基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀的製作方法
2023-06-11 14:02:31 2
（一）、技術領域：
本發明涉及一種光譜儀，特別涉及一種基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀。
（二）、
背景技術：
：
光通量和解析度是光譜儀器的兩個重要指標，目前，人們多採用減小入射狹縫的手段來提高光譜儀的解析度，但是這勢必會減小整個光譜儀器系統的光通量。現有的微型數字光譜儀多採用單點探測器進行光譜的探測，這在一定程度上降低了儀器的成本，減小了儀器尺寸，但是單點探測器的受光面積非常小，靈敏度也不高，這勢必影響微弱信號的檢測。數字微鏡光譜儀採用具有高反射率的數字微鏡陣列結合哈達瑪技術進行光譜的調製，以組合測量模式取代逐次掃描模式，增大了系統的光通量，並且一定程度上保證了數字微鏡開狀態下光譜能量的完全探測，但是，數字微鏡關狀態下的光譜能量也隨之完全損失。國外多採用雙光路系統，數字微鏡開狀態和關狀態分別採用兩個不同的探測器進行掃描探測，這樣不僅光路系統複雜、難於實現，而且大大增加了儀器的成本。
（三）、
技術實現要素：
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本發明要解決的技術問題是：提供一種基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀，該光譜儀不僅具有較高的光通量，而且結構緊湊、生產成本低。
本發明的技術方案：
一種基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀，含有光源、準直透鏡、分光器件、第一會聚透鏡、分區式數字微鏡、反射鏡、第二會聚透鏡、第三會聚透鏡和單點探測器；分區式數字微鏡含有兩個分別編碼調製的微鏡陣列區，該兩個微鏡陣列區分別為：第一微鏡陣列區和第二微鏡陣列區；
光源射出的光線經過準直透鏡後到達分光器件，第一會聚透鏡設置在分光器件的出射光路，分區式數字微鏡的第一微鏡陣列區設置在第一會聚透鏡的出射光路，第二會聚透鏡設置在第一微鏡陣列區開狀態時的出射光路，反射鏡設置在第一微鏡陣列區關狀態時的出射光路，分區式數字微鏡的第二微鏡陣列區設置在反射鏡的出射光路，第三會聚透鏡設置在第二微鏡陣列區開狀態時的出射光路，單點探測器同時位於第二會聚透鏡和第三會聚透鏡的焦點處；
準直透鏡用來將光源射出的光線準直成平行光；分光器件用來將準直透鏡準直的平行光進行色散；第一會聚透鏡用來將色散後的平行光成像到分區式數字微鏡；分區式數字微鏡用來實現光路的通斷和分區編碼；第二會聚透鏡用來將第一微鏡陣列區開狀態時編碼的光線會聚到單點探測器；反射鏡用來將第一微鏡陣列區關狀態時編碼的光線反射到第二微鏡陣列區；第三會聚透鏡用來將第二微鏡陣列區開狀態時編碼的光線會聚到單點探測器。
分光器件為閃耀光柵。
光源為滷鎢燈。
分區式數字微鏡中含有多個數字微鏡單元，通過編碼可控制數字微鏡單元發生不同角度的偏轉，從而可實現光的開關作用。
第一微鏡陣列區和第二微鏡陣列區採用相同的哈達瑪變換矩陣進行光譜的調製。
該高光通量光譜儀的光路原理為：光源射出的光線經過準直透鏡後以平行光的方式到達分光器件進行分光，然後經第一會聚透鏡到達第一微鏡陣列區，編碼控制第一微鏡陣列區進行光譜調製，第一微鏡陣列區開狀態下的光信號經第二會聚透鏡到達單點探測器，第一微鏡陣列區關狀態下的光經反射鏡到達第二微鏡陣列區進行編碼調製，調製後經第三會聚透鏡到達單點探測器，從而完成光譜的探測。
哈達瑪變換技術應用在光譜儀上時，以組合編碼調製的方式代替了逐次掃描的模式，在一定程度上提高了光譜儀的光通量，但是組合測量中，數字微鏡關狀態的下的光譜能量完全損失了；本發明通過對數字微鏡進行分區編碼調製，由第二微鏡陣列區對第一微鏡陣列區的關狀態光譜能量進行編碼調製，補償第一微鏡陣列區光譜能量的損失，在不增加儀器成本的情況下，達到了提高光通量的目的。第一微鏡陣列區和第二微鏡陣列區編碼調製相互獨立、互不影響，從而可以控制光譜儀具有多種工作模式，便於使用者操作；例如：可以只控制第一微鏡陣列區對光譜信號進行編碼調製（稱為模式一），也可以控制第一微鏡陣列區和第二微鏡陣列區同時進行編碼調製（稱為模式二）；模式一為常規的編碼調製模式，模式二為對模式一的關狀態進行光通量補償的模式，兩種模式互相獨立、互不幹擾，便於比較分析；當光譜信號較強時，不需要採用能量補償方案，可採用模式一；當光譜信號較弱時，則需要採用能量補償方案，可採用模式二。
