基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光譜分析儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，為提供一種基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，增大狹縫處的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光譜分辨率之間的相互限制；實(shí)現(xiàn)微型固化，提高穩(wěn)定性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，包括：狹縫(8)，準(zhǔn)直透鏡(9)，衍射光柵(10)，第四會(huì)聚透鏡(11)，數(shù)字微鏡元件DMD(12)，數(shù)字微鏡元件控制器(13)，第五會(huì)聚透鏡(14)，單點(diǎn)式探測(cè)器(15)，放大器(16)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(17)，計(jì)算機(jī)(18)；此外還包括采樣模塊。本發(fā)明主要應(yīng)用于光譜分析。
【專利說(shuō)明】基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析儀器【技術(shù)領(lǐng)域】。具體講，涉及基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002]近紅外光譜(NIRS)是介于可見光和中紅外之間的電磁輻射波段，根據(jù)美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)(ASTM)的定義，NIRS的波長(zhǎng)范圍為780-2526nm。當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的近紅外光(NIR)照射物質(zhì)，物質(zhì)分子中的某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和NIR的頻率一樣時(shí)，物質(zhì)分子會(huì)吸收對(duì)應(yīng)頻率NIR的能量，物質(zhì)分子的振動(dòng)能級(jí)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)將由基態(tài)躍迀至某一激發(fā)態(tài)。根據(jù)物質(zhì)分子對(duì)NIR的選擇性吸收的現(xiàn)象，可以對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子組成進(jìn)行分析，定性地獲取物質(zhì)的成分信息，并且，由于物質(zhì)分子對(duì)NIR的吸收系數(shù)與物質(zhì)分子的含量或濃度有關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分的定量分析，因此，形成了近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，可以廣泛地用于物質(zhì)成分檢測(cè)領(lǐng)域。
[0003]近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)主要是根據(jù)物質(zhì)的近紅外吸收光譜進(jìn)行分析的，屬于分子光譜的范疇。近紅外吸收光譜記錄了物質(zhì)分子對(duì)不同頻率的NIR的不同吸收系數(shù)，反映了物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和組成，結(jié)合不斷發(fā)展的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，可以通過(guò)對(duì)吸收光譜的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，定量地分析物質(zhì)成分含量信息。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)具有鮮明的特點(diǎn)，包括:對(duì)樣品不接觸、無(wú)損害，無(wú)需預(yù)處理、不污染環(huán)境，分析速度快、效率高、實(shí)時(shí)性好，設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等。目前，近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)和藥學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)考古、刑偵鑒定等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，提供了先進(jìn)的分析和檢測(cè)技術(shù)。
[0004]近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)載體是近紅外光譜儀，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，近紅外光譜儀已經(jīng)具有較高的檢測(cè)水平，包括:較高的信噪比、較高的光譜分辨率、較高的穩(wěn)定性和較高的精確度。然而，近紅外光譜儀中狹縫的設(shè)置問(wèn)題依然需要進(jìn)一步解決，因?yàn)樵谑褂媒t外光譜儀的時(shí)候，需要考慮信噪比和光譜分辨率的權(quán)衡，較窄的狹縫，有利于分辨率的提高，但是，降低了近紅外光束的光通量，限制了信噪比，因此，需要引入新的技術(shù)一一虛擬狹縫技術(shù)，在較窄的狹縫時(shí)，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比與光譜分辨率的相互限制。