CN107014491A - 基于散射原理的光谱测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于散射原理的光谱测量系统及方法。该系统包括：待测支路A、标定支路B、分光棱镜3、散射编码分系统C、探测器6；所述待测支路A与所述标定支路B均与所述分光棱镜3连接，所述分光棱镜3、所述散射编码分系统C及所述探测器6依次串行连接。本发明实施例避免了多次扫描或动镜驱动等，仅需要一次标定过程即可以完成不同信号光光谱测量，通过选择合适散射平均自由程的散射介质，系统的光谱分辨率可以在不增加系统复杂度等前提下最大限度提高。此外，本发明提出的光谱测量系统所需原件成本较低、结构简单且抗扰动能力强。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种基于散射原理的光谱测量系统及方法。
背景技术
光谱测量在天文观测、化学及材料分析、生物医学以及光源特性检测等领域应用广泛。传统的光谱测量系统通常采用光栅或棱镜来实现光谱到空间的一对一映射，通过将不同波长的信号光投影到不同的空间位置并采用狭缝控制输出光来实现光谱测量，但光栅、棱镜等分光元件的尺寸极大的限制了传统光谱测量系统的光谱分辨率，同时该类系统需要进行扫描。相对于狭缝类光谱测量系统，干涉光谱测量系统具有较高的光谱分辨率，但其需要不断驱动动镜来实现光谱测量。
随着科技的不断发展，新型光谱测量系统采用更复杂的光谱到空间的映射，比如将光谱信息投影为复杂的强度图样，同时采用光谱传输矩阵(STM)来储存不同入射波长对应的空间强度，最后利用光谱重建算法实现信号光光谱的重建。相比于传统的光谱测量系统，该类系统在分光元件的选择上具有极大的灵活性，例如可以采用无序光子晶体、布拉格光纤阵列、多模光纤等等。然而，无序光子晶体、布拉格阵列等分光元件构成的光谱测量系统通常有较低的光谱分辨率、高的插入损耗及低的信噪比；多模光纤构成的光谱测量系统虽有较高的光谱分辨率，但其抗扰动性很差，对机械结构的稳定性要求高，极其容易受到各种噪声的影响，无法以较高的光谱分辨率实现宽谱信号光光谱测量，从而无法准确重建光谱。因此，研究一种结构简单、抗扰动能力强、低成本且有较高光谱分辨率的光谱测量系统具有重要的应用价值和前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于散射原理的光谱测量系统及方法，以实现低成本、高稳定性、高光谱分辨率的光谱测量技术，推进科技进步。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的一个实施例提供了一种基于散射原理的光谱测量系统，包括：待测支路A、标定支路B、分光棱镜3、散射编码分系统C、探测器6；所述待测支路A与所述标定支路B均与所述分光棱镜3连接，所述分光棱镜3、所述散射编码分系统C及所述探测器6依次串行连接；其中，
所述待测支路A用于接收待测信号光1；
所述标定支路B用于产生标定光；
所述分光棱镜(3)用于对所述待测信号光(1)和所述标定光进行合束处理形成合束光；
所述散射编码分系统(C)用于对所述合束光进行扩散和编码处理以将所述待测光信号的光谱信息映射为散斑图；
所述探测器(6)用于接收所述散斑图。
在本发明的一个实施例中，所述待测支路A包括准直系统2。
在本发明的一个实施例中，所述标定支路B包括单色仪7和标定光源8，所述单色仪7分别与所述标定光源8和所述分光棱镜3相连。
在本发明的一个实施例中，所述标定光源8为非相干光光源。
在本发明的一个实施例中，所述散射编码分系统(C)包括扩束准直系统(4)和随机散射介质(5)，所述扩束准直系统(4)和所述随机散射介质(5)依次串接于所述分光棱镜(3)与所述探测器(6)之间；其中，
所述扩束准直系统(4)用于对所述合束光进行扩束处理形成扩束光；
所述随机散射介质(5)用于对所述扩束光进行编码处理形成所述散斑图。
在本发明的一个实施例中，所述扩束准直系统4包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述标定光源8位于所述第一透镜的焦距处，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光轴重合。
在本发明的一个实施例中，所述随机散射介质5为各向同性散射介质。
本发明的另一个实施例提供了一种基于散射原理的光谱测量方法，适用于上述任一实施例提供的所述系统，其中，所述方法包括：
步骤1：根据待测信号光的光谱范围及光谱分辨率确定标定光源的标定光谱的范围及步长；
步骤2：打开标定支路，关闭待测支路；
步骤3：对标定光谱的范围进行扫描以完成标定；
步骤4：关闭标定支路，打开待测支路；
步骤5：采集待测信号光对应的散斑图，依据光谱传输矩阵采用奇异值分解法求得所述光谱传输矩阵的逆矩阵，从而重建出待测信号光光谱。
在本发明的一个实施例中，步骤3包括：
间隔一个步长调整单色仪输出的中心波长；
使用探测器对中心波长的光对应的强度分布图进行采集形成散斑图；
将散斑图转化为列向量，由列向量组成所述光谱传输矩阵以完成所述标定。
与现有技术相比，本发明的技术优势为：
1.本发明提出的光谱测量系统只需要进行一次光谱传输矩阵(STM)的标定，后续通过更换待测信号光即可完成多次光谱测量。
2.本发明提出的光谱测量系统的光谱分辨率在一定范围内随着散射介质散射平均自由程的增大而增大。
3.本发明提出的光谱测量系统成本低、结构简单且抗干扰能力强。
