專利名稱：基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方法及裝置， 屬于光譜分析技術領域。
背景技術：
在當今信息社會，光譜獲取技術顯得非常重要，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、 醫(yī)藥等產業(yè)以及物理、化學和生物等研究領域，尤其是樣品溶液中物質的成分 及含量的測定，并可同時測定多元素，具有快速簡便的優(yōu)點等優(yōu)點(1)在工業(yè) 方面，光譜分析常用于塑料、紡織品、紙張以及高聚物中的多種金屬元素測定； (2)在環(huán)境和水質監(jiān)測方面，采用光譜分析方法可以快速準確測定試樣中的多種 有害物質，從而可以對環(huán)境和水質進行在線監(jiān)測和控制；(3)在生物醫(yī)藥方面， 光譜分析方法以其靈敏度高、取樣量少、方法快速的突出優(yōu)點已成為生物醫(yī)藥 以及藥理學研究工作的重要手段，例如分子熒光光譜法測定維生素A、 C、 D、 E和B1、 B6等；(4)在農業(yè)方面，利用光譜分析，人們可以有效監(jiān)測植物(如各 種農作物)的生長條件并且利用這些獲得的信息對光照條件進行在線控制，從 而促進植物的光合作用等生理過程。
因此，光譜獲取技術及其裝置(即光譜儀)在諸多應用領域中都是必不可 少的重要檢測分析手段和工具。光譜儀的核心部分包括色散元件及相關光學系 統(tǒng)、光電探測器以及外圍電路。目前的高性能光譜儀通常采用分立的元器件組 建而成。例如，采用體光柵作為色散元件。這種傳統(tǒng)方式雖然能達到很高的光 譜分辨率(如0.02nm)，但由于成本高、體積大、不易實現便攜式測量與分析， 因而在很多應用場合(尤其是狹小空間場合的測量工作)受到了較大的限制。
為了實現具有體積小、成本低以及便于攜帶等特點的微型光譜儀，可以采 用波導光柵取代傳統(tǒng)光譜儀中的大尺寸體光柵。波導光柵具有小尺寸、高可靠 性等集成器件的優(yōu)點，且可實現大批量生產，有利于降低光譜儀成本。這種平 面波導光柵光譜儀通常具有若干個輸出波導，每條輸出波導與一個光電探測器 相連。光譜儀分辨率由平面波導光柵通道間隔決定。為了獲得高分辨率， 一般 通過減小通道間隔來實現。然而，減小通道間隔的同時，必須增大通道數以保 證光譜儀足夠的測量范圍。這將導致平面波導光柵整體尺寸過大，因而不利于 降低器件成本，也不利于保證器件性能。因此，平面波導光柵光譜儀分辨率一 般比較低。與傳統(tǒng)分立式大體積光譜儀的最高水平相比，其分辨率相差約一個
4數量級，約為0.1nm 0.5nm。后來，有人提出采用溫度掃描方式試圖提高光譜分 辨率。然而，他們將掃描得到的一系列光電探測器接收光功率直接作為一系列 波長的功率值，而忽略了光電探測器所接收的功率是被測光譜與波導光柵光譜 響應的巻積結果。因此，這種方式并不能真正獲得高分辨率。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的針對現有技術不足，提出一種基于多通道濾波器的數字式溫 度掃描光譜獲取方法及裝置，以獲得高分辨率光譜。
本發(fā)明的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方法，其特征在于 利用數字溫度掃描控制器對帶有加熱裝置的多通道濾波器進行數字溫度掃描， 數字溫度掃描控制器的掃描信號來自于中央處理器，在數字溫度掃描過程中， 由光探測器陣列中的N個光電探測器單元分別接收多通道濾波器中的n個通道 輸出的光功率，N^n，并將獲得的隨溫度變化的一系列光功率轉變?yōu)殡娦盘杺?送一至中央處理器，經中央處理器進行光譜數據處理，獲得高分辯率光譜。
上述的多通道濾波器中第i個通道的光譜中心波長由多通道濾波器的溫度-波長系數y決定^1 =^^,式中，Al"=A -義 ， 1 、人分別為溫度變化前、
后的第i個通道的光譜中心波長，sr為溫度變化量。上述的數字溫度掃描的范圍厶r由多通道濾波器的光譜中心波長間隔A人及 多通道濾波器的溫度-波長系數y決定A7^AX/y。
采用本發(fā)明方法的裝置，包括一個帶有加熱裝置并具有至少一個輸入端口 的多通道濾波器、由N個光電探測器單元組成的光探測器陣列、中央處理器和 數字溫度掃描控制器，多通道濾波器具有n個通道，光探測器陣列中的N個光 電探測器單元輸入端分別與多通道濾波器的n個通道輸出端相連，N個光電探 測器單元輸出端與中央處理器輸入端相連，數字溫度掃描控制器的輸入端與中
央處理器的輸出端相連，數字溫度掃描控制器的輸出端與加熱裝置相連。
