CN104142178B - 基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。本发明还公开了使用上述光谱测量装置的光谱测量方法。相比现有技术，本发明易于制作，成本低廉，利于实现批量生产。

Description

基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

光谱仪是一种测量光谱的科学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。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(参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999])。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。

然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、光谱测量分辨率高、测量的频率范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如目前商用傅里叶变换光谱仪不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲(参见文献[YangJae-chang,etal.Micro-electro-mechanical-systems-basedinfraredspectrometercomposedofmulti-slitgratingandbolometerarray,Jap.J.ofAppl.Phys.47(8),6943-6948(2008)])。因此，对于光谱仪来说，要求其在具有抗振动的同时能够降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难实现。

南京邮电大学的杨涛课题组提出了一种“衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨率光谱复原方法”(参见申请号为20121000416.6，申请日为2012-1-9，公开日为2012-7-11的中国发明专利)。该微型光谱仪利用衍射孔二维阵列来进行光谱测量。入射光经过衍射孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov正则化方法求解该线性方程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。

以上方案虽然较好地解决了传统光谱仪的缺陷，但在制作大小不同的衍射孔阵列时需要通过聚焦离子束刻蚀、光刻、电子束刻蚀等方法，其实现成本较高。因此，在保持衍射孔阵列结构微型光谱仪分辨率高、光谱测量范围广、抗振动能力强等优点的前提下，需要大幅降低其制作成本及制作难度，利于实现批量生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光谱测量技术的不足，提供一种基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法。

本发明基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。

优选地，所述探测阵列芯片为黑白光电成像器件，例如黑白电荷耦合成像器件(黑白CCD)或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件(黑白CMOS)。

优选地，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。

为了便于器件制作，优选地，所述滤波膜阵列还包括透明基底，滤波膜附着于所述透明基底的表面。

进一步地，为了能够根据探测阵列芯片所采集的数据自动完成光谱复原，所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置还包括与所述探测阵列信号连接的计算处理单元。

本发明基于滤波膜阵列的光谱测量方法，利用以上任一技术方案所述光谱测量装置实现，具体包括以下步骤：

步骤1、将所述探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为n个频率段，n为所述滤波膜阵列中的滤波膜总数，各频率段的中心频率计为f₁、f₂、…、f_n；

步骤2、令待测入射光依次通过光学准直装置、滤波膜阵列，测量所述探测阵列芯片中各有效像素元所探测到的灰度值，记为G₁、G₂、…、G_n；所述有效像素元是指：从每个滤波膜所正对的像素元中预先选定一个，这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元即为有效像素元；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f₁、f₂、…、f_n的大小G(f₁)、G(f₂)、…、G(f_n)：

式中，C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)表示中心频率为fi的频率段的光在经过与不经过滤波膜阵列的情况下，所述探测阵列芯片中第j个有效像素元所探测到的灰度值之比，通过实验预先测得；

步骤4、对G(f₁)、G(f₂)、…、G(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

优选地，使用交替方向乘子法求解所述方程。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1、结构简单，易于制作：相比于制作其他光谱仪需要复杂、昂贵的设备，该光谱仪制作更加简单容易。

2、成本低廉：该光谱仪所需的滤波膜价格低廉，利于实现批量生产。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明光谱测量装置的结构原理示意图；

图2为图1中光谱测量装置中滤波膜阵列的结构示意图；

图中各标号含义如下：

1为入射光源，2为透镜，3为小孔光阑，4为透镜，5为滤波膜，6为透明基底，7为探测阵列芯片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明光谱测量装置的一个优选实施例的结构原理示意图，如图所示，为了对入射光进行光学整形，本实例中首先使入射光通过一个光学准直装置。该光学准直装置包括共焦的透镜2和透镜4，透镜2和透镜4共同的焦点处设置有小孔光阑3。入射光源1所发出的光通过该光学准直装置后即可转变为平行光，这样不仅使得只有平行光才能入射到滤波膜阵列，而且限定了入射光的光束宽度，有利于提高测量的准确度。整形后的入射光通过一个滤波膜阵列，该滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜5。为了降低滤波膜阵列的制作难度，本实施例中的滤波膜阵列还包括透明基底6，滤波膜5附着在透明基底6的表面。所述透明基底6的材质优选PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。滤波膜阵列之后设置有探测阵列芯片7，用于采集透过滤波膜阵列的光的数据。上述滤波膜阵列中的各滤波膜5在探测阵列芯片7的测量波段范围内的透射谱线互不相同，需要指出的是，这些滤波膜5所透射的光的频率范围可以重叠，也可以互不重叠，并不会对光谱测量造成影响。对于每个滤波膜5，都有探测阵列芯片7的至少一个像素元与其正对。为了降低整个光谱测量装置的成本，探测阵列芯片7优选采用黑白光电成像器件，例如黑白电荷耦合成像器件(黑白CCD)或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件(黑白CMOS)。为了能够根据探测阵列芯片7所采集的数据快速自动地完成光谱复原，本实施例中的光谱测量装置还包括与所述探测阵列7信号连接的计算处理单元(图1中未示出)。