4.本发明提出的光谱测量系统能够以较高的光谱分辨率实现对标定范围内的宽谱信号进行测量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于散射原理的光谱测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于散射原理的光谱测量方法的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于散射原理的光谱测量系统的结构示意图。该光谱测量系统包括待测支路A、标定支路B、分光棱镜3、散射编码分系统C及探测器6。其中，待测支路A包括待测信号光1及准直系统2，标定支路B包括单色仪7和标定光源8，散射编码分系统C包括扩束准直系统4和随机散射介质5。待测信号光1通过准直系统2后进行随机编码，依据探测器6采集到的散斑，可以恢复出待测信号光1的光谱信息。
具体地，本发明在准直系统2与探测器6之间加设有标定支路B、分光棱镜3、散射编码分系统C，本发明的分光棱镜3将两路光合并为一路，其中一路为待测支路A，另一路为标定支路B；本发明的散射编码分系统C在分光棱镜3后，依次分布扩束准直系统4和随机散射介质5，光波经过随机散射介质5进行编码后由探测器6接收散斑图。
本发明提出的准直系统2可根据光束直径及其它系统参数自行选择。标定支路中单色仪7输出光波的谱宽范围需要小于或接近散射介质5的去相关谱宽，以确保光谱传输矩阵(STM)的有效性；散射编码分系统C中的随机散射介质5对入射光进行随机编码，将光谱信息映射为复杂的空间图样，即散斑图，可以通过选择适当散射平均自由程的各项同性散射介质来提高系统的光谱分辨率。
实施例二
请再次参见图1，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一，本发明的待测信号光1覆盖的光谱均需要位于标定的光谱范围内，本例中采用中心波长为625nm、谱宽为16nm的LED光源，其谱宽范围610-640nm均需要位于标定的光谱范围内。
实施例三
请再次参见图1，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一，本发明的分光棱镜3将待测支路A及标定支路C进行合束，经过合束后待测支路A的光轴与标定支路B的光轴应保证完全一致，光束直径保证一致，此举可以保证信号光谱的高精度重建。
实施例四
请再次见图1，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一，本发明的标定光源8采用非相干光源，本例中采用150W的氙灯光源，其光谱范围覆盖200-2500nm，可以满足待测信号光需求，其经过单色仪7以后可以输出不同中心波长的单色光。
实施例五
请再次参见图1，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一，本发明的扩束准直系统4包括三个透镜，标定光源8位于第一透镜焦距处，该透镜焦距可自行选择；第二透镜和第三透镜组成4f系统，用于扩束，三个透镜光轴重合，可以保证两路光光束直径一致，也可采用扩束器代替后两个透镜实现扩束。本例中采用焦距为100mm透镜及扩束器。
实施例六
请再次参见图1，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一，本发明的随机散射介质采用各向同性强散射介质，如毛玻璃，氧化锌等。在适当范围内，随机散射介质的散射平均自由程越大，光谱测量系统分辨率越高。本例中采用颗粒度为220目的毛玻璃。
实施例七
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于散射原理的光谱测量方法的示意图。本发明的基于散射原理的光谱测量方法，在上述实施例一至实施例六的任一基于散射原理的光谱测量系统上运行，基于散射原理的光谱测量系统的总体构成同实施例一至实施例六，光谱测量方法包括有：
步骤1：根据待测信号光的光谱范围及光谱分辨率确定标定光源的标定光谱的范围及步长；
步骤2：打开标定支路，关闭待测支路；
步骤3：对标定光谱的范围进行扫描以完成标定；
步骤4：关闭标定支路，打开待测支路；
步骤5：采集待测光源对应的散斑图，依据光谱传输矩阵采用奇异值分解法求得所述光谱传输矩阵的逆矩阵，从而重建出待测信号光光谱。
其中，步骤3可以包括：
步骤31：间隔一个步长调整单色仪输出的中心波长；
步骤32：使用探测器对每个中心波长的光对应的强度分布图进行采集形成散斑图；
步骤33：将每帧散斑图转化为列向量，由列向量组成所述光谱传输矩阵以完成所述标定。
具体地，对于步骤1，需要对系统的参数进行确定，按照连接顺序，待测信号光1后依次为准直系统2，分光棱镜3，分光棱镜3入射端为标定支路B，出射端为散射编码分系统C，确定系统参数，具体涉及：依据所需标定光源8的光谱范围及所需光谱分辨率确定标定光谱的范围及步长，准直系统2、调整分光棱镜3、扩束准直系统4中各元件间距及角度，确保标定光源8及待测信号光1的光轴及直径一致。
对于步骤2，打开标定支路B，即标定光源8、单色仪7，关闭待测支路A，即待测信号光1、准直系统2。
对于步骤3，控制单色仪，间隔一个步长调整单色仪输出的中心波长，即依据步长对标定光谱范围进行扫描，使用探测器6对单色仪7输出的每个中心波长的光对应的强度分布图进行采集，用于光谱传输矩阵(STM)的构建。对探测器6采集到的多帧散斑图进行处理，将每帧散斑转化为列向量，不同散斑形成的列向量组成光谱传输矩阵(STM)，完成传输矩阵的标定过程。同一光谱测量系统只需要执行一次标定过程，通过更换待测光源即可完成不同光谱测量。
对于步骤5，采集待测光源经过随机散射介质5编码后形成的散斑图，采用奇异值分解法对步骤3中标定的光谱传输矩阵(STM)求逆，根据逆矩阵进行信号光光谱重建，完成光谱测量过程。
