CN106323471A - 一种基于dlp技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统 - Google Patents
一种基于dlp技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统，该检测方法以DLP分光技术和压缩感知理论为核心，采用单点探测器，结合DLP分光技术，采用压缩感知理论即可以实现超灵敏的光谱检测。该超灵敏度的光谱检测系统包括：滤光片/滤光系统1、透镜2、狭缝3、准直/聚焦镜4、光栅5、DMD器件6、单点探测器7、电控系统及软件8；其灵敏度可以显著提高，成本成倍降低。该系统可以广泛应用于采用光栅分光的光谱仪系统，如拉曼光谱仪、红外光谱仪、荧光光谱仪、SPR光谱仪等。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法及系统，尤其涉及对灵敏度、尺寸以及成本要求较高的小型光谱仪系统和成像系统，可以广泛应用于采用光栅分光的光谱仪系统，如拉曼光谱仪、红外光谱仪、荧光光谱仪、SPR光谱仪等。
背景技术
光谱仪是应用最为广泛的分析仪器，根据其分光原理的不同可以分为滤光片型、光栅型、傅里叶变换型和声光可调型等，其中光栅色散型光谱仪是覆盖面最广，使用最多的光谱仪类型。
光栅型光谱仪几乎覆盖了所有类型的光谱仪系统，其光路结构主要有光栅扫描型和固定光路阵列检测型两种，其中光栅扫描型的光栅需要复杂精密的机械控制系统进行精密控制，具有高灵敏度的优点，但其整机尺寸大，成本高，检测时间长的缺点制约了其小型化的道路；固定光路阵列检测型具有检测时间快，成像方便的优点，并且结合多级CCD制冷技术或者使用EMCCD阵列器件可实现高灵敏度探测，但是线/面阵CCD，尤其是EMCCD的价格高昂，CCD制冷技术以及封装较为复杂，使得其在小型化的同时消减了仪器的检测灵敏度。
专利CN201110166471提出了一种极弱光多光谱成像方法及其系统，该系统以DLP技术和压缩感知理论为基础，实现了用点探测器对极弱光对象的单一光谱成分进行二维成像，用线阵单光子探测器对极弱光对象进行多光谱成像；专利CN201110328748提出了一种时间分辨极弱光多光谱成像系统及方法，该发明提出的方案可以解决利用单光子计数器线阵实现高探测灵敏度的时间分辨极弱光多光谱成像的问题，其灵敏度可以达到单光子水平。这两个专利均以DLP技术和压缩感知理论为基础，实现了高灵敏度的光谱降维采集功能，但是其对光路的调制均在分光狭缝之前，即对采集的原始光谱进行压缩处理，没有对分光光路提出改进方案，不适用于测量要求较高的小型光谱仪系统。本发明的目的在于提出一种基于DLP技术和压缩感知理论为基础的超灵敏光谱检测方法及系统，对现有光谱仪的分光系统进行改进设计，对光栅分光后的信号进行压缩采样，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于DLP技术和压缩感知理论为基础的超灵敏光谱检测方法及系统，对现有光谱仪的分光系统进行改进设计，对光栅分光后的光谱信号进行压缩采样，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。该超灵敏度的光谱检测系统包括：滤光片/滤光系统1、透镜2、狭缝3、准直/聚焦镜4、光栅5、DMD器件6、单点探测器7、电控系统及软件8。
本发明是通过这样的设计方案实现的：
(1)设计基于DLP技术的光谱仪分光光路。改进现有光谱仪的分光系统，灵活调节光栅分光后光谱的分辨率，采集范围，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。所述DLP技术是美国TI(德州仪器)公司提出的一项技术，其核心是Larry Hornbeck工程师发明的数字微镜器件(DMD)，该器件可以采用脉冲调制波驱动，能在-12°和+12°之间摆动，近而实现光的调控，DMD及一系列精密的电子元件系统就是所谓的DLP技术；所述光谱仪分光光路是较为常用的光栅分光光路结构，如由衍射光栅所构成的C-T分光结构：其包括狭缝、聚焦镜、衍射光栅、聚焦镜、DMD器件和PMT/APD探测器几个部分；
(2)设计基于DLP技术的DMD控制电路。所述控制电路包括DMD驱动电路和电源电路两个部分构成，控制电路与(1)的DMD器件连接；
(3)设计光谱信号采集光路。所述光谱信号采集光路可以是拉曼采集光路、红外采集光路和荧光采集光路等，如拉曼光谱仪中使用的拉曼采集光路由入射激光(激光器)、聚焦透镜、散射光收集透镜、notch滤光片、散射光聚焦透镜几个部分组成，也可以设计为前期设计的具有线聚焦功能的拉曼采集光路(专利申请号：201410776558.9)；散射光聚焦透镜所汇聚的散射光与(1)的狭缝进行耦合连接；