上述裝置中的多通道濾波器可以是由單個微腔構成的濾波器陣列或由具有 多個微腔的復合腔構成的濾波器陣列；也可以是由單個布拉格光柵構成的濾波 器陣列或由具有多個布拉格光柵的復合腔構成的濾波器陣列。
上述裝置中的多通道濾波器可以由具有n個通道的色散光柵和n個微腔濾 波器組成，色散光柵的每個通道分別與一個微腔濾波器相連。
上述裝置中的多通道濾波器也可以采用由具有n個通道的色散光柵和n個 馬赫-澤德干涉型濾波器組成，n個馬赫-澤德干涉型濾波器的輸入端分別與色散 光柵的n個通道相連，每個馬赫-澤德干涉型濾波器兩個輸出端分別與光探測器陣列中的兩個光探測器連接，或每個馬赫-澤德干涉型濾波器的一個輸出端連接 一個光探測器，另一個輸出端為空閑端。
通常使馬赫-澤德干涉型濾波器的兩個輸出端波長間隔與色散光柵的自由光 譜范圍相等，以便于擴展光譜分析范圍。
本發(fā)明有益的效果是
采用本發(fā)明方法可以實現高分辨率的光譜分析，本發(fā)明裝置具有結構緊湊、 容易實現小型化、便攜式的優(yōu)點，為低成本、高性能光譜分析儀提供了有效途 徑。
圖l是本發(fā)明裝置第一種結構示意圖； 圖2是本發(fā)明裝置第二種結構示意圖3是本發(fā)明裝置第三種結構示意圖4是多通道濾波器其中一個通道的光譜響應；
圖5是被測光譜圖6是數字溫度掃描過程中第n個通道接收的光功率圖7是利用本發(fā)明方法得到的光譜圖8是利用本發(fā)明方法得到的光譜圖與被測光譜圖的比較。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝置，包
括一個帶有加熱裝置9并具有至少一個輸入端口 1的多通道濾波器2、由N個 光電探測器單元組成的光探測器陣列4、中央處理器5和數字溫度掃描控制器8， 多通道濾波器2具有n個通道，光探測器陣列4中的N個光電探測器單元輸入 端分別與多通道濾波器2的n個通道輸出端相連，N個光電探測器單元輸出端 與中央處理器5輸入端相連，數字溫度掃描控制器8的輸入端與中央處理器5 的輸出端相連，數字溫度掃描控制器8的輸出端與加熱裝置9相連。
在圖示實例中，多通道濾波器2為由單個微腔11構成的濾波器陣列。多通 道濾波器2或者也可以是具有多個微腔的復合腔構成的濾波器陣列?；蛘咭部?以采用由單個布拉格光柵構成的濾波器陣列或由具有多個布拉格光柵的復合腔 構成的濾波器陣列。
多通道濾波器2或者也可以如圖2所示，由具有n個通道的色散光柵10和 n個微腔濾波器21組成，色散光柵10的每個通道分別與一個微腔濾波器21相 連。多通道濾波器2或者也可以如圖3所示，由具有n個通道的色散光柵10和 n個馬赫-澤德干涉型濾波器22組成，n個馬赫-澤德干涉型濾波器22的輸入端 分別與色散光柵10的n個通道相連，每個馬赫-澤德干涉型濾波器22兩個輸出 端22a、 22b分別與光探測器陣列4中的兩個光探測器連接，或每個馬赫-澤德干 涉型濾波器的一個輸出端22a連接一個光探測器，另一個輸出端22b為空閑端。
上述中央處理器可以采用普通的8051單片機或其它處理器。
以實施例1所示的裝置為例，說明本發(fā)明基于多通道濾波器的數字式溫度 掃描光譜獲取方法的實現過程。
設初始溫度7^30。C，
多通道濾波器具有8個通道，光探測器陣列具有8個光電探測器單元，多 通道濾波器中溫度變化前的第4個通道光譜中心波長？wrl550nm，波長-溫度系 數Y^.063nm/。C，光譜中心波長間隔Abl.6nm，圖4所示是多通道濾波器第 4通道的光譜響應。數字溫度掃描的范圍A7^AAy^25.4。C。
設多通道濾波器輸入端口的被測光譜具有雙峰形狀，如圖5所示。
在中央處理器的控制下，利用數字溫度掃描控制器與加熱裝置使得多通道 濾波器溫度r在30。C 55。C范圍內掃描，溫度掃描步長57M).15。C，掃描步數 《=160，最小波長間隔SX，S7M).005nm。
在數字溫度掃描過程中，由光探測器陣列中的8個光電探測器單元分別接 收多通道濾波器中的8個通道輸出的光功率，并將獲得的一系列隨溫度變化的 光功率(如圖6所示)轉變?yōu)殡娦盘杺魉椭林醒胩幚砥?，在中央處理器中進行 光譜數據處理，獲得高分辯率光譜，如圖7所示。
為了與原始輸入信號光譜進行比較，將本發(fā)明獲得光譜(圖8圓圈)與原 始輸入信號光譜(圖8實線)放在同一張圖中。由圖可見，本發(fā)明獲得光譜與 被測光譜非常接近，可以準確地分辯峰/谷值波長位置。利用本發(fā)明光譜獲取方 法可以有效地得到高分辨率光譜，在很多氣體、液體成分的分析中有實用價值。 上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精 神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明 的保護范圍。
權利要求