同時(shí)，近紅外光譜儀的微型固化設(shè)計(jì)為近紅外光譜儀的發(fā)展提供了新的思路，通過(guò)數(shù)字微鏡元件DMD、固定衍射光柵和單點(diǎn)式探測(cè)器的組合，完成近紅外光譜儀的分光檢測(cè)任務(wù)，可以使得內(nèi)部元器件固定且小型化，配以緊湊的光路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微型固化的特點(diǎn)，提尚穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，增大狹縫處的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光譜分辨率之間的相互限制；實(shí)現(xiàn)微型固化，提高穩(wěn)定性，為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，包括:狹縫(8)，準(zhǔn)直透鏡(9)，衍射光柵(10)，第四會(huì)聚透鏡(11)，數(shù)字微鏡元件DMD (12)，數(shù)字微鏡元件控制器(13)，第五會(huì)聚透鏡(14)，單點(diǎn)式探測(cè)器(15)，放大器(16)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (17)，計(jì)算機(jī)(18);此外還包括采樣模塊，采樣模塊使用透射采樣方式并包括:光源(I)，拋物面反射鏡(2)，第一會(huì)聚透鏡(3)、第二會(huì)聚透鏡(4)，柱面會(huì)聚透鏡
[5]，樣品池(6)，第三會(huì)聚透鏡(7);
[0006]由光源(I)產(chǎn)生近紅外光束；
[0007]拋物面反射鏡(2)對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束；
[0008]第一會(huì)聚透鏡(3)、第二會(huì)聚透鏡(4)組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫(8)高度相匹配；
[0009]柱面會(huì)聚透鏡(5)將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫(8)相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫(8)對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫(8)處近紅外光束的光通量;
[0010]樣品池(6)放置待測(cè)樣品，收集透射近紅外光束；
[0011]第三會(huì)聚透鏡(7)將樣品池(6)處的線狀入射光斑成像在狹縫(8)處，樣品池(6)和狹縫(8)呈物像共軛關(guān)系；
[0012]狹縫⑶限制近紅外光束通過(guò)的尺寸；
[0013]準(zhǔn)直透鏡(9)對(duì)通過(guò)狹縫(8)的近紅外光束進(jìn)行準(zhǔn)直；
[0014]衍射光柵(10)通過(guò)衍射作用對(duì)近紅外光束進(jìn)行分光；
[0015]第四會(huì)聚透鏡(11)將經(jīng)過(guò)衍射光柵(10)分光的近紅外光束按不同波長(zhǎng)入射到數(shù)字微鏡元件DMD(12)微鏡面的不同位置；
[0016]數(shù)字微鏡元件DMD(12)對(duì)已分光的近紅外光束進(jìn)行譜面分割；
[0017]數(shù)字微鏡元件控制器(13)通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD (12)各個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)；
[0018]第五會(huì)聚透鏡(14)將數(shù)字微鏡元件DMD(12)的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器(15)的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD (12)和單點(diǎn)式探測(cè)器(15)呈物像共軛關(guān)系；
[0019]單點(diǎn)式探測(cè)器(15)將近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
[0020]放大器(16)將電信號(hào)放大；
[0021]模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) (17)將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；
[0022]計(jì)算機(jī)(18)進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)字信號(hào)處理。
[0023]采樣模塊或者使用反射采樣方式的采樣模塊，包括:光源(19)，拋物面反射鏡
(20)，第二^^一會(huì)聚透鏡(21)、第二十二會(huì)聚透鏡(22)，柱面會(huì)聚透鏡(23)，直角三棱鏡
[24]，樣品池(25)，第二十六會(huì)聚透鏡(26)，狹縫(8);
[0024]由光源(19)產(chǎn)生近紅外光束；
[0025]拋物面反射鏡(20)對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束；
[0026]第二十一會(huì)聚透鏡(21)、第二十二會(huì)聚透鏡(22)，組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫(8)高度相匹配；