(4)设计单点探测器采集电路。所述采集电路可以是A/D采集电路或者光子计数电路，所述A/D采集装置采用高精度和高位数的A/D转换芯片设计的转换电路，所述光子计数电路是采用高精度的放大器、计数器进行设计的计数电路；该模块与(1)中的PMT/APD的电路连接接口连接，用于检测光谱仪分光光路PMT/APD所产生的光电流信号；
(5)设计基于TEC制冷电路，所述制冷电路以TEC制冷芯片为核心，采用基于高精度放大器电路的PID制冷控制电路进行控制，将光电探测器的工作温度控制到仪器可接受的范围，也可以设计为多级且可调的制冷电路(专利申请号：201510296066.4)；该模块与PMT/APD器件贴合连接；
(6)设计基于压缩感知理论的采集软件，所述采集软件可以控制采集光路，可以控制探测器制冷温度，可以控制DLP器件，可以采用压缩采样的方式采集单点探测器信号，实现系统显示存储，光谱处理以及系统通信等功能。
其中(1)所述的DLP技术是美国TI(德州仪器)公司提出的一项技术，其核心是Larry Hornbeck工程师发明的数字微镜器件(DMD)，该器件可以采用脉冲调制波驱动，能在-12°和+12°之间摆动，近而实现光的调控，DMD及一系列精密的电子元件系统就是所谓的DLP技术；所述的C-T分光结构是根据仪器设计指标进行设计的色散型光路结构；所述的衍射光栅是反射型或者透射型的衍射光栅，其光栅刻线数，闪耀波长以及闪耀角度根据光谱仪的最终指标来确定；所述的聚焦镜为根据分光波段进行特殊处理的聚焦镜片；所述DMD器件是根据光路设计需求选定的任意DMD器件；所述PMT/APD为单点探测器，其灵敏度等参数根据光路设计进行选择；
其中(2)所述的DMD驱动电路可采用DMD控制芯片进行设计，具有快速、灵活可控的特点；所述的DMD电源电路也可以采用DMD电源芯片进行设计，具有紧凑，控制精度高的特点；
其中(3)所述的激光器为拉曼激光器，根据说设计的拉曼光谱仪需求进行选定；所述透镜均根据光谱波段进行选择；所述notch滤光片选用高性能的高通滤光片；所述具有线聚焦功能的拉曼采集光路为专利(专利申请号：201410776558.9)声明的结构进行设计；
其中(4)所述A/D采集装置采用高精度和高位数的A/D转换芯片设计的转换电路，所述光子计数电路是采用高精度的放大器、计数器进行设计的计数电路；
其中(5)所述的TEC制冷电路以TEC制冷芯片为核心，采用放大器电路进行设计的PID制冷控制电路进行控制，将光电探测器的工作温度控制到仪器可接受的范围，也可以设计为多级且可调的制冷电路(专利申请号：201510296066.4)；
其中(6)所述的压缩感知理论为2006年D.Donoho、Emmanuel Candes等人提出的新型的压缩采样理论，该理论指出，对稀疏或可压缩的信号进行少量非适应性的线性测量，所获取的信息足够用来重建信号，打破了传统的线性Nyquist采样模式；所述的系统显示可以是PC显示、手机等便携式终端显示以及仪器自身显示等；所述的光谱处理包括所有的光谱处理技术，如基线校正，线性拟合以及去噪滤波等技术，所述的系统通信功能可以为USB通信、蓝牙通信等传统的通信方式。
本发明具有如下的特点：
该发明提出了一种基于DLP技术和压缩感知理论为基础的超灵敏光谱检测方法及系统，对现有光谱系统的分光系统进行改进设计，对光栅分光后的光谱信号进行压缩采样，实现单个探测器采集光谱的功能，降低光谱系统设计的成本、尺寸，提高光谱检测的灵敏度。该超灵敏度的光谱检测系统包括：滤光片/滤光系统、透镜、狭缝、准直/聚焦镜、光栅、DMD器件、单点探测器、电控系统及软件等八个部分；
优点：
单个探测器采集二维光谱图；
提高光谱仪系统的检测灵敏度；
降低光谱系统设计的成本、尺寸。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构图。
图2是本发明的DMD器件控制图。
图3是本发明的压缩感知理论的求解流程图。
图1中滤光片/滤光系统1、透镜2、狭缝3、准直/聚焦镜4、光栅5、DMD器件6、单点探测器7、电控系统及软件8。
注：其中透镜2在整个光路系统中多次使用，其具体需求根据其所起作用和光路需求进行设计；其中电控系统及软件8包括图2，图3所示的所有内容以及文中未着重介绍的其他所有电路控制系统和软件系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，使本领域技术人员对本发明有更深入的认识。
实施方式以拉曼光谱仪为例，分为光、机、电系统实现和软件系统实现两个部分：
(1)光、机、电系统实现
如图1中系统结构图所示，将选定拉曼激光器输出的单束激光经透镜聚焦到待测样品上，采用透镜收集样品经单束激光激发而产生的散射光(包括反射光、瑞丽散射光、拉曼散射光等)；
