基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪的制作方法

（一）、技术领域：

本发明涉及一种光谱仪，特别涉及一种基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪。

（二）、

背景技术：
：

光通量和分辨率是光谱仪器的两个重要指标，目前，人们多采用减小入射狭缝的手段来提高光谱仪的分辨率，但是这势必会减小整个光谱仪器系统的光通量。现有的微型数字光谱仪多采用单点探测器进行光谱的探测，这在一定程度上降低了仪器的成本，减小了仪器尺寸，但是单点探测器的受光面积非常小，灵敏度也不高，这势必影响微弱信号的检测。数字微镜光谱仪采用具有高反射率的数字微镜阵列结合哈达玛技术进行光谱的调制，以组合测量模式取代逐次扫描模式，增大了系统的光通量，并且一定程度上保证了数字微镜开状态下光谱能量的完全探测，但是，数字微镜关状态下的光谱能量也随之完全损失。国外多采用双光路系统，数字微镜开状态和关状态分别采用两个不同的探测器进行扫描探测，这样不仅光路系统复杂、难于实现，而且大大增加了仪器的成本。

（三）、

技术实现要素：
：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪，该光谱仪不仅具有较高的光通量，而且结构紧凑、生产成本低。

本发明的技术方案：

一种基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪，含有光源、准直透镜、分光器件、第一会聚透镜、分区式数字微镜、反射镜、第二会聚透镜、第三会聚透镜和单点探测器；分区式数字微镜含有两个分别编码调制的微镜阵列区，该两个微镜阵列区分别为：第一微镜阵列区和第二微镜阵列区；

光源射出的光线经过准直透镜后到达分光器件，第一会聚透镜设置在分光器件的出射光路，分区式数字微镜的第一微镜阵列区设置在第一会聚透镜的出射光路，第二会聚透镜设置在第一微镜阵列区开状态时的出射光路，反射镜设置在第一微镜阵列区关状态时的出射光路，分区式数字微镜的第二微镜阵列区设置在反射镜的出射光路，第三会聚透镜设置在第二微镜阵列区开状态时的出射光路，单点探测器同时位于第二会聚透镜和第三会聚透镜的焦点处；

准直透镜用来将光源射出的光线准直成平行光；分光器件用来将准直透镜准直的平行光进行色散；第一会聚透镜用来将色散后的平行光成像到分区式数字微镜；分区式数字微镜用来实现光路的通断和分区编码；第二会聚透镜用来将第一微镜阵列区开状态时编码的光线会聚到单点探测器；反射镜用来将第一微镜阵列区关状态时编码的光线反射到第二微镜阵列区；第三会聚透镜用来将第二微镜阵列区开状态时编码的光线会聚到单点探测器。

分光器件为闪耀光栅。

光源为卤钨灯。

分区式数字微镜中含有多个数字微镜单元，通过编码可控制数字微镜单元发生不同角度的偏转，从而可实现光的开关作用。

第一微镜阵列区和第二微镜阵列区采用相同的哈达玛变换矩阵进行光谱的调制。

该高光通量光谱仪的光路原理为：光源射出的光线经过准直透镜后以平行光的方式到达分光器件进行分光，然后经第一会聚透镜到达第一微镜阵列区，编码控制第一微镜阵列区进行光谱调制，第一微镜阵列区开状态下的光信号经第二会聚透镜到达单点探测器，第一微镜阵列区关状态下的光经反射镜到达第二微镜阵列区进行编码调制，调制后经第三会聚透镜到达单点探测器，从而完成光谱的探测。

哈达玛变换技术应用在光谱仪上时，以组合编码调制的方式代替了逐次扫描的模式，在一定程度上提高了光谱仪的光通量，但是组合测量中，数字微镜关状态的下的光谱能量完全损失了；本发明通过对数字微镜进行分区编码调制，由第二微镜阵列区对第一微镜阵列区的关状态光谱能量进行编码调制，补偿第一微镜阵列区光谱能量的损失，在不增加仪器成本的情况下，达到了提高光通量的目的。第一微镜阵列区和第二微镜阵列区编码调制相互独立、互不影响，从而可以控制光谱仪具有多种工作模式，便于使用者操作；例如：可以只控制第一微镜阵列区对光谱信号进行编码调制（称为模式一），也可以控制第一微镜阵列区和第二微镜阵列区同时进行编码调制（称为模式二）；模式一为常规的编码调制模式，模式二为对模式一的关状态进行光通量补偿的模式，两种模式互相独立、互不干扰，便于比较分析；当光谱信号较强时，不需要采用能量补偿方案，可采用模式一；当光谱信号较弱时，则需要采用能量补偿方案，可采用模式二。

