一种宽频光谱仪及其光谱复原方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种具有更宽测量频率范围的宽频光谱仪及其 光谱复原方法，属于光学测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 光谱仪是研宄、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律的光学仪器。它应用光 的色散原理、衍射原理或光学调制原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分开，形成光 谱，配合一系列光学、精密机械、电子和计算机系统，实现对光辐射的频率和强度的精密测 定和研宄。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质勘 探、生物医学、石油化工、天文观测、环境保护等领域。
[0003] 近年来由于环境监测、现代农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发 展，要求分析仪器小型化、轻量化，在特殊场合（如环保、野外、现场检测、星载分析检测 等）还要求仪器在测量频段宽、分辨率高、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠。因此，需要 一种微型化、集成化、智能化的光谱仪。它的功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比 高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号。而目前所广泛使用的光谱仪不仅分辨率不够 高，测量频带不够宽，而且普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不 足。如傅里叶变换光谱仪不仅体积较大，而且对振动敏感，其分辨率受动镜的移动范围的 影响。光栅衍射型光谱仪所用光栅体积虽然相对较小，但该种光谱仪分辨率不高，而且价 格不菲[Yang Jae-chang, et al. Micr0-electr0-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slit grating and bolometer array, Jap. J. of Appl. Phys.47 (8)，6943-6948 (2008)]。
[0004] 为解决上述问题，南京邮电大学的杨涛课题组近期提出了一系列基于不同分 光器件的微型光谱仪及其光谱复原方法，例如，于2012年7月11日公开的公开号为 CN102564586A，名称是"衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法"的中国发 明专利；于2013年7月10日公开的公开号为CN 103196557A，名称为"一种光谱仪"的中国 发明专利；于2013年4月24日公开的公开号为CN103063299A，名称为"一种微型光谱仪" 的中国发明专利，等等。其核心部件是构建在CCD或CMOS之上的分光器件，分光器件可令 不同频率的入射光经过后在阵列式探测芯片表面形成不同的光强分布，且相同频率的入射 光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同。因此可以通过测量C⑶或CMOS 中一系列不同像元的光功率，就可以利用求解大型线性方程组的方法复原光谱。与传统的 光栅光谱仪或傅里叶变换光谱仪相比，其体积小、频率分辨率高、光谱测量范围宽，可以实 现静态实时测量。
[0005]然而，上述光谱测量装置的测量范围均受制于所使用的CCD或CMOS等阵列式探测 芯片所能探测的频率范围，一旦入射光频率超出阵列式探测芯片的探测范围，则无法进行 光谱测量，这对实际应用会产生比较大的影响。例如，由于大多数分子的电子光谱处于紫外 区域，物质的化学反应主要是分子的电子决定的，利用分子的电子光谱可以进行分子定性 分析、定量分析、结构分析和分子化学反应等有关的分子光谱技术工作，因此紫外光谱的测 量成了现在光谱测量研宄的重要发展方向。又如有机物分子中，组成化学键或官能团的原 子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物 分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同， 在红外光谱上将处于不同位置，从而通过测量红外光谱可获得分子中含有何种化学键或官 能团的信息。而普通C⑶或CMOS的波长探测范围一般在400nm至lOOOnm，因此，基于(XD 或CMOS的光谱仪的应用受到了制约。
[0006] 综上可知，亟需一种同时兼具结构简单、价格低廉、灵敏度高、光谱测量范围宽等 优点的光谱测量装置。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种兼具结构简单、价 格低廉、灵敏度高、光谱测量范围宽等优点的宽频光谱仪及其光谱复原方法。
[0008] 本发明具体采用以下技术方案：
[0009] 一种宽频光谱仪，包括分光器件、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片连 接的数据采集与分析系统；所述分光器件可令不同频率的入射光经过后在阵列式探测芯片 表面形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角 分布也不同；所述宽频光谱仪还包括设置于所述分光器件之前或之后的光波长转换部件， 所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材 料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围， 而其发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内。
[0010] 优选地，所述波长转换层为由至少两种不同波长转换光学材料构成的复合层。
[0011] 进一步地，所述宽频光谱仪还包括用于对入射光进行准直的光学准直装置。
[0012] 上述技术方案中的分光器件可采用各种现有或将有的结构，只要能够使得不同频 率的入射光经过后在阵列式探测芯片表面形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经分 光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同即可。以下为几种优选方案：
[0013] 所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透 明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。
[0014] 所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的一个表面上附着有不透明材料制作 的挡光层，挡光层上设置有由一系列具有不同孔径尺寸的衍射孔所构成的衍射孔二维阵 列，且各衍射孔孔径尺寸与入射光波长接近。
[0015] 所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳 米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺 寸或形状的分布不均匀。
[0016] 所述分光器件包括不透明基底，所述不透明基底朝向入射光的表面上固着有一层 纳米粒子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子， 且所述不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。
[0017] 所述分光器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有一层纳米粒 子膜，所述纳米粒子膜包括一组纳米至微纳米尺度的大小不等的不透明材料粒子，且所述 不透明材料粒子在纳米粒子膜中呈不均匀分布。
[0018]