光调制装置制造方法

光调制装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种光调制装置，包括：第一色散元件和第二色散元件，分别用于接收第一光束和第二光束并使其色散；一个空间光调制器，从第一分光单元出射的色散后的样品光束和从第二反光单元出射的色散后的参考光束均入射到所述空间光调制器上，且二者在空间光调制器上的投影重合；第一探测器和第二探测器；空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能够调整入射到其上的光的出射方向，空间光调制器、第一探测器和第二探测器的相对位置为：使所述空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，入射到其上的色散后的样品光束被调制后入射到所述第一探测器上，入射到其上的色散后的参考光束被调制后入射到所述第二探测器上。
【专利说明】光调制装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光调制装置，尤其涉及一种共用DMD (数字微反射镜）的光调制装 置。

【背景技术】
[0002] 光调制装置，尤其是光谱仪，是在工业上和科学研究中广泛使用的检测装置。在各 种材料的检测和分析中，光谱仪能够定量检测出材料的反射或透射性质随波长的变化，从 而分析材料的化学性质。光谱仪通常利用棱镜、衍射光栅或干涉计等色散元件将光分离成 各个波长成份。光谱仪能够通过分析被某种物质反射或透射的光的光谱而确定该物质的成 份，这为人类的科研活动提供了有力的工具。
[0003] 对于传统的单通道光谱仪来说，最理想的光源是在整个光谱范围内发出恒定能量 的光源。但是目前现有的光源还达不到这个水平，光源的波长会随着温度和光源的老化而 发生漂移，因此需要额外的频率校正系统。而双光束光谱仪可以很好地解决这个问题，能够 降低由光源、探测器和相关电子器件的波动所产生的误差。
[0004] 双光束光谱仪可以同时测量样品光束和参考光束，然后通过比较这两束光束的测 量结果而得到反映样品信息的光谱，因为样品光束和参考光束是同时测量的，光源、探测器 和相关电子器件的波动对样品光束和参考光束的影响是相同的，因此在最后的比较过程中 可以抵消掉光源、探测器和相关电子器件的波动造成的误差。传统双光束光谱仪一般使用 光路切换装置交替地将光源发出的光导向样品或参考单元，然后探测器或软件程序可以处 理所测量到的两个值从而生成吸收率或反射率随波长的变化谱。例如，常见的双光束光谱 仪中，从光源发出的光被分束器分成两束，一束作为参考光束，另一束作为样品光束被样品 吸收。该参考光束和被样品吸收后的样品光束共用一套分光系统，利用反射镜作为光路 切换装置，使参考光束和被样品调制后的样品光束在时间上交替地入射到共用的分光系统 中。在获得这两束光束的光谱后，使两光束相比较，从而得到吸收率或反射率随波长的变化 谱。由于光路切换装置通常采用机械移动部件，其寿命有限且切换频率较低，通常仅能达到 1Hz左右，切换时间远大于光源、探测器等的波动时间，由于参考光束和样品光束并非同时 测量的，因此光源、探测器等装置在短时间内的波动会导致参考光束和样品光束的不同从 而导致其测量条件的不同，因此无法起到校正误差的作用。
[0005] 美国专利US6204919公开了一种双光束光谱仪，其包括分成第一臂和第二臂的光 纤束、光传输装置、聚焦透镜、色散元件和探测器。其中探测器为双排传感器，具有512X2 个像素。利用两排像素同时测量两个臂的光，从而能够同时测量样品光束和参考光束。然 而，这种双光束光谱仪所用的探测器的结构非常复杂，且信号处理过程非常繁琐。
[0006] Hadamard变换光谱仪是一个通过光学调制过程来获取光谱信息的装置。Hadamard 变换光谱仪具有是一种多通道光谱调制技术，具有光通量大，所得光谱图的信噪比高，采用 光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，扫描速度快等优点。
[0007] DMD是近些年新发展起来的一种双稳态的空间光调制器，并广泛地应用于单通道 的Hadamard变换光谱仪中。来自待测样品的光被光收集装置收集后导向狭缝，从狭缝发出 的光穿过准直透镜后到达色散元件，色散元件将光束分成光谱，然后该光谱通过聚焦透镜 被聚焦到DMD上，DMD对光谱信息进行Hadamard编码。探测器完成对该光谱的检测，然后 通过Hadamard变换计算得到光谱信息。Hadamard变换光谱仪相对于其它光谱仪的好处是 可以通过Hadamard变换算法实现比较高的信噪比，从而达到比较高的测量精度。对于双通 道的光谱仪，也可以先将同一光源发出的光分成参考光束和样品光束，再利用两块DMD分 别对参考光束和样品光束的色散后的光谱进行编码，然后再利用两个探测器分别对这两个 光谱进行检测，从而实现参考光束和样品光束的同时测量。因为参考光束和样品光束是完 全同时被测量的，因此可以非常好地校正光源波动带来的误差。但是由于DMD价格昂贵，这 种采用两块DMD的光谱仪的成本过高。


