一种基于DMD和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪及方法与流程

一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪及方法
技术领域
1.本发明属于光谱分析技术领域，具体涉及一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪及方法。


背景技术：

2.光谱仪器对于光谱分析具有很重要的意义。被广泛应用于天文、农业、医疗、环保等各个领域。早在1940年，第一台直读光谱仪“arlquantometer"就已问世。之后，随着科学技术的快速发展，光谱仪器也不停地朝着小型化、宽波段、高分辨率、高探测速率、高稳定性、低杂散光的方向发展。
3.中阶梯光栅由harrision教授于1949年首次提出。由于其拥有高光栅常数、大入射角、衍射级次高等特点，可以很好地提高系统分辨率和光通量。但在实际应用中，由于其入射角范围窄，会产生级次重叠的现象，所以需要使用辅助色散元件进行交叉色散在垂直方向上对级次进行分离，最终得到二维色散谱图。同时，由于其工作级次高、色散角较小，每一级的自由光谱范围内的波长都集中在闪耀波长附近，因此可以实现全波段闪耀。中阶梯光谱仪国内研究起步较晚，1995年，我国成功研制了2.16m望远镜的中阶梯光谱仪；2013年天津大学张尹馨和清华大学张怀栋等人设计了中阶梯光栅
‑
棱镜交叉色散光路，达到了51000的理论光谱分辨能力；2017年中国科学院长春光机所张锐等人在原有中阶梯光栅光谱仪的结构基础上，使用dmd(数字微镜器件)作为空间光调制器，从而实现了高精度可编程的中阶梯光栅光谱仪。目前，中阶梯光谱仪广泛应用在紫外和可见波段，红外波段依然处于科学研究阶段。
4.dmd芯片是一种单片集成的微机电系统，它把电、机械、光学功能集成在一个半导体芯片上，具有在数字信号控制下快速反射光的性能，能够准确控制光源。dmd的每个小像素均采用铝溅射工艺在半导体硅片上镀反射膜，在加工时应用了微机械的加工方法，其像素尺寸可达到微米级。一组二维微镜阵列由几千乃至上万个微镜组成，每个微镜即可看做投影画面中的一个像素点，各个小微镜均可左右偏转，来调节像素点的亮暗。微镜的偏转状态可通过驱动程序进行独立控制，形成千变万化的图像。目前dmd微镜阵列已经可以达到3840
×
2160的分辨率。
5.基于中阶梯光栅的光谱分析方法多采用中阶梯光栅和棱镜交叉色散；棱镜作为辅助色散元件进行预色散，随后中阶梯光栅在垂直于棱镜色散的方向上进行第二次色散，形成二维待测谱图。由于中阶梯光栅和棱镜需要交叉色散，该方法只能使用长宽比接近1:1的方形狭缝或针孔狭缝作为入射狭缝，导致系统光通量不足；同时该方法还需考虑中阶梯光栅的级次重叠问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题，本发明提供一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪及方法，能够应用于农业分析、医药卫生、食品安全等领域，可连续多次对不同特定波段
的待测谱线进行实时检测，有效避免了级次重叠，提高检测准确性；此外，由于中阶梯光栅和棱镜同向色散，采用细长型狭缝作为入射狭缝，提高了系统的光通量以及对微弱光信号的检测能力。