[0027]柱面會(huì)聚透鏡(23)將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫(8)相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫(8)對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫(8)處近紅外光束的光通量；直角三棱鏡(24)具有高折射率，使得近紅外光束在直角三棱鏡(24)的斜邊處發(fā)生一次全內(nèi)反射TIR;
[0028]樣品池(25)放置待測(cè)樣品，收集反射近紅外光束；
[0029]第二十六會(huì)聚透鏡(26)將樣品池(25)處的線狀入射光斑成像在狹縫(8)處，樣品池(25)和狹縫(8)呈物像共軛關(guān)系。
[0030]狹縫(8)限制近紅外光束通過(guò)的尺寸，影響光譜分辨率，較窄的寬度時(shí)，具有較高的光譜分辨率。
[0031]數(shù)字微鏡元件控制器(13)在計(jì)算機(jī)(18)的控制下通過(guò)底層CMOS電路根據(jù)阿達(dá)瑪數(shù)字變換技術(shù)通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD(12)的各個(gè)微鏡發(fā)生±10°的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)“O”和“ I ”狀態(tài)的變換和組合，將近紅外波長(zhǎng)按照一定的規(guī)則進(jìn)行分組，單點(diǎn)式探測(cè)器(15)使用InGaAs光電二極管，接收多個(gè)波長(zhǎng)組合的近紅外光束，第五會(huì)聚透鏡
(14)將數(shù)字微鏡元件DMD(12)的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器(15)的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD(12)和單點(diǎn)式探測(cè)器(15)呈物像共軛關(guān)系。
[0032]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0033]虛擬狹縫的設(shè)置，使得較窄的狹縫具有較大的近紅外光光通量，提高了信噪比，突破了信噪比和光譜分辨率之間的相互限制，同時(shí)，內(nèi)部元器件的固定化、小型化設(shè)計(jì)，配以緊湊的內(nèi)部光路，具有微型固化的特點(diǎn)，提高了穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1是本發(fā)明提供的基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，采樣模塊使用透射采樣方式。
[0035]圖中，I為光源，2為拋物面反射鏡，3、4為會(huì)聚透鏡，5為柱面會(huì)聚透鏡，6為樣品池，7為會(huì)聚透鏡，8為狹縫，9為準(zhǔn)直透鏡，10為衍射光柵，11為會(huì)聚透鏡，12為數(shù)字微鏡元件DMD，13為數(shù)字微鏡元件控制器，14為會(huì)聚透鏡，15為單點(diǎn)式探測(cè)器，16為放大器，17為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，18為計(jì)算機(jī)，*表示物像共軛關(guān)系。
[0036]圖2是反射采樣方式的采樣模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖中，19為光源，20為拋物面反射鏡，21、22為會(huì)聚透鏡，23為柱面會(huì)聚透鏡，24為直角三棱鏡，25為樣品池，26為會(huì)聚透鏡，8為狹縫，*表示物像共軛關(guān)系。

【具體實(shí)施方式】
[0038]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0039]基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀系統(tǒng)，其中，采樣模塊使用透射采樣方式，包括:光源I，拋物面反射鏡2，會(huì)聚透鏡3、4，柱面會(huì)聚透鏡5，樣品池6，會(huì)聚透鏡7，狹縫8，準(zhǔn)直透鏡9，衍射光柵10，會(huì)聚透鏡11，數(shù)字微鏡元件DMD12，數(shù)字微鏡元件控制器13，會(huì)聚透鏡14，單點(diǎn)式探測(cè)器15，放大器16，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC17，計(jì)算機(jī)18。
[0040]由光源I產(chǎn)生近紅外光束。
[0041]拋物面反射鏡2對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束。
[0042]會(huì)聚透鏡3、4組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫8高度相匹配。
[0043]柱面會(huì)聚透鏡5將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫8相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫8對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫8處近紅外光束的光通量。
[0044]樣品池6放置待測(cè)樣品，收集透射近紅外光束。
[0045]會(huì)聚透鏡7將樣品池6處的線狀入射光斑成像在狹縫8處，樣品池6和狹縫8呈物像共軛關(guān)系。
[0046]狹縫8限制近紅外光束通過(guò)的尺寸，影響光譜分辨率，較窄的寬度時(shí)，具有較高的光譜分辨率。
[0047]準(zhǔn)直透鏡9對(duì)通過(guò)狹縫8的近紅外光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0048]衍射光柵10通過(guò)衍射作用對(duì)近紅外光束進(jìn)行分光。