将透镜收集到的散射光经notch滤光片进行滤光，去除散射光中包含的反射光和瑞丽散射光，只剩下系统需要的拉曼散射光；
将notch滤光片过滤后的拉曼散射光耦合到分光系统的入射狭缝处，采用准直透镜将穿过(单缝衍射)入射狭缝的拉曼散射光准直到光栅的入射面上；
将光栅分光后的不同波长的拉曼散射光反射或者透射到聚焦透镜上，经聚焦透镜汇聚后，最终按系统波长范围和光谱分辨率的要求汇聚到DMD器件反射表面；
如图2所示，将DMD器件与DLP控制系统连接，DLP控制系统包括DLPC控制器、RAM内存、FLASH存储器和DMD电源控制器件几个部分。其中DLPC控制器负责接收主控制发送的工作指令，解析指令，并依据指令对DMD器件进行控制；RAM内存为常用的高速内存器件，为整个DLP控制系统的运行提供足够的运行速率和运行空间；FLASH存储器负责记录工作指令的状态；DMD电源控制器负责为DMD器件，DLPC控制器，RAM内存以及FLASH提供稳定可靠的工作电源；
经DLP技术处理后的DMD器件根据软件系统需求，将不同波长的散射光顺序或者随机的反射到探测器前方的汇聚透镜上，经汇聚透镜汇聚后的光信号全部照射到光电探测器的接收面上；
将电控系统检测电路与光电探测器连接，检测不同触发情况下所产生的光电流信号，将转换后的数字信号提供给系统软件部分进行处理显示；
将电控系统TEC制冷电路与光电探测器连接，控制光电探测器的工作温度，使其工作在系统能接受的状态下。
(2)软件系统实现
如图3所示，软件系统的核心内容为基于压缩感知理论的检测方法，软件系统通过以下步骤进行压缩感知检测：
将DMD反射镜片的状态按照系统设计的随机矩阵(M行N列，M<<N)进行设置，使得采集到的拉曼散射信号是不同波长散射信号的随机组合；
将DMD反射的随机拉曼散射信号经汇聚透镜全部汇聚到探测器表面，采用探测器测量该随机信号的总信号强度；
重复测量多次随机选取的拉曼散射信号的总信号强度，测量次数M根据软件系统要求进行设定；
记录每次测量的随机信号的强度值，并构建一个M行1列的测量矩阵；
根据测量矩阵、随机矩阵以及误差矩阵进行压缩感知求解，得到实际的拉曼信号强度。
整个软件系统还包括系统显示、数据处理、数据存储和通信等其他功能，实现拉曼光谱的信号采集、信号处理、信号显示、信号存储传输等功能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测系统，包括滤光片/滤光系统(1)，透镜(2)、狭缝(3)、准直/聚焦镜(4)、光栅(5)、DMD器件(6)、单点探测器(7)、电控系统及软件(8)。其特征在于：所述滤光片/滤光系统(1)接收外部传送的光线，并选择性的滤除不需要，将有用的光线传送到透镜(2)上；所述透镜(2)接收到滤光系统所传送的光线，将光线汇聚到狭缝(3)的入口处；所述狭缝(3)将光线进行衍射后传送到准直/聚焦镜(4)上；所述准直/聚焦镜(4)将衍射光准直投射到光栅(5)上；所述光栅对不同波长的光线进行分光处理，并从低到高依次传送到DMD器件(6)的反射面上；所述DMD器件的电路单元与电控系统及软件(8)连接，接收压缩感知采样软件的控制，随机的反射各单元镜片的光线，并传送到透镜上(2)；所述透镜(2)将DMD反射回来的器件汇聚，并传送到单点探测器(7)表面；所述单点探测器(7)对光信号进行转换，其电路部分与电控系统及软件(8)连接，将转换后的电信号提供给压缩感知采样软件。
2.一种基于DLP技术和压缩感知理论的超灵敏光谱检测方法，其特征是：压缩采样软件是基于压缩感知理论，根据光栅分光系统的需求进行设计的，其特征在于：软件系统通过以下步骤进行压缩感知检测：
将DMD反射镜片的状态按照系统设计的随机矩阵(M行N列，M<<N)进行设置，使得以随机组合的方式采集光谱信号；所述随机组合可以采用随机单位矩阵作为变换矩阵得到的随机矩阵；所述的光谱信号为透镜(2)汇聚DMD器件(6)反射回来的光谱信号；所述M行N列的M值和N值可以在软件操作过程中进行实时设置，通过不同的数值组合可以达到不同的测量精度要求；
将DMD器件(6)反射的随机光谱信号经汇聚透镜(2)全部汇聚到单点探测器(7)表面，采用探测器测量该随机信号的总信号强度；所述总信号强度为单次随机测量的光谱信号的总和；
重复测量M次随机选取的光谱信号的总信号强度，所述的重复测量指的的在不改变前端光谱信号的基础上实现的多次测量；
记录每次测量的随机信号的强度值，并构建一个M行1列的测量矩阵，所述测量矩阵是压缩感知采集软件的一部分，其实时的保存到系统软件存储区；
根据测量矩阵、随机矩阵以及误差矩阵进行压缩感知求解，得到实际的光谱信号强度，所述的压缩感知求解指的是基于压缩感知理论的公式求解，该公式求解在电控系统及软件(8)中实现。
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