7.一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪，其特征在于包括细长型狭缝、准直镜、棱镜、聚焦透镜、数字微镜、准直透镜、中阶梯光栅、聚焦镜和ccd探测器，其中待测光谱线通过细长型狭缝进入准直镜，经准直镜准直后变为复色平行光谱线，复色平行光谱线入射进入棱镜，经棱镜分光后的光谱线经由聚焦透镜透射后入射进入数字微镜，其中数字微镜将所需的特定波段范围内的待测光谱线反射至准直透镜，同时将其他光谱线反射至光陷阱，经准直透镜透射后的待测光谱线进入中阶梯光栅，经中阶梯光栅分光后的光谱线入射进入聚焦镜，经聚焦镜聚焦反射后的光谱线入射进入ccd探测器，由ccd探测器接收并检测；且所述棱镜的位置位于中阶梯光栅的前端，数字微镜的横向宽度大于棱镜在横向色散方向的边界宽度。
8.所述中阶梯光栅色散方向与棱镜色散方向一致。
9.所述准直镜为球面反射镜。
10.所述棱镜材料为紫外熔融石英。
11.一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪的使用方法，包括以下步骤：
12.步骤一、光线准直：待测光谱线经细长型狭缝后变为发散光谱线，使用准直镜对发散的光谱线进行准直反射；
13.步骤二、首次分光：利用棱镜对步骤一中准直镜准直后的复色平行光谱线进行首次分光，得到按波长顺序排列的光谱线，这些光谱线再经由聚焦透镜透射后入射进入数字微镜；
14.步骤三、选通调制：控制数字微镜上每个微镜单元的反射状态以控制入射光谱线的反射状态，将所需特定波段范围内的待测光谱线反射至准直透镜，同时将其他光谱线反射至光陷阱，经准直透镜透射后的待测光谱线进入中阶梯光栅，从而完成对步骤二中棱镜分光后的光谱线进行选通调制；
15.步骤四、再次分光：对步骤三中数字微镜选通调制后的光谱线使用中阶梯光栅再次分光，将棱镜色散后的待测光谱线进一步色散得到级次非重叠的一维谱线；
16.步骤五、接收检测：聚焦镜对步骤四中阶梯光栅分光后的待测谱线进行聚焦反射，反射后的待测光谱线由ccd探测器进行接收检测，进而得到一维谱线图，完成探测目的。
17.本发明的有益效果：
18.本发明采用色散棱镜与中阶梯光栅在同一方向色散形成一维谱线的方式，并在二者之间放置dmd作为空间光调制器。dmd按照波长顺序选择一定波段范围内的谱线，随后中阶梯光栅只对被选择的这部分谱线进行同向色散,不需考虑相邻级次间的光谱分辨能力,有效避免了级次重叠，提高检测准确性。此外，由于中阶梯光栅和棱镜同向色散，dmd作为空间光调制器，避免了级次重叠，所以本发明能够使用细长型狭缝取代长宽比接近1:1的方形狭缝或针孔狭缝,有助于提高系统的光通量，从而提高系统对微弱光信号的检测能力。
附图说明
19.图1是本发明的一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析方法流程图。
20.图2是本发明的一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析方法光路图。
21.图3是本发明采用的一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析方法dmd选通调制示意图。
具体实施方式
22.如图2所示，一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪，其特征在于包括细长型狭缝、准直镜、棱镜、聚焦透镜、数字微镜、准直透镜、中阶梯光栅、聚焦镜和ccd探测器，其中待测光谱线通过细长型狭缝进入准直镜，经准直镜准直后变为复色平行光谱线，复色平行光谱线入射进入棱镜，经棱镜分光后的光谱线经由聚焦透镜透射后入射进入数字微镜，其中数字微镜将所需的特定波段范围内的待测光谱线反射至准直透镜，同时将其他光谱线反射至光陷阱，经准直透镜透射后的待测光谱线进入中阶梯光栅，经中阶梯光栅分光后的光谱线入射进入聚焦镜，经聚焦镜聚焦反射后的光谱线入射进入ccd探测器，由ccd探测器接收并检测；且所述棱镜的位置位于中阶梯光栅的前端，数字微镜的横向宽度大于棱镜在横向色散方向的边界宽度。
