[发明专利]一种宽频光谱仪及其光谱复原方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种具有更宽测量频率范围的宽频光谱仪及其光谱复原方法，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、地质勘探、生物医学、石油化工、天文观测、环境保护等领域。

近年来由于环境监测、现代农业、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)还要求仪器在测量频段宽、分辨率高、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠。因此，需要一种微型化、集成化、智能化的光谱仪。它的功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号。而目前所广泛使用的光谱仪不仅分辨率不够高，测量频带不够宽，而且普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不足。如傅里叶变换光谱仪不仅体积较大，而且对振动敏感，其分辨率受动镜的移动范围的影响。光栅衍射型光谱仪所用光栅体积虽然相对较小，但该种光谱仪分辨率不高，而且价格不菲[Yang Jae-chang,et al.Micro-electro-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slit grating and bolometer array,Jap.J.of Appl.Phys.47(8),6943-6948(2008)]。

为解决上述问题，南京邮电大学的杨涛课题组近期提出了一系列基于不同分光器件的微型光谱仪及其光谱复原方法，例如，于2012年7月11日公开的公开号为CN102564586A，名称是“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”的中国发明专利；于2013年7月10日公开的公开号为CN 103196557A，名称为“一种光谱仪”的中国发明专利；于2013年4月24日公开的公开号为CN103063299A，名称为“一种微型光谱仪”的中国发明专利，等等。其核心部件是构建在CCD或CMOS之上的分光器件，分光器件可令不同频率的入射光经过后在阵列式探测芯片表面形成不同的光强分布，且相同频率的入射光经过分光器件的不同部位所产生的光强角分布也不同。因此可以通过测量CCD或CMOS中一系列不同像元的光功率，就可以利用求解大型线性方程组的方法复原光谱。与传统的光栅光谱仪或傅里叶变换光谱仪相比，其体积小、频率分辨率高、光谱测量范围宽，可以实现静态实时测量。

然而，上述光谱测量装置的测量范围均受制于所使用的CCD或CMOS等阵列式探测芯片所能探测的频率范围，一旦入射光频率超出阵列式探测芯片的探测范围，则无法进行光谱测量，这对实际应用会产生比较大的影响。例如，由于大多数分子的电子光谱处于紫外区域,物质的化学反应主要是分子的电子决定的，利用分子的电子光谱可以进行分子定性分析、定量分析、结构分析和分子化学反应等有关的分子光谱技术工作，因此紫外光谱的测量成了现在光谱测量研究的重要发展方向。又如有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而通过测量红外光谱可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。而普通CCD或CMOS的波长探测范围一般在400nm至1000nm，因此，基于CCD或CMOS的光谱仪的应用受到了制约。

综上可知，亟需一种同时兼具结构简单、价格低廉、灵敏度高、光谱测量范围宽等优点的光谱测量装置。

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，提供一种兼具结构简单、价格低廉、灵敏度高、光谱测量范围宽等优点的宽频光谱仪及其光谱复原方法。

本发明具体采用以下技术方案：