简而言之，本发明提出的一种基于散射原理的光谱测量系统，涉及光谱测量领域。本发明利用非相干光源进行光谱传输矩阵(STM)的标定，随后采集信号光光谱的映射的散斑图，通过采用奇异值分解求的传输矩阵的逆矩阵进行光谱重建，实现信号光光谱的测量。本发明提出的光刻方法避免了多次扫描或动镜控制等，仅需要一次标定过程即可以完成不同信号光光谱测量，通过选择合适散射平均自由程的散射介质，在不增加系统复杂度的前提下可以最大限度提高系统的光谱分辨率。此外，本发明提出的光谱测量系统所需元件成本较低、结构简单且抗动能力强。
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于散射原理的光谱测量系统，其特征在于，包括：待测支路(A)、标定支路(B)、分光棱镜(3)、散射编码分系统(C)、探测器(6)；所述待测支路(A)与所述标定支路(B)均与所述分光棱镜(3)连接，所述分光棱镜(3)、所述散射编码分系统(C)及所述探测器(6)依次串行连接；其中，
所述待测支路(A)用于接收待测信号光(1)；
所述标定支路(B)用于产生标定光；
所述分光棱镜(3)用于对所述待测信号光(1)和所述标定光进行合束处理形成合束光；
所述散射编码分系统(C)用于对所述合束光进行扩散和编码处理以将所述待测光信号的光谱信息映射为散斑图；
所述探测器(6)用于接收所述散斑图。
2.根据权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述待测支路(A)包括准直系统(2)。
3.根据权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述标定支路(B)包括单色仪(7)和标定光源(8)，所述单色仪(7)分别与所述标定光源(8)和所述分光棱镜(3)相连。
4.根据权利要求3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述标定光源(8)为非相干光光源。
5.根据权利要求3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述散射编码分系统(C)包括扩束准直系统(4)和随机散射介质(5)，所述扩束准直系统(4)和所述随机散射介质(5)依次串接于所述分光棱镜(3)与所述探测器(6)之间；其中，
所述扩束准直系统(4)用于对所述合束光进行扩束处理形成扩束光；
所述随机散射介质(5)用于对所述扩束光进行编码处理形成所述散斑图。
6.根据权利要求3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述扩束准直系统(4)包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述标定光源(8)位于所述第一透镜的焦距处，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光轴重合。
7.根据权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述随机散射介质(5)为各向同性散射介质。
8.一种基于散射原理的光谱测量方法，适用于如权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：根据待测信号光的光谱范围及光谱分辨率确定标定光源的标定光谱的范围及步长；
步骤2：打开标定支路，关闭待测支路；
步骤3：对标定光谱的范围进行扫描以完成标定；
步骤4：关闭标定支路，打开待测支路；
步骤5：采集待测信号光对应的散斑图，依据光谱传输矩阵采用奇异值分解法求得所述光谱传输矩阵的逆矩阵，从而重建出待测信号光光谱。
9.根据权利要求7所述的光谱测量方法，其特征在于，步骤3包括：
间隔一个步长调整单色仪输出的中心波长；
使用探测器对中心波长的光对应的强度分布图进行采集形成散斑图；
将散斑图转化为列向量，由列向量组成所述光谱传输矩阵以完成所述标定。
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|---|---|---|---|---|
| CN107907483A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-04-13 | 西安电子科技大学 | 一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法 |
| CN107907483B (zh) * | 2017-08-14 | 2020-04-21 | 西安电子科技大学 | 一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法 |
| CN109187434A (zh) * | 2018-07-31 | 2019-01-11 | 西安电子科技大学 | 一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法 |
| CN109187434B (zh) * | 2018-07-31 | 2020-07-31 | 西安电子科技大学 | 一种反射式散射成像装置及利用该成像装置的成像方法 |
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| CN110044482A (zh) * | 2019-05-24 | 2019-07-23 | 苏州大学 | 一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置及测试方法 |
| CN110044482B (zh) * | 2019-05-24 | 2024-05-10 | 苏州大学 | 一种基于反射式随机衍射片的光谱测试方法 |
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