實際使用該高光通量光譜儀時，可以將樣品池放置在光源和準直透鏡之間，或者將樣品池放置在準直透鏡和分光器件之間。
本發明的有益效果：
1.本發明的分區式數字微鏡含有兩個分別編碼調製的微鏡陣列區，第一微鏡陣列區完成其開狀態光譜能量的編碼調製，第二微鏡陣列區對第一微鏡陣列區的關狀態光譜能量進行編碼調製，補償第一微鏡陣列區光譜能量的損失，第一微鏡陣列區和第二微鏡陣列區調製後的光譜能量最後都通過單點探測器進行光譜探測，這樣大大提高了光譜儀的光通量，有利於光譜儀對微弱信號的檢測分析，該光譜儀可廣泛應用於化學成分分析領域。
2.本發明對數字微鏡進行分區編碼調製，然後採用同一個單點探測器對兩個微鏡陣列區的光譜信號進行探測；因此，本發明結構緊湊，有利於實現光譜儀的微型化，而且還提高了數字微鏡的利用率，降低了光譜儀的生產成本。
3. 本發明的兩個微鏡陣列區編碼調製相互獨立、互不影響，光譜調製模式靈活可變，便於使用者操作。
（四）、附圖說明：
圖1為基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀的結構示意圖；
圖2為數字微鏡單元的光開關示意圖。
（五）、具體實施方式：
參見圖1～圖2，圖中，基於分區式數字微鏡的高光通量光譜儀含有光源1、準直透鏡2、分光器件3、第一會聚透鏡4、分區式數字微鏡5、反射鏡7、第二會聚透鏡6、第三會聚透鏡8和單點探測器9；分區式數字微鏡5含有兩個分別編碼調製的微鏡陣列區，該兩個微鏡陣列區分別為：第一微鏡陣列區Ⅰ和第二微鏡陣列區Ⅱ；
光源1射出的光線經過準直透鏡2後到達分光器件3，第一會聚透鏡4設置在分光器件3的出射光路，分區式數字微鏡5的第一微鏡陣列區Ⅰ設置在第一會聚透鏡4的出射光路，第二會聚透鏡6設置在第一微鏡陣列區Ⅰ開狀態時的出射光路，反射鏡7設置在第一微鏡陣列區Ⅰ關狀態時的出射光路，分區式數字微鏡5的第二微鏡陣列區Ⅱ設置在反射鏡7的出射光路，第三會聚透鏡8設置在第二微鏡陣列區Ⅱ開狀態時的出射光路，單點探測器9同時位於第二會聚透鏡6和第三會聚透鏡8的焦點處；
準直透鏡2用來將光源1射出的光線準直成平行光；分光器3件用來將準直透鏡2準直的平行光進行色散；第一會聚透鏡4用來將色散後的平行光成像到分區式數字微鏡5；分區式數字微鏡5用來實現光路的通斷和分區編碼；第二會聚透鏡6用來將第一微鏡陣列區Ⅰ開狀態時編碼的光線會聚到單點探測器9；反射鏡7用來將第一微鏡陣列區Ⅰ關狀態時編碼的光線反射到第二微鏡陣列區Ⅱ；第三會聚透鏡8用來將第二微鏡陣列區Ⅱ開狀態時編碼的光線會聚到單點探測器9。
分光器件3為閃耀光柵。
光源1為滷鎢燈。
分區式數字微鏡5中含有多個數字微鏡單元10，通過編碼可控制數字微鏡單元10發生不同角度的偏轉，從而可實現光的開關作用；圖2中，IN表示入射光，ON表示數字微鏡單元10開時的反射光，OFF表示數字微鏡單元10關時的反射光。
第一微鏡陣列區Ⅰ和第二微鏡陣列區Ⅱ採用相同的哈達瑪變換矩陣進行光譜的調製。
該高光通量光譜儀的光路原理為：光源1射出的光線經過準直透鏡2後以平行光的方式到達分光3進行分光，然後經第一會聚透鏡4到達第一微鏡陣列區Ⅰ，編碼控制第一微鏡陣列區Ⅰ進行光譜調製，第一微鏡陣列區Ⅰ開狀態下的光信號經第二會聚透鏡6到達單點探測器9，第一微鏡陣列區Ⅰ關狀態下的光經反射鏡7到達第二微鏡陣列區Ⅱ進行編碼調製，調製後經第三會聚透鏡8到達單點探測器9，從而完成光譜的探測。
第一微鏡陣列區Ⅰ和第二微鏡陣列區Ⅱ編碼調製相互獨立、互不影響，從而可以控制光譜儀具有多種工作模式，便於使用者操作；例如：可以只控制第一微鏡陣列區Ⅰ對光譜信號進行編碼調製（稱為模式一），也可以控制第一微鏡陣列區Ⅰ和第二微鏡陣列區Ⅱ同時進行編碼調製（稱為模式二）；模式一為常規的編碼調製模式，模式二為對模式一的關狀態進行光通量補償的模式，兩種模式互相獨立、互不幹擾，便於比較分析；當光譜信號較強時，不需要採用能量補償方案，可採用模式一；當光譜信號較弱時，則需要採用能量補償方案，可採用模式二。
實際使用該高光通量光譜儀時，將樣品池11放置在準直透鏡2和分光器件3之間。