[0049]會(huì)聚透鏡11將經(jīng)過(guò)衍射光柵10分光的近紅外光束按不同波長(zhǎng)入射到數(shù)字微鏡元件DMD12微鏡面的不同位置。
[0050]數(shù)字微鏡元件DMD12對(duì)已分光的近紅外光束進(jìn)行譜面分割。
[0051]數(shù)字微鏡元件控制器13通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD12各個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)。
[0052]會(huì)聚透鏡14將數(shù)字微鏡元件DMD12的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器15的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD12和單點(diǎn)式探測(cè)器15呈物像共軛關(guān)系。
[0053]單點(diǎn)式探測(cè)器15將近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0054]放大器16將電信號(hào)放大。
[0055]模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC17將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
[0056]計(jì)算機(jī)18進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理。
[0057]反射采樣方式的采樣模塊，包括:光源19，拋物面反射鏡20，會(huì)聚透鏡21、22，柱面會(huì)聚透鏡23，直角三棱鏡24，樣品池25，會(huì)聚透鏡26，狹縫8。
[0058]由光源19產(chǎn)生近紅外光束。
[0059]拋物面反射鏡20對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束。
[0060]會(huì)聚透鏡21、22組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫8高度相匹配。
[0061]柱面會(huì)聚透鏡23將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫8相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫8對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫8處近紅外光束的光通量。
[0062]直角三棱鏡24具有高折射率，使得近紅外光束在直角三棱鏡24的斜邊處發(fā)生一次全內(nèi)反射TIR。
[0063]樣品池25放置待測(cè)樣品，收集反射近紅外光束。
[0064]會(huì)聚透鏡26將樣品池25處的線狀入射光斑成像在狹縫8處，樣品池25和狹縫8呈物像共軛關(guān)系。
[0065]狹縫8限制近紅外光束通過(guò)的尺寸，影響光譜分辨率，較窄的寬度時(shí)，具有較高的光譜分辨率。
[0066]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方法是進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0067]本發(fā)明提出了一種基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，針對(duì)狹縫引起的光譜分辨率和信噪比的相互限制，引入了虛擬狹縫的新技術(shù)，結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。此處所描述的主要是基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀的實(shí)現(xiàn)方法。
[0068]圖1示出了本發(fā)明提供的基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，采樣模塊采用透射采樣方式，詳述如下。
[0069]光源I可以使用鹵素?zé)?，產(chǎn)生近紅外光束，覆蓋波長(zhǎng)范圍780-2500nm，鹵素?zé)舻墓β什恍∮?0W，并具有較短的燈絲。光源I位于拋物面反射鏡2的焦點(diǎn)處，拋物面反射鏡2具有較短的有效焦距，有利于接收光源I的光束。光源I發(fā)出的近紅外光束經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡2的離軸反射，形成平行光束。
[0070]會(huì)聚透鏡3、4為焦距長(zhǎng)短不一樣的會(huì)聚透鏡組合，對(duì)近紅外光束的直徑進(jìn)行縮小調(diào)節(jié)，使得近紅外光束經(jīng)過(guò)后續(xù)光路后與狹縫8的高度相匹配。會(huì)聚透鏡3的像方焦點(diǎn)與會(huì)聚透鏡4的物方焦點(diǎn)相重合，會(huì)聚透鏡3的焦距比會(huì)聚透鏡4的焦距長(zhǎng)。
[0071]柱面會(huì)聚透鏡5對(duì)圓狀近紅外光束進(jìn)行會(huì)聚，在位于柱面會(huì)聚透鏡5的像方焦平面處的樣品池6上形成線狀入射光斑，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，收集透射近紅外光束，線狀入射光斑的寬度約為5 ym，高度約為1mm。
[0072]樣品池6上的線狀入射光斑通過(guò)會(huì)聚透鏡7成像在狹縫8處，與狹縫8的50 μ m寬度和1mm高度相匹配，樣品池6和狹縫8呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10。