23.所述中阶梯光栅色散方向与棱镜色散方向一致。
24.所述准直镜为球面反射镜。
25.所述棱镜材料为thorlabs生产的紫外熔融石英。
26.如图1所示，一种基于dmd和中阶梯光栅的同向色散光谱分析仪的使用方法，包括以下步骤：
27.步骤一、光线准直：待测光谱线经细长型狭缝后变为发散光谱线，使用准直镜对发散的光谱线进行准直反射；
28.具体的，待测光谱线由细长型狭缝入射后会发生发散，用准直镜对发散的光谱线进行准直反射，对发散角进行压制，进而得到复色平行光。同时，准直镜应选用球面反射镜，以降低整个光谱仪制作难度及制造成本。
29.步骤二、首次分光：利用棱镜对步骤一中准直镜准直后的复色平行光谱线进行首次分光，得到按波长顺序排列的光谱线，这些光谱线再经由聚焦透镜透射后入射进入数字微镜；
30.具体的，如图2所示，棱镜必须放在中阶梯光栅的前端进行预色散,这样二者才能进行同一方向上的色散。如果将棱镜放至中阶梯光栅后端进行色散，中阶梯光栅在首次分光后会产生级次重叠现象，那么棱镜只能在垂直方向上进行交叉色散。同时为了避免紫外波段能量的损失，棱镜材料应由选择紫外波段透射率高的材料。本发明选择thorlabs生产的紫外熔融石英，透射波段范围为185nm
‑
2.1um。
31.棱镜的色散具有非均匀性，对于不同波长它的色散性能可表示为：
[0032][0033]
其中：n
λ
为不同波长相对棱镜的折射率，α为棱镜顶角，β为棱镜入射角；同时棱镜参数需要与dmd选通调制相匹配，根据几何光学原理，不同入射光波长下棱镜的色散距离l
λ
可表示为：
[0034][0035]
其中f为聚焦透镜的焦距；
[0036]
由(1)、(2)两式可得棱镜色散之后，dmd微镜面接收的相邻波长间隔为：
[0037]
δl
λ
＝l
λ 1
‑
l
λ
ꢀꢀ
(3)
[0038]
则棱镜在横向色散方向的边界宽度可表示为：
[0039]
l
prism
＝f(δ
λmax
‑
δ
λmin
)
ꢀꢀ
(4)
[0040]
其中δ
λmax
和δ
λmin
分别表示最大波长和最小波长的色散性能，棱镜的色散具有非均匀性，波长越长色散能力越弱，色散间隔越小。根据thorlabs提供的紫外熔融石英原始数据，可以得到各个波长相对棱镜的折射率，将光谱仪可检测的最小波长和最大波长(最小波长和最大波长由棱镜、中阶梯光栅和dmd工作参数确定)对应的折射率带入上面(1)、(2)、(4)式，即可求得棱镜在横向色散方向的边界宽度l
prism
。
[0041]
步骤三、选通调制：通过数字信号精确控制数字微镜上每个微镜单元的反射状态以控制入射光谱线的反射状态，将所需特定波段范围内的待测光谱线反射至准直透镜后进入中阶梯光栅，同时将其他光谱线反射至光陷阱，即处于“开”状态的微镜单元将待测谱线反射至中阶梯光栅工作面，而处于“关”状态和“平”状态的微镜单元会将入射光反射至光陷阱，从而完成对步骤二中棱镜分光后的光谱线进行选通调制。
[0042]
具体的，由步骤二已知，棱镜参数要与dmd的选通调制相匹配，同时dmd微镜面的横向宽度l
dmd
需要与棱镜在横向色散方向的边界宽度相匹配，即：
[0043]
l
dmd
＞l
prism
ꢀꢀ
(5)
[0044]
步骤二中棱镜顶角α为12
°
，入射角β为17
°
，焦距f为300mm,根据thorlabs提供的紫外熔融石英原始数据，185nm、186nm、187nm、797nm、798nm、799nm、800nm、801nm处相对棱镜的折射率分别为1.574873、1.572952、1.571082、1.45334、1.453323、1.453306、1.453288、1.453271。根据各元件的工作参数，本发明采用的分析方法可检测波段范围为185nm
