[发明专利]一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱测量方法，尤其涉及一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是研究、测定光辐射的频率、强度特性及其变化规律的光学仪器。它应用光的色散原理、衍射原理或光学调制原理，将不同频率的光辐射按照一定的规律分开，形成光谱，配合一系列光学、精密机械、电子和计算机系统，实现对光辐射的频率和强度的精密测定和研究。光谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。

近年来由于环境监测、生物医学、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发展，要求分析仪器小型化、轻量化，在特殊场合（如环保、野外、现场检测、星载分析检测等）还要求仪器牢固耐振。因此目前国内外仪器的发展趋向于智能化、微型化、集成化、芯片化和系统工程化，各国都设计、开发了许多功能不亚于传统庞大实验室仪器的小型化、轻量化甚至全固态化的仪器。随着科技进步，像普通光谱仪一样，微型光谱仪有着巨大的应用市场，可以广泛应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域，因而引起了人们广泛的兴趣

光谱仪的微小型化趋势可追溯到20世纪90年代初期，从那时起光谱仪器才逐渐摆脱了实验室的局限。这得益于其他相关技术的发展，光纤的大批量生产，高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，个人计算机的发展，微机电系统（MEMS）及二元光学等微制造技术的发展，使得光谱技术的应用延展到实验室之外的更加广阔的领域，包括战场、工厂及人体。曾经一度被认为是不可能实现的、不实际的实时光谱分析，现在已经变得非常普遍。

目前，研究者正在不断地研究如何设计出重量更轻、体积更小、探测速度更快、使用更方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉的光谱分析装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪，具有较高的测量范围和分辨率、更小的体积和重量，且制作简单、成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于变焦透镜的光谱测量方法，包括以下步骤：

步骤A、在可调整为n个不同焦距的变焦透镜后固定位置设置一光探测器；

步骤B、将所述光探测器的可测量频率范围等分为n个频段，各频段的中心频率分别为f₁,f₂,…f_n，每个频段的频宽为Δf；事先利用所述光探测器测得频率为f_i的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜的探测系数C_ij，i,j=1,2,…,n；

步骤C、利用所述探测器测量待测入射光通过焦距取第j个值时的变焦透镜后的功率P_j，j=1,2,…,n；

步骤D、通过求解以下方程得到待测入射光中频率为f_i的光功率P(f_i)，i＝1,2,…,n；然后对P(f_i)进行线性拟合并经光谱辐射定标得到入射光的光谱：

一种基于变焦透镜的微型光谱仪，沿入射光光路依次包括：

变焦透镜，其焦距可调整为n个不同的值；

光探测器，用于探测照射在其上的光功率；

以及，

与所述光探测器信号连接的计算分析部件，计算分析部件通过求解以下方程得到入射光中各频段光功率，然后将各频段光功率进行线性拟合并经光谱辐射定标得到入射光的光谱：

式中，P_j表示当变焦透镜的焦距取第j个值时光探测器探测到的光功率；P(f_i)表示入射光中中心频率为f_i的宽度为Δf的频段的光功率，Δf为所述光探测器可测量频率范围的1/n；C_ij是频率为f_i的单色光通过焦距取第j个值时的变焦透镜的探测系数，预先通过实验得到；i,j=1,2,…,n。

所述变焦透镜优选变焦液体透镜，其具有体积小、变焦快速、成本低廉等优点。

优选地，采用Tikhonov正则化方法求解所述方程，可以有效消除失真，实现快速实时地光谱复原。