【发明内容】

[0008] 本发明的一个目的是提供一种光调制装置，通过对光路的设计，仅采用一块DMD 即可实现两束光束的同时测量，从而减少所用DMD的数量或者说面积。
[0009] 本发明提供一种光调制装置，包括：
[0010]第一色散元件，用于接收第一光束并使其色散；第二色散元件，用于接收第二光束 并使其色散；
[0011] 一个空间光调制器，用于接收从第一色散元件发出的色散后的所述第一光束以及 从第二色散元件发出的色散后的所述第二光束，且二者在空间光调制器上形成的投影至少 部分重合；
[0012] 第一探测器和第二探测器，
[0013] 其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单 元能够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、第一探测器和第二探测器的 相对位置被布置为：当空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，使入射到其上的色 散后的所述第一光束出射到所述第一探测器上，使入射到其上的色散后的所述第二光束出 射到所述第二探测器上；当所述空间光调制器中的每一个单元处于第二状态时，使入射到 其上的色散后的所述第一光束出射到不同于所述第一探测器方向的第一方向，使入射到其 上的色散后的所述第二光束出射到不同于所述第二探测器方向的第二方向。本发明提供的 空间光调制装置，能够同时接收来自两个方向的两束光并二者同时进行调制，因此可节省 空间光调制器(例如DMD)的数量，或者降低所需空间光调制器的面积。
[0014] 根据本发明提供的光调制装置，所述第一光束来自待测样品，所述第二光束来自 参考样品。仅采用一块DMD即可实现参考光束和样品光束的同时、实时测量，从而非常好地 校正由光源、探测器和相关电子器件等的波动所产生的误差，从而提高测量精度。
[0015] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束来自不同的待测样 品。
[0016] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束的光谱范围不同。
[0017] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一光束由具有第一光谱范围的光照射 待测样品产生，所述第二光束由具有第二光谱范围的光照射待测样品产生，其中第一光谱 范围不同于第二光谱范围。
[0018] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一方向和第二方向上放置有吸收器， 能够防止无用的光反射到系统的其他部分而造成光干扰。
[0019] 根据本发明提供的光调制装置，其中第一方向与所述第二探测器的方向相同，从 而省略在第一方向上的吸收器，降低成本。
[0020] 根据本发明提供的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束的 +N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的-N级衍射光叠加地入射到所 述空间光调制器上，其中N3 1。这能够使得重合在DMD上的投影中，不同颜色条纹的次序 完全对应。
[0021] 根据本发明提供的光调制装置，其中入射到所述空间光调制器上的为从第一色散 单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束 的+N级衍射光，其中N3 1，或者为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的-N级衍射 光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的-N级衍射光。
[0022] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为反射式 凹面衍射光栅。
[0023] 根据本发明提供的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自 在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相反的。
[0024] 根据本发明提供的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束各自 在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相同的。