‑
800nm,将185nm、800nm对应的折射率代入(1)、(2)、(4)式可求得棱镜在横向色散方向的边界宽度l
prism
为7731.809um。
[0045]
本发明dmd选用ti的dlp471ne 0.47full hd dmd，其有着1920列，1080行，翻转角度为
±
17
°
，微镜间距为5.4um，可以得到其微镜面横向宽度为10368um,满足上述条件：l
dmd
＞l
prism
。由l
prism
和微镜间距可以计算出棱镜色散后的光谱线共占据了1432个微镜单元。如图3所示，以dmd 200列为起始列，1632列为终止列(选用的是1920列和1080行的dmd，用到的是200列至1632列)，建立dmd微镜单元和不同波长的对应关系：根据上述公式，185nm、186nm分别对应200列、223列，平均每一微镜列对应的波段间隔为0.044nm(由图3，185nm对应第200列中心，186nm对应223列，二者相距122.17nm,则此时dmd每一列对应的平均波段间隔为(186
‑
185)/(122.17/5.4)＝0.044nm),当波长继续增大时，相邻波长色散间隔继续减小，从图3中可以看出，1632列对应着797nm
‑
801nm，此时一列微镜单元对应的波段间隔为4.95nm。经过dmd选通调制后的待测谱线还需中阶梯光栅进一步分光。
[0046]
步骤四、再次分光：对步骤三中数字微镜选通调制后的光谱线使用中阶梯光栅再次分光，(色散方向由棱镜和中阶梯光栅位置决定；本文在中阶梯光栅之前以合适的位置摆放棱镜使二者可以在同一方向进行色散)，将棱镜色散后的待测光谱线进一步色散得到特
定的级次非重叠的一维谱线，避免了级次重叠从而提高检测准确性；
[0047]
具体的，采用光栅常数为79g/mm的中阶梯光栅，以一定偏置角ω放置使其色散方向与棱镜相同。此时中阶梯光栅在非主截面色散，假设光栅入射角在主截面上的投影为γ，衍射角在主截面上的投影为δ，光栅偏置角为ω，光栅闪耀角为θ，其光栅方程为:
[0048]
d(sinγ sinδ)cosω＝mλ
ꢀꢀ
(6)，其中m为光谱级次，λ为波长；
[0049]
此时该光栅色散特性与光栅常数为dcosω的光栅特性相同。
[0050]
虽然棱镜分光后谱线不再平行并且中阶梯光栅与棱镜同向色散，但由公式(1)可得棱镜色散后的角度间隔仅为1
°
28
′
35
″
，所以仍可令中阶梯光栅在准littrow条件下工作，取γ＝δ＝63.4
°
，ω＝7
°
，由公式(6)，可以得到185nm
‑
185.7nm对应中阶梯光栅的121光谱级次，797nm
‑
801nm对应中阶梯光栅的28光谱级次。对于185nm
‑
185.7nm，根据图3dmd微镜单元和波长的对应关系，步骤三中dmd翻转该波段对应的微镜列后,经过中阶梯光栅再分光就能得到级次非重叠的待测一维谱线；对于797nm
‑
801nm，由于该波段仅对应28这一光谱级次，所以在dmd翻转终止列后再由中阶梯光栅分光可以有效避免级次重叠。
[0051]
综上所述，采用中阶梯光栅与棱镜同向色散可有效避免级次重叠。
[0052]
步骤五、接收检测：聚焦镜将步骤四中阶梯光栅分光后的待测谱线进行聚焦反射，反射后的待测光谱线由线阵ccd探测器进行接收检测，进而得到一维谱线图，完成探测目的。
[0053]
具体的，聚焦镜将待测波段光谱反射聚焦，这样可以提高边缘光线入射到ccd探测器的能力，反射聚焦后的待测光谱由ccd探测器接收，经过电子读出电路和数据处理系统处理后获得完整的图像数据，完成探测目的。