专利名称：一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及哈达玛变换近红外光谱仪领域，具体涉及一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪。
背景技术：
近红外光谱仪作为一种有力的科学分析工具，目前已广泛应用于农产品、石化产品、临床诊断、环境检测等领域。随着研究和应用领域对光谱仪要求的提高，无接触、快速、低成本、性能稳定可靠的微小型光谱仪逐渐成为该领域的发展趋势。目前，数字变换式微型近红外光谱仪主要有傅里叶变换式和哈达玛变换式两种。傅立叶变换光谱仪因存在可动部件，对环境要求较高，主要用于实验室分析。基于DMD (Digital Micro mirror Device,数字微镜元件)的哈达玛变换(Hadamard Transform, HT)光谱仪无可动部件,运算和处理时间优于傅里叶变换光谱仪，可实现高速、高分辨率、高信噪比和极强的环境适应能力的完美结合。目前商品化的新型便携式哈达玛变化近红外光谱仪通常使用狭缝作为入射光阑，用平面闪耀光栅作为分光元件。狭缝的长宽、光栅参数在很大程度上决定了光谱仪的能量利用率和分辨率。为提高系统分辨率则光能利用率较低，若提高了光能利用率则分辨率下降，而且国内现有的近红外光谱仪存在体积大、成本高等问题，不利于光谱仪的商品化及其对微弱近红外光谱信号的检测，降低了该类哈达玛变换光谱仪的性价比。
发明内容
为了解决现有技术存在的不能同时保证高能量利用率和高分辨率，无法对微弱近红外光谱信号的检测，以及光谱仪体积大成本高的技术问题，本发明提供了一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，使基于DMD的哈达玛变换近红外光谱仪实现了高分辨率、小体积、低成本和高光能利用率的完美结合。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下:一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源、狭缝、第二准直透镜、平面光栅、成像透镜、DMD、聚焦透镜、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统，其特征在于，该光谱仪还包括由第一准直透镜和柱面镜构成的集光结构，光源发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜，由第一准直透镜准直为复色平行光后入射到柱面镜，经柱面镜将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝，由狭缝出射的光束经过第二准直透镜准直为复色平行光后入射到平面光栅，经平面光栅色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD的角度，使光谱带由成像透镜会聚后按波长顺序依次入射到DMD的不同位置，经DMD进行波长选通后由聚焦透镜聚焦在单点探测器上，单点探测器将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理系统，光谱信息采集处理系统对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。本发明的有益效果是:该光谱仪在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了系统对待测光的能量利用率，有利于对近红外光谱的检测；本发明设计了合适的狭缝宽度、光栅入射角度等，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力；本发明采用单点光电二极管进行光谱探测，既降低了光谱仪成本，又减小了光谱仪体积，提高了探测灵敏度。
图1为本发明添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪的结构示意图。图2为本发明中的集光结构模拟图。图3为本发明光谱仪的光学系统模拟图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1所示，本发明添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源1、由第一准直透镜2和柱面镜3构成的集光结构、狭缝4、第二准直透镜5、平面光栅6、成像透镜7、DMD8、聚焦透镜9、单点探测器10、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统。光源I发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜2，由第一准直透镜2准直为复色平行光后入射到柱面镜3，经柱面镜3将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝4，由狭缝4出射的光束经过第二准直透镜5准直为复色平行光后入射到平面光栅6，经平面光栅6色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD 8的角度，使光谱带由成像透镜7会聚后按波长顺序依次入射到DMD8的不同位置，经DMD 8进行波长选通后由聚焦透镜9聚焦在单点探测器10上，单点探测器10将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理系统，光谱信息采集处理系统对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。本发明使用单点光电二极管作为探测器对光谱进行探测，保证了光谱仪的小体积和低成本，利于光谱仪的市场推广应用。本发明通过分析狭缝长、宽对光谱仪分辨率和能量利用率的影响，光栅参数如光栅常数、入射角度等对光谱仪分辨率和能量利用率的影响，合理设计准直透镜和成像透镜，采用光路分段优化法，使光学系统有高分辨率的同时具有较高的能量利用率。具体设计如下:狭缝4的宽度设计为50 μ m,长度设计为1mm。光栅的光栅常数d和衍射光谱级次m与光谱分辨率R的关系式为:
权利要求
1.一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪包括光源(I)、狭缝(4)、第二准直透镜(5)、平面光栅(6)、成像透镜(7)、DMD(8)、聚焦透镜(9)、单点探测器(10)、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统，其特征在于，该光谱仪还包括由第一准直透镜(2)和柱面镜(3)构成的集光结构，光源(I)发出的待测光经光纤端口入射到第一准直透镜(2)，由第一准直透镜(2)准直为复色平行光后入射到柱面镜(3)，经柱面镜(3)将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝(4)，由狭缝(4)出射的光束经过第二准直透镜(5)准直为复色平行光后入射到平面光栅(6)，经平面光栅(6)色散为光谱带；利用静电驱动电路调整DMD (8)的角度，使光谱带由成像透镜(7)会聚后按波长顺序依次入射到DMD (8)的不同位置，经DMD (8)进行波长选通后由聚焦透镜(9)聚焦在单点探测器(10)上，单点探测器(10)将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理系统，光谱信息采集处理系统对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。
2.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述单点探测器(10)为单点光电二极管。
3.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述第一准直透镜(2 )、第二准直透镜(5 )和成像透镜(7 )均为双胶合透镜。
4.如权利要求1所述的一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪，其特征在于，所述狭缝(4)的宽度为50 μ· m,长度为1mm。
全文摘要
一种添加集光结构的哈达玛变换近红外光谱仪涉及哈达玛变换近红外光谱仪领域，该光谱仪包括光源、由准直透镜和柱面镜构成的集光结构、狭缝、准直透镜、平面光栅、DMD、成像透镜、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统。本发明在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了系统对待测光的能量利用率，有利于对近红外光谱的检测；本发明选择合适的狭缝宽度、光栅入射角度等，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力；用单点光电二极管进行光谱探测，既降低了光谱仪成本，又减小了光谱仪体积，提高了探测灵敏度。
文档编号G01J3/28GK103245416SQ20131013836
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者刘华, 王晓朵, 党博石, 卢振武, 许家林 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所