[0025] 根据本发明提供的光调制装置，其中所述空间光调制器为DMD、液晶光阀、数字光 处理器或光栅光阀。
[0026] 根据本发明提供的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束和 从第二色散单元出射的色散后的第二光束在空间光调制器上的投影完全重合，从而能够最 大化地节省DMD的面积。
[0027] 本发明提供的光调制装置，能够同时接收来自两个方向的两束光并二者同时进行 调制，因此可节省空间光调制器(例如DMD)的数量，或者说是降低所需空间光调制器的面 积。
[0028] 本发明提供的光调制装置仅采用一块DMD即可实现两个光束的同时、实时测量， 从而非常好地校正由光源、探测器和相关电子器件等的波动所产生的误差，从而提高测量 精度。
[0029] 本发明的光调整装置可以同时测量两个待测样品，从而可以增加测量的产率。
[0030] 本发明所提供的光调整装置也可以对待测样品和参考样品进行比对，从而可以获 得测量样品相对于参考样品的光谱吸收率或反射率，从而能够分析待测样品的成分。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 下面以光谱仪为具体形式来说明本发明的光调节装置。但是本领域的技术人员知 晓本发明的光调节装置不限于为光谱仪的形式。以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明 和解释，并不限定本发明的范围。其中，
[0032] 图1为根据本发明一个实施例的光谱仪的光路结构示意图；
[0033] 图2为被第一凹面衍射光栅反射后样品光束的详细结构；
[0034] 图3为被第二凹面衍射光栅反射后参考光束的详细结构；
[0035] 图4为DMD结构示意图；
[0036] 图5为DMD中的一个微反射镜单元的结构示意图；
[0037] 图6为根据本发明的实施例1的光谱仪中的DMD的工作方式的示意图；
[0038] 图7为根据本发明的实施例2的光谱仪中的DMD的工作方式的示意图；
[0039] 图8示出了各种颜色条纹的排布次序相反时的DMD ;
[0040] 图9示出了根据本发明的又一实施例的光谱仪的光路结构示意图；
[0041] 图10示出了根据本发明的另一实施例的光谱仪的光路结构示意图。

【具体实施方式】
[0042] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】

【附图说明】本发 明的【具体实施方式】。
[0043] 实施例1
[0044] 本实施例提供了一种双光束光谱仪，其光路结构如图1所示，包括：
[0045] 光源1，用于提供照明光束；
[0046] 分束器2,用于将光源发出的照明光束分成两束，其中一束作为样品光束S，另一 束作为参考光束R ;
[0047] 第一分光单元，用于使样品光束S被样品调制(例如透射、散射、反射等）并使被样 品调制过的样品光束S发生色散，包括第一反射镜10、用于承载待测样品的样品台3、第一 狭缝11、第一准直元件12和第一凹面衍射光栅13,第一反射镜10接收到样品光束S后将 其反射到样品台3上的样品中，透射过样品后，被调制过的样品光束S通过第一狭缝11然 后被准直元件12准直后入射到第一凹面衍射光栅13,被第一凹面衍射光栅13反射后该样 品光束S的详细结构如图2所示，分为0级衍射光，± 1级衍射光…土N级衍射光，为清晰起 见，图2中仅示出了 0级和±1级衍射光，图2中的箭头表示波长由长至短的分布，可以看 出+1级衍射光的波长分布方向与-1级的正相反，其中仅+1级衍射光被利用；
[0048] 第二分光单元，用于使参考光束R发生色散，包括第二反射镜20、第二狭缝21、第 二准直元件22、第二凹面衍射光栅23,第二反射镜20接收到参考光束R后将其反射到第二 狭缝21，透过第二狭缝21的光然后被准直元件22准直后入射到第二凹面衍射光栅23,被 第二凹面衍射光栅23反射后的光束的详细结构如图3所示，分为0级衍射光，±1级衍射 光…土N级衍射光，为清晰起见，图3中仅示出了 0级和± 1级衍射光，图3中的箭头同样 表示波长由长至短的分布，其中仅-1级衍射光被利用；
[0049] DMD4,被第一分光单兀和第二分光单兀所共用，使从第一分光单兀出射的样品光 束S的+1级衍射光和从第二分光单元出射的参考光束R的-1级衍射光分别从两个角度 入射到DMD4上，且使该样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的-1级衍射光在DMD4上 的投影（即光束在DMD上形成的光斑）完全重合(如图1所示，其中DMD4接收的光为样品光 束S的+1级衍射光和参考光束R的-1级衍射光)，且彩色条纹的延伸方向相同，由于样品 光束S的+1级衍射光与参考光束R的-1级衍射光的波长分布方向相同(如图2和图3中 的箭头所示，均为从右向左)，不同颜色条纹的次序完全对应，因此对于参考光束R和样品光 束S的测量条件严格地相同；
