[发明专利]一种光谱二维折叠哈达玛变换近红外光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于哈达玛变换近红外光谱仪技术领域，具体涉及一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪。 

背景技术

近红外光谱仪作为一种有力的科学分析工具，目前已广泛应用于农产品、石化产品、临床诊断、环境检测等领域。随着研究和应用领域对光谱仪要求的提高，无接触、快速、低成本、性能稳定可靠的微小型光谱仪逐渐成为该领域的发展趋势。目前，数字变换式微型近红外光谱仪主要有傅里叶变换式和哈达玛变换式两种。傅立叶变换光谱仪因存在可动部件，对环境要求较高，主要用于实验室分析。基于DMD（Digital Micro mirror Device，数字微镜元件）的哈达玛变换（Hadamard Transform，HT）光谱仪无可动部件，运算和处理时间优于傅里叶变换光谱仪，可实现高速、高分辨率、高信噪比和极强的环境适应能力的完美结合。 

目前DMD技术的主要供应商是美国德州仪器公司，其供应的DMD的尺寸都是固定的800×600、1024×768、1280×720和1920x1080几种，且其价格昂贵。 

现有的基于DMD的哈达玛变换近红外光谱仪均采用单个平面光栅分光，用单个DMD进行光谱调制。在光栅常数和狭缝宽度一定的情况下，若提高系统的分辨率则会使系统的工作光谱范围减小；若要提高光谱仪的工作光谱范围，则必须以降低分辨率为代价。所以，目前市场上已有的多种商品化的便携式哈达玛变换近红外光谱仪普遍存在两个问题：（1）光谱范围较窄、分辨率不高；（2）DMD表面接收到的光谱宽度远小于DMD的宽度，使得DMD的大部分微镜不能被有效利用。另外，由于哈达玛变换近红外光谱仪通常用于微弱光谱信号的检测，在光学设计过程中，要尽可能提高光学系统的光能利用率。 

发明内容

为解决目前DMD哈达玛变换近红外光谱仪对DMD微镜利用不充分、光谱工作宽度和光谱分辨率难以同时提高的缺陷，我们提出了光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪。 

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下： 

一种光谱二维折叠的哈达玛变换近红外光谱仪，包括光源、准直透镜组、平面光栅、成像透镜组、DMD、聚焦透镜组、单点探测器、静电驱动电路和光谱信息采集处理系统，其特征在于，该光谱仪的平面光栅由两个子光栅组成，两子光栅结构相同，但与光轴夹角不同；从光源发出的宽波段复色光由光纤端口入射到准直透镜，由准直透镜准直为复色平行光入射到两个子光栅上，经两个互成夹角的光栅色散为两个相互平行的光谱带；利用静电驱动电路调整DMD的角度，使光谱带由成像透镜会聚后按波长顺序依次入射到DMD的不同位置，形成两个互相平行且两端对齐的光谱带；经DMD进行波长选通后由透镜聚焦在单点探测器上，单点探测器将接收的光谱信息传送给光谱信息采集处理系统，光谱信息采集处理系统对接收的光谱信息进行哈达玛逆变换解码，得到原始光谱信号的信息。 

本发明的有益效果是：将传统的哈达玛变换光谱仪的单光栅用两个互成夹角的子光栅代替，使得经光栅分光后的光谱在DMD表面实现二维折叠，形成两个波长首尾相连的光谱带，充分利用了DMD微镜阵列，相当于变相提高了DMD的微镜单元数目，可以在保持光谱仪分辨率不变的情况下增加光谱仪工作谱段，或在工作谱段不变的情况下提高光谱仪分辨率。本发明没有使用入射狭缝，从光源发出的光经光纤直接入射到准直系统，可以大大提高系统的光能利用效率。 

附图说明

图1为本发明光谱二维折叠哈达玛变换近红外光谱仪的结构示意图。 

图2为本发明中两个子光栅模拟图。 

图3为本发明光谱仪的光学系统模拟图。 

图4为本发明DMD表面二维折叠光谱的模拟示意图。 

图5为本发明800nm～1400nm的衍射效率随入射角的变化曲线。 

图6为本发明1400nm～2000nm的衍射效率随入射角的变化曲线。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。