[0073]準(zhǔn)直透鏡9對(duì)經(jīng)過(guò)狹縫8的近紅外光束進(jìn)行準(zhǔn)直，狹縫8位于準(zhǔn)直透鏡9的物方焦平面處，準(zhǔn)直后的近紅外光束入射到反射式的衍射光柵10上，通過(guò)衍射作用，近紅外光束被分光，由會(huì)聚透鏡11會(huì)聚，按不同波長(zhǎng)入射到數(shù)字微鏡元件DMD12的微鏡面的不同位置，實(shí)現(xiàn)譜面分割。數(shù)字微鏡元件DMD12位于會(huì)聚透鏡11的像方焦平面處。狹縫8通過(guò)準(zhǔn)直透鏡9和會(huì)聚透鏡11成像在數(shù)字微鏡元件DMD12的微鏡面上，狹縫8與數(shù)字微鏡元件DMD12呈物像共軛關(guān)系。
[0074]數(shù)字微鏡元件控制器13在計(jì)算機(jī)18的控制下通過(guò)底層CMOS電路根據(jù)阿達(dá)瑪數(shù)字變換技術(shù)通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD12的各個(gè)微鏡發(fā)生±10°的不同偏轉(zhuǎn)，使得對(duì)應(yīng)+10°偏轉(zhuǎn)的部分近紅外光束可以經(jīng)過(guò)數(shù)字微鏡元件DMD12進(jìn)入后續(xù)光路，而對(duì)應(yīng)-10°偏轉(zhuǎn)的部分近紅外光束無(wú)法進(jìn)入后續(xù)光路，實(shí)現(xiàn)“O”和“ I ”狀態(tài)的變換和組合。根據(jù)阿達(dá)瑪變換算法，將近紅外波長(zhǎng)按照一定的規(guī)則進(jìn)行分組，單點(diǎn)式探測(cè)器15使用InGaAs光電二極管，分時(shí)接收多個(gè)波長(zhǎng)組合的近紅外光束。會(huì)聚透鏡14將數(shù)字微鏡元件DMD12的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器15的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD12和單點(diǎn)式探測(cè)器15呈物像共軛關(guān)系。
[0075]單點(diǎn)式探測(cè)器15將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)放大器16進(jìn)行放大，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC17將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸給計(jì)算機(jī)18進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得光譜信息。
[0076]圖2示出了本發(fā)明提供的反射采樣方式的采樣模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，詳述如下。
[0077]光源19可以使用鹵素?zé)?，產(chǎn)生近紅外光束，覆蓋波長(zhǎng)范圍780_2500nm，鹵素?zé)舻墓β什恍∮?0W，并具有較短的燈絲。光源19位于拋物面反射鏡20的焦點(diǎn)處，拋物面反射鏡20具有較短的有效焦距，有利于接收光源19的光束。光源19發(fā)出的近紅外光束經(jīng)過(guò)拋物面反射鏡20的離軸反射，形成平行光束。
[0078]會(huì)聚透鏡21、22為焦距長(zhǎng)短不一樣的會(huì)聚透鏡組合，對(duì)近紅外光束的直徑進(jìn)行縮小調(diào)節(jié)，使得近紅外光束經(jīng)過(guò)后續(xù)光路后與狹縫8的高度相匹配。會(huì)聚透鏡21的像方焦點(diǎn)與會(huì)聚透鏡22的物方焦點(diǎn)相重合，會(huì)聚透鏡21的焦距比會(huì)聚透鏡22的焦距長(zhǎng)。
[0079]柱面會(huì)聚透鏡23對(duì)圓狀近紅外光束進(jìn)行會(huì)聚，在位于柱面會(huì)聚透鏡23的像方焦平面處的樣品池25上形成線狀入射光斑，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，線狀入射光斑的寬度約為5 μ m，高度約為I臟。
[0080]直角三棱鏡24具有高折射率，在直角三棱鏡24與樣品池25的界面處，由于棱鏡的折射率遠(yuǎn)大于樣品的折射率，會(huì)發(fā)生一次全內(nèi)反射TIR，根據(jù)衰減全反射ATR作用，可以收集樣品的反射近紅外光束。經(jīng)過(guò)直角三棱鏡24的入射光束和出射光束均與入射面和出射面垂直。
[0081]樣品池25上的線狀入射光斑通過(guò)會(huì)聚透鏡26成像在狹縫8處，與狹縫8的50 μ m寬度和1mm高度相匹配，樣品池25和狹縫8呈物像共軛關(guān)系，并且放大率約等于10。
【權(quán)利要求】
1.一種基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，其特征是，包括:狹縫(8)，準(zhǔn)直透鏡(9)，衍射光柵(10)，第四會(huì)聚透鏡(11)，數(shù)字微鏡元件DMD(12)，數(shù)字微鏡元件控制器(13)，第五會(huì)聚透鏡(14)，單點(diǎn)式探測(cè)器(15)，放大器(16)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC (17)，計(jì)算機(jī)(18);此外還包括采樣模塊，采樣模塊使用透射采樣方式并包括:光源(I)，拋物面反射鏡(2)，第一會(huì)聚透鏡(3)、第二會(huì)聚透鏡(4)，柱面會(huì)聚透鏡(5)，樣品池￠)，第三會(huì)聚透鏡(7)； 由光源(I)產(chǎn)生近紅外光束； 拋物面反射鏡(2)對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束； 