[0050] 第一探测器15和第二探测器25,分别用于接收被DMD反射的样品光束S和参考光 束R，并测量所接收到的光的能量，第一探测器15与DMD之间还具有第一收集透镜14,第二 探测器25与DMD之间具有第二收集透镜24 ;
[0051] 比较装置（图1中未示出），用于使第一探测器15得到的信息与第二探测器25得 到的信息相比较，从而得到反映样品信息的光谱。
[0052] 下面详细描述利用共用的DMD同时测量样品光束S和参考光束R的过程。
[0053] DMD是一种双稳态的空间光调制器，其结构如图4所示，是由多个独立控制的微反 射镜单元401 (每个微反射镜401的结构如图5所示）构成的阵列，每个微反射镜单元401 可被控制器寻址从而处于第一倾角（On状态）或第二倾角（Off状态)。当某一微反射镜单 兀处于On状态时，来自某一方向的入射光被反射到X方向，当该微反射镜单兀处于Off状 态时，来自该方向的入射光被反射到Y方向。现有技术中采用DMD的单通道光谱仪中，利用 DMD对光谱信息进行Hadamard编码，并在X方向上放置探测器，以接收被DMD中的各个处于 On状态的微反射镜单元反射的光，以用于光谱分析。
[0054] 而本发明中的DMD与现有技术中的单通道光谱仪中的DMD的工作方式有所不同。 本发明中使用共用的DMD同时接收来自两个方向的样品光束S和参考光束R，通过控制DMD 中的各个微反射镜单元的各自的方向，使其能够选择性地将样品光束S中的某波段的光反 射到对应的用于测量光强的探测器中，从而能够分别得到各个波段的光的含量，进而得到 样品光束S的光谱。而在DMD选择性地将样品光束S中的各个波段的光反射到对应的探测 器中的同时，也将参考光束R中的各个波段的光反射到了与参考光束对应的另一个探测器 中，从而同样可以得到参考光束R中的各个波段的含量，进而得到参考光束R的光谱。
[0055] 上述实施例1提供的双光束光谱仪中的DMD的具体工作方式如图6所示。当某一 微反射镜单兀处于打开（On)状态时，样品光束S被反射到D1方向，参考光束R被反射到D2 方向。当该微反射镜单兀处于Off状态时，样品光束S被反射到A1方向，参考光束R被反 射到A2方向。在D1方向上放置第一探测器15,在D2方向上放置第二探测器25 (如图1 所示)，在A1方向上放置第一吸收器（图1中未示出），在A2方向上放置第二吸收器（图1中 未示出），第一吸收器和第二吸收器能够防止无用的光反射到系统的其他部分而造成光干 扰。则当微反射镜处于Off状态时，样品光束S被反射到A1方向并被第一吸收器吸收(废 弃不用)，参考光束R被反射到A2方向并被第二吸收器吸收(废弃不用）。当微反射镜处于 On状态时，第一探测器可接收到被微反射镜反射的样品光束S，第二探测器可接收到被微 反射镜反射的参考光束R。分别放置在D1和D2方向上的第一和第二探测器可接收被DMD 中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的光，从而利用共用的DMD对样品光束S和参考 光束R进行编码，以用于光谱分析。其中DMD的编码控制方式为本领域公知技术，例如常用 的Hadamard转换、振幅调制、频率调制、随机编码图案或其他类似的变换等。
[0056] 本实施例中，通过使样品光束S的+1级衍射光和参考光束R的-1级衍射光从两 个角度入射并重叠到共用的DMD上，并利用第一探测器15和第二探测器25分别接收被DMD 反射的样品光束S和参考光束R，仅采用一块DMD即可实现参考光束和样品光束的同时测 量，从而非常好地校正光源波动带来的误差。
[0057] 实施例2
[0058] 本实施例提供了一种双光束光谱仪，其基本结构与实施例1中提供的双光束光谱 仪的结构基本相同，其区别仅在于DMD的工作方式不同。在本实施例中，DMD的工作方式如 图7所不。当某一微反射镜单兀处于On状态时，样品光束S被反射到D1方向，参考光束R 被反射到D2方向。当该微反射镜单元处于Of f状态时，样品光束S被反射到D2方向，参考 光束R被反射到A方向。即相当于实施例1中的A1方向与D2方向重合。在D1方向上放 置第一探测器15,在D2方向上放置第二探测器25,在A方向上放置吸收器。则当微反射镜 处于Off状态时，样品光束S被反射到D2方向并被第二接收器接收，参考光束R被反射到A 方向并被吸收器吸收(废弃不用）。当微反射镜处于On状态时，第一探测器可接收到被微反 射镜反射的样品光束S，第二探测器可接收到被微反射镜反射的参考光束R。因此放置在D1 方向上的第一探测器可接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射的样品光束 S，放置在D2方向上的第二探测器可接收被DMD中的各个处于On状态的微反射镜单元反射 的参考光束R，还可接收被DMD中的各个处于Off状态的微反射镜单元反射的样品光束S。 其中DMD的控制方式为本领域公知技术，例如常用的Hadamard转换、振幅调制、频率调制、 随机编码图案或其他类似的变换等，本领域技术人员可根据图7中所示的几何结构容易地 得到具体的DMD控制方式以及得到光谱的具体算法。下文中将提供其中一种控制方式和得 到光谱的具体算法作为示例，本领域技术人员可以容易地在此基础上做出各种变型。