1、基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方法，其特征在于利用數字溫度掃描控制器對帶有加熱裝置的多通道濾波器進行數字溫度掃描，數字溫度掃描控制器的掃描信號來自于中央處理器，在數字溫度掃描過程中，由光探測器陣列中的N個光電探測器單元分別接收多通道濾波器中的n個通道輸出的光功率，N≥n，并將獲得的隨溫度變化的一系列光功率轉變?yōu)殡娦盘杺魉鸵恢林醒胩幚砥鳎浿醒胩幚砥鬟M行光譜數據處理，獲得高分辯率光譜。
2、 根據權利要求1所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方 法，其特征在于所說的多通道濾波器中第i個通道的光譜中心波長由多通道濾波 器的溫度-波長系數Y決定A《-7^，式中，X 、義"分別為溫度變化前、后的第i個通道的光譜中心波長，sr為溫度變化量。
3、 根據權利要求1所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方 法，其特征在于所說的數字溫度掃描的范圍Ar由多通道濾波器的光譜中心波長 間隔ax及多通道濾波器的溫度-波長系數y決定a^AA7y。
4、 根據權利要求1所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方 法的裝置，其特征在于包括一個帶有加熱裝置(9)并具有至少一個輸入端口(1) 的多通道濾波器(2)、由N個光電探測器單元組成的光探測器陣列(4)、中央處理 器(5)和數字溫度掃描控制器(8)，多通道濾波器(2)具有n個通道，光探測器陣列 (4)中的N個光電探測器單元輸入端分別與多通道濾波器(2)的n個通道輸出端相 連，N個光電探測器單元輸出端與中央處理器(5)輸入端相連，數字溫度掃描控 制器(8)的輸入端與中央處理器(5)的輸出端相連，數字溫度掃描控制器(8)的輸出 端與加熱裝置(9)相連。
5、 根據權利要求4所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝 置，其特征在于多通道濾波器是由單個微腔(ll)構成的濾波器陣列或由具有多個 微腔的復合腔構成的濾波器陣列。
6、 根據權利要求4所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝 置，其特征在于多通道濾波器是由單個布拉格光柵構成的濾波器陣列或由具有 多個布拉格光柵的復合腔構成的濾波器陣列。
7、 根據權利要求4所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝 置，其特征在于多通道濾波器由具有n個通道的色散光柵(10)和n個微腔濾波器 (21)組成，色散光柵(10)的每個通道分別與一個微腔濾波器(21)相連。
8、 根據權利要求4所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝置，其特征在于多通道濾波器由具有n個通道的色散光柵(10)和n個馬赫-澤德 干涉型濾波器(22)組成，n個馬赫-澤德干涉型濾波器(22)的輸入端分別與色散光 柵(10)的n個通道相連，每個馬赫-澤德干涉型濾波器(22)兩個輸出端(22a、 22b) 分別與光探測器陣列(4)中的兩個光探測器連接，或每個馬赫-澤德干涉型濾波器 的一個輸出端(22a)連接一個光探測器，另 一個輸出端(22b)為空閑端。
9、根據權利要求8所述的基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取裝 置，其特征在于馬赫-澤德干涉型濾波器(22)的兩個輸出端波長間隔與色散光柵 的自由光譜范圍相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于多通道濾波器的數字式溫度掃描光譜獲取方法及裝置，裝置包括帶加熱裝置并具有n個通道的多通道濾波器、由N個光電探測器單元組成的光探測器陣列、中央處理器和數字溫度掃描控制器，N個光電探測器單元輸入端分別與多通道濾波器的n個通道輸出端相連，利用數字溫度掃描控制器對帶有加熱裝置的多通道濾波器進行數字溫度掃描，由光探測器陣列中的N個光電探測器單元分別接收多通道濾波器中的n個通道輸出的光功率，并將獲得的隨溫度變化的一系列光功率轉變?yōu)殡娦盘杺魉鸵恢林醒胩幚砥鳎浿醒胩幚砥鬟M行光譜數據處理，獲得高分辨率光譜。本發(fā)明為低成本、高性能光譜分析儀提供了有效途徑。
文檔編號G01N21/25GK101329256SQ20081012003
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權日2008年7月15日
發(fā)明者戴道鋅 申請人:浙江大學