图2显示了上述滤波膜阵列的一种结构，如图所示，在透明基底6的一个表面上设置了一组滤波膜5，各滤波膜5在探测阵列芯片7的测量波段范围内的透射谱线互不相同。

上述滤波膜阵列中的各滤波膜可利用现有成熟技术制备得到，例如微波染色法、明胶染色法、喷墨打印法等，本发明优选采用微波染色方法制备的光学彩色聚酯薄膜，这种薄膜制备工艺简便、快速。只需根据要求选择对特定频段具有吸收特性的染色剂对其进行着色，便可得到本发明要求的滤波膜。以下为采用微波技术制备的光学彩色聚酯薄膜的具体步骤：

(1)将聚酯原膜传输进入在水相稳定的分散染料悬浮液中，同时利用微波加热悬浮液进行着色，加热温度为80℃—85℃，着色时间在10秒—120秒之间；

(2)对着色的聚酯薄膜进行水洗，直至彻底洗去薄膜表面的染料分散剂，水洗液为含有质量比为0.1％—5％的表面活性剂；

(3)对水洗后的着色聚酯薄膜用溶剂进行再次清洗，溶剂为低沸点的有机溶剂，比较好的洗涤溶剂包括乙醇、丙酮或乙酸乙酷，考虑到毒/副作用以及清洗效果，选择乙醇最佳；

(4)将经溶剂洗后的着色聚酯薄膜进行烘干，烘干温度130℃—170℃，烘干时间在10秒—120秒之间。

将制备好的光学彩色聚酯薄膜贴在PMMA基底表面，使得每一片滤波膜均有至少一个探测阵列芯片7的像素元与其正对，即完成了本发明所需滤波膜阵列的制作。

上述光谱测量装置的光谱复原原理为：当入射光通过滤波膜阵列后，由于各滤波膜在探测阵列芯片的测量波段具有不同的透射谱线，即各滤波膜对所透过频率范围内的各频率的光透射率不一样。因此，滤波膜阵列中中每一块滤波膜所正对的像素元将接收到不同的灰度值。由于探测阵列芯片随光学成像技术的发展，其分辨率已达到百万甚至千万像素级，虽然理想情况下可以制作出与单一像素元相同尺度的滤波膜，从而使得每一块滤波膜仅正对一个像素元，但考虑到这种小尺度滤波膜的制作难度，更可能的情形是一块滤波膜会有多个像素元与其正对，即在滤波膜的投影范围内存在多个像素元。理论上正对同一块滤波膜的这些像素元所采集的透射光数据均相同，为了构建光谱复原所需的线性方程组，可以从每个滤波膜所正对的像素元中预先选定一个(可以随机选定，也可以按照一定的规律，例如，选择正对每个滤波膜中心的像素元)，以这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元作为有效像素元。如果按照所用有效像素元的个数，将探测阵列芯片所能探测的频率范围均匀划分，每一份的中心频率在入射光中的归一化灰度值作为未知数；将探测阵列芯片的不同位置处的有效像素元探测到的值作为增广矩阵；事先测得探测阵列芯片不同位置处的各有效像素元对各频率分量的探测率，并将该探测率作为系数矩阵；通过求解大型线性方程组、线性拟合、光谱定标就可以得到入射光光谱。

本发明光谱复原的具体过程如下：

当入射光通过滤波膜阵列后，被探测阵列芯片中的有效像素元探测到，该有效像素元接收到的灰度值可以通过自身直接探测。而另一方面，有效像素元探测到的灰度值也可以通过入射光光谱进行计算得到。因为每个频率光强的大小，被某个像素元探测到时都有一定程度减小。而由于滤波膜阵列中不同的滤波膜在探测阵列芯片的测量波段具有不同的透射谱线，使得入射光通过滤波膜阵列后在每个像素元上减小的比例都不一样。入射光被每个像素元探测到时减小的比例当器件做好后即为固定值，可以事先通过测量每个频率分量的入射光经过滤波膜阵列后被探测阵列芯片7中每一个有效像素元所探测的探测率计算得出。将探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为n份，n为所述探测阵列芯片中的有效像素元总数，每一份的中心频率为f₁,f₂,…f_n.。将每一份的中心频率在入射光中的归一化灰度值作为未知数x，将各有效像素元对各频率分量的光的探测率组成系数矩阵C，而探测阵列芯片中各有效像素元测得的待测光数据组成增广矩阵y。因此就可以用矩阵形式y＝Cx表示：

方程组的左边是探测阵列芯片中的n个有效像素元测得的一系列灰度值，方程组的右边是入射光中各个频率的灰度值大小与有效像素元对入射光各个频率分量的探测率分别相乘后再相加所得到的计算值。C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)是中心频率为fi的频率分量的光被探测阵列芯片中第j个有效像素元所探测的探测率，即中心频率为fi的频率分量的光被第j个有效像素元探测到的灰度值与经过滤波膜阵列之前该频率分量的光的灰度值的比值。当事先测得各有效像素元的探测率C_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)，即可将各有效像素元所探测到的待测入射光的灰度值代入以上方程，求解得到中心频率为f₁,f₂,…f_n.的频率分量在待测入射光中的归一化灰度值。