第一會(huì)聚透鏡(3)、第二會(huì)聚透鏡(4)組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫(8)高度相匹配； 柱面會(huì)聚透鏡(5)將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫(8)相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫(8)對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫(8)處近紅外光束的光通量；樣品池(6)放置待測(cè)樣品，收集透射近紅外光束； 第三會(huì)聚透鏡(7)將樣品池(6)處的線狀入射光斑成像在狹縫(8)處，樣品池(6)和狹縫(8)呈物像共軛關(guān)系； 狹縫(8)限制近紅外光束通過(guò)的尺寸； 準(zhǔn)直透鏡(9)對(duì)通過(guò)狹縫(8)的近紅外光束進(jìn)行準(zhǔn)直； 衍射光柵(10)通過(guò)衍射作用對(duì)近紅外光束進(jìn)行分光； 第四會(huì)聚透鏡(11)將經(jīng)過(guò)衍射光柵(10)分光的近紅外光束按不同波長(zhǎng)入射到數(shù)字微鏡元件DMD (12)微鏡面的不同位置； 數(shù)字微鏡元件DMD (12)對(duì)已分光的近紅外光束進(jìn)行譜面分割； 數(shù)字微鏡元件控制器(13)通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD (12)各個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)； 第五會(huì)聚透鏡(14)將數(shù)字微鏡元件DMD (12)的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器(15)的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD (12)和單點(diǎn)式探測(cè)器(15)呈物像共軛關(guān)系； 單點(diǎn)式探測(cè)器(15)將近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 放大器(16)將電信號(hào)放大； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(17)將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； 計(jì)算機(jī)(18)進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)字信號(hào)處理。
2.如權(quán)利要求1所述的基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，其特征是，采樣模塊或者使用反射采樣方式的采樣模塊，包括:光源(19)，拋物面反射鏡(20)，第二十一會(huì)聚透鏡(21)、第二十二會(huì)聚透鏡(22)，柱面會(huì)聚透鏡(23)，直角三棱鏡(24)，樣品池(25)，第二十六會(huì)聚透鏡(26)； 由光源(19)產(chǎn)生近紅外光束； 拋物面反射鏡(20)對(duì)近紅外光束進(jìn)行離軸反射，產(chǎn)生平行光束； 第二十一會(huì)聚透鏡(21)、第二十二會(huì)聚透鏡(22)，組合調(diào)節(jié)近紅外光束的直徑，與狹縫⑶高度相匹配； 柱面會(huì)聚透鏡(23)將圓狀近紅外光束會(huì)聚成線狀光束，與線狀狹縫(8)相匹配，實(shí)現(xiàn)虛擬狹縫的設(shè)置，減小狹縫(8)對(duì)近紅外光束的限制，增大狹縫(8)處近紅外光束的光通 量; 直角三棱鏡(24)具有高折射率，使得近紅外光束在直角三棱鏡(24)的斜邊處發(fā)生一次全內(nèi)反射TIR; 樣品池(25)放置待測(cè)樣品，收集反射近紅外光束； 第二十六會(huì)聚透鏡(26)將樣品池(25)處的線狀入射光斑成像在狹縫(8)處，樣品池(25)和狹縫(8)呈物像共軛關(guān)系。 狹縫(8)限制近紅外光束通過(guò)的尺寸，影響光譜分辨率，較窄的寬度時(shí)，具有較高的光譜分辨率。
3.如權(quán)利要求1所述的基于虛擬狹縫技術(shù)的微型固化近紅外光譜儀，其特征是，數(shù)字微鏡元件控制器(13)在計(jì)算機(jī)(18)的控制下通過(guò)底層CMOS電路根據(jù)阿達(dá)瑪數(shù)字變換技術(shù)通過(guò)阿達(dá)瑪變換算法控制數(shù)字微鏡元件DMD(12)的各個(gè)微鏡發(fā)生±10°的不同偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)近紅外光束光路選通的“O”和“ I ”狀態(tài)的變換和組合，根據(jù)阿達(dá)瑪變換算法，將近紅外波長(zhǎng)按照一定的規(guī)則進(jìn)行分組，單點(diǎn)式探測(cè)器(15)使用InGaAs光電二極管，分時(shí)接收多個(gè)波長(zhǎng)組合的近紅外光束，第五會(huì)聚透鏡(14)將數(shù)字微鏡元件DMD(12)的微鏡面成像在單點(diǎn)式探測(cè)器(15)的探測(cè)面上，數(shù)字微鏡元件DMD(12)和單點(diǎn)式探測(cè)器(15)呈物像共軛關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01N21/359GK104502304SQ201410722599
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】李奇峰, 王慧捷, 陳達(dá), 王洋 申請(qǐng)人:天津大學(xué)