实际使用该高光通量光谱仪时，可以将样品池放置在光源和准直透镜之间，或者将样品池放置在准直透镜和分光器件之间。

本发明的有益效果：

1.本发明的分区式数字微镜含有两个分别编码调制的微镜阵列区，第一微镜阵列区完成其开状态光谱能量的编码调制，第二微镜阵列区对第一微镜阵列区的关状态光谱能量进行编码调制，补偿第一微镜阵列区光谱能量的损失，第一微镜阵列区和第二微镜阵列区调制后的光谱能量最后都通过单点探测器进行光谱探测，这样大大提高了光谱仪的光通量，有利于光谱仪对微弱信号的检测分析，该光谱仪可广泛应用于化学成分分析领域。

2.本发明对数字微镜进行分区编码调制，然后采用同一个单点探测器对两个微镜阵列区的光谱信号进行探测；因此，本发明结构紧凑，有利于实现光谱仪的微型化，而且还提高了数字微镜的利用率，降低了光谱仪的生产成本。

3. 本发明的两个微镜阵列区编码调制相互独立、互不影响，光谱调制模式灵活可变，便于使用者操作。

（四）、附图说明：

图1为基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪的结构示意图；

图2为数字微镜单元的光开关示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图2，图中，基于分区式数字微镜的高光通量光谱仪含有光源1、准直透镜2、分光器件3、第一会聚透镜4、分区式数字微镜5、反射镜7、第二会聚透镜6、第三会聚透镜8和单点探测器9；分区式数字微镜5含有两个分别编码调制的微镜阵列区，该两个微镜阵列区分别为：第一微镜阵列区Ⅰ和第二微镜阵列区Ⅱ；

光源1射出的光线经过准直透镜2后到达分光器件3，第一会聚透镜4设置在分光器件3的出射光路，分区式数字微镜5的第一微镜阵列区Ⅰ设置在第一会聚透镜4的出射光路，第二会聚透镜6设置在第一微镜阵列区Ⅰ开状态时的出射光路，反射镜7设置在第一微镜阵列区Ⅰ关状态时的出射光路，分区式数字微镜5的第二微镜阵列区Ⅱ设置在反射镜7的出射光路，第三会聚透镜8设置在第二微镜阵列区Ⅱ开状态时的出射光路，单点探测器9同时位于第二会聚透镜6和第三会聚透镜8的焦点处；

准直透镜2用来将光源1射出的光线准直成平行光；分光器3件用来将准直透镜2准直的平行光进行色散；第一会聚透镜4用来将色散后的平行光成像到分区式数字微镜5；分区式数字微镜5用来实现光路的通断和分区编码；第二会聚透镜6用来将第一微镜阵列区Ⅰ开状态时编码的光线会聚到单点探测器9；反射镜7用来将第一微镜阵列区Ⅰ关状态时编码的光线反射到第二微镜阵列区Ⅱ；第三会聚透镜8用来将第二微镜阵列区Ⅱ开状态时编码的光线会聚到单点探测器9。

分光器件3为闪耀光栅。

光源1为卤钨灯。

分区式数字微镜5中含有多个数字微镜单元10，通过编码可控制数字微镜单元10发生不同角度的偏转，从而可实现光的开关作用；图2中，IN表示入射光，ON表示数字微镜单元10开时的反射光，OFF表示数字微镜单元10关时的反射光。

第一微镜阵列区Ⅰ和第二微镜阵列区Ⅱ采用相同的哈达玛变换矩阵进行光谱的调制。

该高光通量光谱仪的光路原理为：光源1射出的光线经过准直透镜2后以平行光的方式到达分光3进行分光，然后经第一会聚透镜4到达第一微镜阵列区Ⅰ，编码控制第一微镜阵列区Ⅰ进行光谱调制，第一微镜阵列区Ⅰ开状态下的光信号经第二会聚透镜6到达单点探测器9，第一微镜阵列区Ⅰ关状态下的光经反射镜7到达第二微镜阵列区Ⅱ进行编码调制，调制后经第三会聚透镜8到达单点探测器9，从而完成光谱的探测。

第一微镜阵列区Ⅰ和第二微镜阵列区Ⅱ编码调制相互独立、互不影响，从而可以控制光谱仪具有多种工作模式，便于使用者操作；例如：可以只控制第一微镜阵列区Ⅰ对光谱信号进行编码调制（称为模式一），也可以控制第一微镜阵列区Ⅰ和第二微镜阵列区Ⅱ同时进行编码调制（称为模式二）；模式一为常规的编码调制模式，模式二为对模式一的关状态进行光通量补偿的模式，两种模式互相独立、互不干扰，便于比较分析；当光谱信号较强时，不需要采用能量补偿方案，可采用模式一；当光谱信号较弱时，则需要采用能量补偿方案，可采用模式二。

实际使用该高光通量光谱仪时，将样品池11放置在准直透镜2和分光器件3之间。