本发明优选采用交替方向乘子法求解上述线性方程组。交替方向乘子法是一种适用于可分离凸规划问题的简单有效的方法。又称之为ADMM法。ADMM算法可以看成是在增广拉格朗日算法的基础上发展出的一种新的算法。相对于增广拉格朗日算法，ADMM算法最大的优越性在于充分利用了目标函数的可分离性，也就是将原来的问题分解成为若干个更容易得到全局解的交替的极小化的子问题进行分析，并且这个算法更适用于在实际应用中存在的具有大量变量的这种大规模问题。

根据ADMM法，求救上述方程组也就等效于解决如下数学问题：

$\underset{x}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{Cx}-y\left|\right|}_2^2$

s.t.x＝z,z≥0

上式中我们给出了一个限定条件，令z＝x，并且z≥0。我们假设出一个新的函数z，使得z无限接近于我们的目标函数x。又因为从物理学上来说，方程组的解即各频率光的灰度值一定是非负的，所以z≥0。

下面写出式上式的增广拉格朗日函数

$L_C(x,z,\mathrm{\&lambda;})=\frac{1}{2}{\left|\right|\mathrm{Cx}-y\left|\right|}_2^2-<\mathrm{\&lambda;},x-z>+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}{\left|\right|x-z\left|\right|}^2$

其中λ为拉格朗日乘子，β>0为惩罚参数。

其迭代步骤如下：

首先定义迭代步数k＝0，以及输入初始矩阵C、y，设定迭代次数为K。

$\left(1\right)---x^{k+1}=\underset{x}{\arg \min }{L}_C(x,z^k,{\mathrm{\&lambda;}}^k)$

即x^k+1＝(βI+C^*C)^-1·(C^*y+λ^k+βz^k)

$\left(2\right)---z^{k+1}=\underset{z\&GreaterEqual;0}{\arg \min L}(x^{k+1},z,{\mathrm{\&lambda;}}^k)$

即再对z中参数进行限制，舍去其中的负值，即

(3)λ^k+1＝λ^k-β(x^k+1-y^k+1)

当k<K时，跳至步骤(1)继续迭代。

交替方向乘子算法(ADMM)是解决可分离目标的优化问题的一种简单且有效的方法，对于不同的问题，根据约束条件的不同对经典的ADMM算法进行修改，以获得较好的数值效果。

将求解出的未知数G(f₁),G(f₂),…G(f_n)进行线性拟合，就得到了入射光谱。

在求解方程组过程中，探测阵列芯片的各有效像素元所采集到的灰度值以及对各频率分量的光的探测率都是测量值，由于测量误差等原因，该方程组实为病态方程组，再加上方程组中方程的数量较多，用普通方法很难求解，而采用交替方向乘子法求解该线性方程组效果较好，该方程组求解后即可得入射光各频率对应的归一化光谱强度，最后进行光谱定标就得到了入射光的复原光谱。

Claims (10)

1.基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。

2.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述探测阵列芯片为黑白光电成像器件。

3.如权利要求2所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述黑白光电成像器件为黑白电荷耦合成像器件或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件。

4.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。

5.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列还包括透明基底，滤波膜附着于所述透明基底的表面。

6.如权利要求5所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述透明基底的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。

7.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列中的各滤波膜均为光学彩色聚酯薄膜。

8.如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，还包括与所述探测阵列信号连接的计算处理单元。

9.基于滤波膜阵列的光谱测量方法，其特征在于，利用如权利要求1～8任一项所述光谱测量装置实现，具体包括以下步骤：

步骤1、将所述探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为n个频率段，n为所述滤波膜阵列中的滤波膜总数，各频率段的中心频率计为f ₁ 、f ₂ 、…、f _n ；

步骤2、令待测入射光依次通过光学准直装置、滤波膜阵列，测量所述探测阵列芯片中各有效像素元所探测到的灰度值，记为G ₁ 、G ₂ 、…、G _n ；所述有效像素元是指：从每个滤波膜所正对的像素元中预先选定一个，这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元即为有效像素元；

步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f ₁ 、f ₂ 、…、f _n 的大小G(f ₁ )、G(f ₂ )、…、G(f _n )：

式中，C _ij (i=1,2…n)(j=1,2…n)表示中心频率为f _i 的频率段的光在经过与不经过滤波膜阵列的情况下，所述探测阵列芯片中第j个有效像素元所探测到的灰度值之比，通过实验预先测得；

步骤4、对G(f ₁ )、G(f ₂ )、…、G(f _n )进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的光谱。

10.如权利要求9所述基于滤波膜阵列的光谱测量方法，其特征在于，使用交替方向乘子法求解所述方程。