CN114018404B - 一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统。包括主光路及分别与主光路垂直布设的第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述主光路包括白色光源、物镜、半透半反镜、聚焦透镜和相机，用于实现成像功能；所述第一支路通过第一可折叠反射镜与主光路相交，用于实现通信测试；所述第二支路通过第二可折叠反射镜与主光路相交，用于实现光谱探测；所述第三支路通过第三可折叠反射镜与主光路相交，用于实现液体透射率传感。该系统可以实现微米级发光二极管的光学成像、光谱采集和透射率传感功能。本发明通过数个可折叠反射镜的折与叠来实现微区光学系统功能的切换，折叠时的反射镜不会对光的通过造成任何影响。
Description
技术领域
本发明涉及属于通信、可见光技术及传感领域，尤其涉及微区光学测试，具体为一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统。
背景技术
光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展，20世纪末已经具有成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器。以光学原理为基础、以精密机械为构架的传统光机电一体化光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位，而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。
光学系统是指由透镜、反射镜、棱镜等多种光学元件按一定次序组合成的系统。通常用来成像或做光学信息处理。一个光学系统除了要考虑高斯光学的有关问题，诸如物像共轭位置、放大率、转折光路等以外，还需考虑成像范围的大小、成像光束孔径角的大小、成像波段的宽窄以及像的清晰度和照度等一系列问题。满足一系列要求的实际光学系统往往不是几个透镜的简单组合，而由一系列透镜、曲面反射镜、平面镜、反射棱镜和分划板等多种光学零件组成，并且要通过合理设置光阑、精细校正像差和恰当确定光学零件的横向尺寸等手段才能得到合乎需要的高质量系统。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。它包含了众多的技术、被众多的产业广泛采用。网络通信技术发展的基本方向是开放、集成、融合、高性能、智能化和移动性。通信网络正逐步朝着高速、宽带、大容量、多媒体、数字化、多平台、多业务、多协议、无缝连接、安全可靠的保证质量的新一代网络演进，同时充分考虑固定与移动的融合。
综合显示、成像、微区系统的优缺点，构造一个高效的、集成度高的、易于操作的多功能微区光学系统，实现更好的性能是本发明要解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其利用微区成像系统辅助测试微米级发光二极管光谱和通信性能并实现液体浓度传感功能。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，包括主光路及分别与主光路垂直布设的第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述主光路包括白色光源、物镜、半透半反镜、聚焦透镜和相机，用于实现成像功能；所述第一支路通过第一可折叠反射镜与主光路相交，用于实现通信测试；所述第二支路通过第二可折叠反射镜与主光路相交，用于实现光谱探测；所述第三支路通过第三可折叠反射镜与主光路相交，用于实现液体透射率传感。
上述技术方案中，主光路通过白色光源、物镜、半透半反镜、聚焦透镜和相机构成成像系统，白光经过半透半反镜和物镜聚焦到样品上，样品的像信息经过半透半反镜和聚焦透镜投到相机上构成成像系统；在成像系统的辅助下，通信芯片的发光被物镜收集，经过第一可折叠反射镜将信号光转接到第一支路，形成通信系统；物镜收集的信号光经过第三可折叠反射镜将光转接出去，到达光谱仪进行光谱采集；芯片发的光经过物镜收集，穿过液体后经过第二可折叠反射镜并聚焦到光电探测器上，得到液体透射率，基于液体透射率可计算得到液体的浓度。
上述技术方案通过多个可折叠反射镜的折与叠来实现微区光学系统功能的切换，且折叠时的反射镜不会对光的通过造成任何影响。其中，可折叠反射镜的折是指可折叠反射镜的半透半反状态，叠是指可折叠反射镜的全透状态。
通常情况下，液体浓度与吸收成正比。按照本发明中的设计，测试得到的电压值满足U＝U0+k×c，其中U0是浓度为0时候的电压值，k是吸收系数，c是液体浓度，系数由测试得到。
作为进一步的技术方案，所述主光路由白色光源、物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机构成，所述物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机呈直线依次排列，所述光源与半透半反镜呈直线排列且排列方向垂直于物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机的排列方向；所述第一可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、第三可折叠反射镜在折叠状态下不影响光路通过。
作为进一步的技术方案，所述白色光源与半透半反镜之间设有准直系统，所述白色光源、准直系统和半透半反镜呈直线排列。白光经由准直系统形成准直光，准直光经过半透半反镜和物镜聚焦到样品上，样品的像信息经过半透半反镜和聚焦透镜投到相机上构成成像系统。
作为进一步的技术方案，所述第一支路由第一光电探测器、第一变焦透镜和第一可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第一支路经由第一可折叠反射镜接入系统，所述第一可折叠反射镜置于物镜与半反半透镜之间，所述第一可折叠反射镜的反射光经由第一变焦透镜入射到第一光电探测器。
