波器的光谱中心波长 间隔ax及多通道滤波器的温度-波长系数y决定a^AA7y。
4、 根据权利要求1所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方 法的装置，其特征在于包括一个带有加热装置(9)并具有至少一个输入端口(1) 的多通道滤波器(2)、由N个光电探测器单元组成的光探测器阵列(4)、中央处理 器(5)和数字温度扫描控制器(8)，多通道滤波器(2)具有n个通道，光探测器阵列 (4)中的N个光电探测器单元输入端分别与多通道滤波器(2)的n个通道输出端相 连，N个光电探测器单元输出端与中央处理器(5)输入端相连，数字温度扫描控 制器(8)的输入端与中央处理器(5)的输出端相连，数字温度扫描控制器(8)的输出 端与加热装置(9)相连。
5、 根据权利要求4所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装 置，其特征在于多通道滤波器是由单个微腔(ll)构成的滤波器阵列或由具有多个 微腔的复合腔构成的滤波器阵列。
6、 根据权利要求4所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装 置，其特征在于多通道滤波器是由单个布拉格光栅构成的滤波器阵列或由具有 多个布拉格光栅的复合腔构成的滤波器阵列。
7、 根据权利要求4所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装 置，其特征在于多通道滤波器由具有n个通道的色散光栅(10)和n个微腔滤波器 (21)组成，色散光栅(10)的每个通道分别与一个微腔滤波器(21)相连。
8、 根据权利要求4所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装置，其特征在于多通道滤波器由具有n个通道的色散光栅(10)和n个马赫-泽德 干涉型滤波器(22)组成，n个马赫-泽德干涉型滤波器(22)的输入端分别与色散光 栅(10)的n个通道相连，每个马赫-泽德干涉型滤波器(22)两个输出端(22a、 22b) 分别与光探测器阵列(4)中的两个光探测器连接，或每个马赫-泽德干涉型滤波器 的一个输出端(22a)连接一个光探测器，另 一个输出端(22b)为空闲端。
9、根据权利要求8所述的基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取装 置，其特征在于马赫-泽德干涉型滤波器(22)的两个输出端波长间隔与色散光栅 的自由光谱范围相等。
全文摘要
本发明公开了基于多通道滤波器的数字式温度扫描光谱获取方法及装置，装置包括带加热装置并具有n个通道的多通道滤波器、由N个光电探测器单元组成的光探测器阵列、中央处理器和数字温度扫描控制器，N个光电探测器单元输入端分别与多通道滤波器的n个通道输出端相连，利用数字温度扫描控制器对带有加热装置的多通道滤波器进行数字温度扫描，由光探测器阵列中的N个光电探测器单元分别接收多通道滤波器中的n个通道输出的光功率，并将获得的随温度变化的一系列光功率转变为电信号传送一至中央处理器，经中央处理器进行光谱数据处理，获得高分辨率光谱。本发明为低成本、高性能光谱分析仪提供了有效途径。
文档编号G01N21/25GK101329256SQ20081012003
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月15日 优先权日2008年7月15日
发明者戴道锌 申请人:浙江大学