[0059] 例如，对于4级Hadamard编码来说，由第一探测器15检测到的能量可以写作 El，E2, E3, E4。第一探测器15总是检测到样品光束S被On状态下的微反射镜单元所反射 的部分光。4级Hadamard矩阵可以写为：
[0060]

【权利要求】
1. 一种光调制装置，包括： 第一色散元件，用于接收第一光束并使其色散； 第二色散元件，用于接收第二光束并使其色散； 一个空间光调制器，用于接收从第一色散元件发出的色散后的所述第一光束以及从第 二色散元件发出的色散后的所述第二光束，且二者在空间光调制器上形成的投影至少部分 重合； 第一探测器和第二探测器； 其中所述空间光调制器包括多个能够独立控制的单元，所述多个单元中的每个单元能 够调整入射到其上的光的出射方向，所述空间光调制器、第一探测器和第二探测器的相对 位置为：当空间光调制器中的每一个单元处于第一状态时，使入射到其上的色散后的所述 第一光束出射到所述第一探测器上，使入射到其上的色散后的所述第二光束出射到所述第 二探测器上；当所述空间光调制器中的每一个单元处于第二状态时，使入射到其上的色散 后的所述第一光束出射到不同于所述第一探测器方向的第一方向，使入射到其上的色散后 的所述第二光束出射到不同于所述第二探测器方向的第二方向。
2. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一色散元件接收的第一光束来自待 测样品，所述第二色散元件接收的第二光束来自参考样品。
3. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一光束和第二光束来自不同的待测 样品。
4. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一光束由具有第一光谱范围的光照 射待测样品产生，所述第二光束由具有第二光谱范围的光照射待测样品产生，其中第一光 谱范围不同于第二光谱范围。
5. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一方向和第二方向上放置有吸收 器。
6. 根据权利要求5所述的光调制装置，其中第一方向与所述第二探测器的方向相同， 从而省略在第一方向上的吸收器。
7. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为衍射 光栅。
8. 根据权利要求7所述的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光束 的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的-N级衍射光叠加地入射到 所述空间光调制器上，其中N > 1。
9. 根据权利要求7所述的光调制装置，其中入射到所述空间光调制器上的为从第一色 散单元出射的色散后的第一光束的+N级衍射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光 束的+N级衍射光，其中N3 1，或者为从第一色散单元出射的色散后的第一光束的-N级衍 射光和从第二色散单元出射的色散后的第二光束的-N级衍射光。
10. 根据权利要求7所述的光调制装置，其中所述第一色散元件和第二色散元件为反 射式凹面衍射光栅。
11. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束 各自在所述空间光调制器上形成的投影中，各种光谱成分的排布次序是相反的。
12. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中色散后的第一光束和色散后的第二光束 各自在所述空间光调制器上的投影中，各种光谱成分的排布次序是相同的。
13. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中所述空间光调制器为DMD、液晶光阀、数字 光处理器或光栅光阀。
14. 根据权利要求1所述的光调制装置，其中从第一色散单元出射的色散后的第一光 束和从第二色散单元出射的色散后的第二光束在空间光调制器上的投影完全重合。
【文档编号】G01N21/31GK104122206SQ201310156357
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】郭勇, 杜昭辉 申请人:西门子公司