作为进一步的技术方案，所述第三支路由光谱仪、第三变焦透镜和第三可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第三支路经由第三可折叠反射镜接入系统，所述第三可折叠反射镜置于半反半透镜与聚焦镜头之间，所述第三可折叠反射镜的反射光经由第三变焦透镜入射到光谱仪。
作为进一步的技术方案，所述第二支路由第二光电探测器、第二变焦透镜和第二可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第二支路经由第二可折叠反射镜接入系统，所述第二可折叠反射镜置于半透半反镜与聚焦镜头之间，所述第二可折叠反射镜的反射光经由第二变焦透镜入射到第二光电探测器。
作为进一步的技术方案，在实现液体浓度测量时，所述第一可折叠反射镜与半透半反镜之间置入可拆卸的液体卡槽。
作为进一步的技术方案，所述物镜与样品台对准，所述相机与处理终端相连。
作为进一步的技术方案，所述第一可折叠反射镜置于物镜与液体卡槽之间；所述第二可折叠反射镜置于半反半透镜与第三可折叠反射镜之间；所述第三可折叠反射镜置于第二可折叠反射镜与聚焦镜头之间。
作为进一步的技术方案，所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统的应用方法包括：
打开第一可折叠反射镜，样品台上通信芯片的发光被物镜收集，经由第一可折叠反射镜、第一变焦透镜到达第一光电探测器，实现通信功能；
折叠第一可折叠反射镜和第二可折叠反射镜，打开第三可折叠反射镜，芯片的发光被物镜收集，经由半透半反镜、第三可折叠反射镜、第三变焦透镜到达光谱仪，实现光谱探测；
折叠第一可折叠反射镜和第三可折叠反射镜，在第一可折叠反射镜与半透半反镜之间置入可拆卸的液体卡槽，并使样品台、物镜、液体卡槽、半透半反镜、第三可折叠反射镜、聚焦镜头和相机呈直线排列；打开第二可折叠反射镜，芯片的发光被物镜收集，穿过液体卡槽后经由半透半反镜、第二可折叠反射镜、第二变焦透镜到达第二光电探测仪，实现液体浓度测量。。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过主光路、第一支路、第二支路和第三支路构成具有微区成像、光谱探测、通信测试和透光率传感的微区光学测试系统，其中，主光路通过白色光源、物镜、半透半反镜、聚焦透镜和相机构成成像系统，白光经过半透半反镜和物镜聚焦到样品上，样品的像信息经过半透半反镜和聚焦透镜投到相机上构成成像系统；在成像系统的辅助下，通信芯片的发光被物镜收集，经过第一可折叠反射镜将信号光转接到第一支路，形成通信系统；物镜收集的信号光经过第三可折叠反射镜将光转接出去，到达光谱仪进行光谱采集；芯片发的光经过物镜收集，穿过液体后经过第二可折叠反射镜并聚焦到光电探测器上，得到液体透射率，基于液体透射率可计算得到液体的浓度。
(2)本发明通过微区成像技术辅助芯片测试，借助于微区成像，可以测试尺寸在1μm下的芯片的光谱和通信性能，解决了小尺寸器件测试中存在的光谱采集效率低、难以聚焦、信噪比低等问题。
(3)本发明的系统可以实现多功能，并且利用可折叠反射镜实现各种功能的切换。通过可折叠反射镜，可以使光谱和通信功能相互切换，第一可折叠反射镜和第三可折叠反射镜的配合使用能有效切换光谱和通信测试；第一可折叠反射镜工作后系统工作在通信模式，第三可折叠反射镜工作后系统工作在光谱模式，这样的设计有助于提升光谱和通信性能的信噪比。
附图说明
图1为根据本发明实施例的集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统示意图。
图中：1、样品台；2、物镜；3、第一光电探测器；4、第一变焦透镜；5、第一可折叠反射镜；6、液体卡槽；7、白色光源；8、准直系统；9、半透半反镜；10、第二可折叠反射镜；11、第二变焦透镜；12、第二光电探测器；13、第三可折叠反射镜；14、第三变焦透镜；15、光谱仪；16、聚焦透镜；17、相机。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，如图1所示，微区成像系统由从左至右依次设置的样品台、物镜、白光光源、准直系统、半透半反镜、聚焦镜头、相机形成。通过调整物镜前后位置，可保证微区成像系统达到最高品质。
在微区成像的基础上，在样品台上放置一个自行发光的发光二极管，透过微区系统，在CCD相机上观测到清晰的像以保证物镜采集光谱的准确性。
发光二极管的光经过物镜采集后通过第一可折叠反射镜、第一变焦透镜可以将光引入到第一光电探测器中。发光二极管、第一光电探测器构成可见光通信。
在芯片上加入调制信号，在第一光电探测器后面引入示波器能实现器件的通信性能测试。由于成像辅助，参与测试的芯片可达到足够小的微米级，同时形成相当强的信号，在实现系统的成像和通信测试功能的同时，解决了小尺寸器件测试中存在的光谱采集效率低、难以聚焦、信噪比低等问题。
实施例2
本实施例提供一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，如图1所示，微区成像系统由从左至右依次设置的样品台、物镜、白光光源、准直系统、半透半反镜、聚焦镜头、相机形成。通过调整物镜前后位置，可保证微区成像系统达到最高品质。
在微区成像的基础上，在样品台上放置一个自行发光的发光二极管(蓝光)，通过微区系统，第二可折叠反射镜可以将光引入到第二光电探测器中，将发光二极管和第二光电探测器相结合后构成一个通信系统。
在微区中引入液体卡槽，其中装入不同浓度的罗丹明溶液，测试不同浓度下第二光电探测器的电压值。由于液体浓度与吸收成正比，测试出不同浓度下的电压值，求出差值后可以计算出液体的浓度，由此实现本多功能微区系统的传感功能。
实施例3
本实施例提供一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，如图1所示，微区成像系统由从左至右依次设置的样品台、物镜、白光光源、准直系统、半透半反镜、聚焦镜头、相机形成。通过调整物镜前后位置，可保证微区成像系统达到最高品质。
在微区成像的基础上，在样品台上放置一个可自行发光的发光二极管，通过过微区系统，物镜可以完整的收集发光二极管的光谱。第三可折叠反射镜可将光引入到光谱仪中，由发光二极管和光谱仪可以构成一个测试发光二极管光谱的设备，由此实现本多功能微区系统的光谱分析功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (6)
1.一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其特征在于，
包括主光路及分别与主光路垂直布设的第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述主光路包括白色光源、物镜、半透半反镜、聚焦透镜和相机，用于实现成像功能；所述第一支路通过第一可折叠反射镜与主光路相交，用于实现通信测试；所述第二支路通过第二可折叠反射镜与主光路相交，用于实现光谱探测；所述第三支路通过第三可折叠反射镜与主光路相交，用于实现液体透射率传感；
所述主光路由白色光源、物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机构成，所述物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机呈直线依次排列，所述光源与半透半反镜呈直线排列且排列方向垂直于物镜、第一可折叠反射镜、半透半反镜、第三可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、聚焦透镜和相机的排列方向；
所述第一可折叠反射镜、第二可折叠反射镜、第三可折叠反射镜在折叠状态下不影响光路通过；
所述第一支路由第一光电探测器、第一变焦透镜和第一可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第一支路经由第一可折叠反射镜接入系统，所述第一可折叠反射镜置于物镜与半反半透镜之间，所述第一可折叠反射镜的反射光经由第一变焦透镜入射到第一光电探测器；
所述第三支路由光谱仪、第三变焦透镜和第三可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第三支路经由第三可折叠反射镜接入系统，所述第三可折叠反射镜置于半反半透镜与聚焦镜头之间，所述第三可折叠反射镜的反射光经由第三变焦透镜入射到光谱仪；
所述第二支路由第二光电探测器、第二变焦透镜和第二可折叠反射镜呈直线依次排列形成；所述第二支路经由第二可折叠反射镜接入系统，所述第二可折叠反射镜置于半透半反镜与聚焦镜头之间，所述第二可折叠反射镜的反射光经由第二变焦透镜入射到第二光电探测器。
2.根据权利要求1所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其特征在于，
所述白色光源与半透半反镜之间设有准直系统，所述白色光源、准直系统和半透半反镜呈直线排列。
3.根据权利要求1所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其特征在于，
在实现液体浓度测量时，所述第一可折叠反射镜与半透半反镜之间置入可拆卸的液体卡槽。
4.根据权利要求1所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其特征在于，
所述物镜与样品台对准，所述相机与处理终端相连。
5.根据权利要求3中任一项所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统，其特征在于，
所述第一可折叠反射镜置于物镜与液体卡槽之间；所述第二可折叠反射镜置于半反半透镜与第三可折叠反射镜之间；所述第三可折叠反射镜置于第二可折叠反射镜与聚焦镜头之间。
6.根据权利要求1-5中任一项所述一种集通信、光谱、传感于一体的微区光学系统的应用方法，其特征在于，
包括：
打开第一可折叠反射镜，样品台上通信芯片的发光被物镜收集，经由第一可折叠反射镜、第一变焦透镜到达第一光电探测器，实现通信功能；
折叠第一可折叠反射镜和第二可折叠反射镜，打开第三可折叠反射镜，芯片的发光被物镜收集，经由半透半反镜、第三可折叠反射镜、第三变焦透镜到达光谱仪，实现光谱探测；
折叠第一可折叠反射镜和第三可折叠反射镜，在第一可折叠反射镜与半透半反镜之间置入可拆卸的液体卡槽，并使样品台、物镜、液体卡槽、半透半反镜、第三可折叠反射镜、聚焦镜头和相机呈直线排列；
打开第二可折叠反射镜，芯片的发光被物镜收集，穿过液体卡槽后经由半透半反镜、第二可折叠反射镜、第二变焦透镜到达第二光电探测仪，实现液体浓度测量。
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Citations (1)
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| CN103119512A (zh) * | 2008-11-02 | 2013-05-22 | 大卫·乔姆 | 近眼式显示系统和装置 |
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2021
- 2021-09-28 CN CN202111158420.9A patent/CN114018404B/zh active Active
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| CN103119512A (zh) * | 2008-11-02 | 2013-05-22 | 大卫·乔姆 | 近眼式显示系统和装置 |
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