CN108827471B - 一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱检测设备领域，公开了一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法。待测光源通过准直透镜平行入射到所述光谱仪的衍射元件上，所述衍射元件由多个衍射光栅单元构成，所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或刻痕倾斜方向不同，待测光经过所述衍射元件后发生无规则散射，通过图像传感器记录待测光在零级衍射处和一级衍射处的散斑图案，再由光谱分析系统将所述散斑图案与波长‑散斑图案标准库进行比对，反推出待测光的光谱数据。本发明的光谱仪结构简单、具有高分辨率，并且人为可控、可进行批量生产，同时使用该光谱仪进行光谱检测误差小、操作简单，具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测设备领域，具体涉及一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法。
背景技术
光谱仪是一种用来解析光源中波长成份和相对强度关系的仪器，它已经有上百年的发展历史。传统的光谱仪是利用棱镜、光栅等色散元件把复合光源按照波长顺序分开，再利用波长扫描机构及探测器进行测量。目前最流行的光谱仪结构是采用Czerny-Turner型光路，它包含入口狭缝、准直镜、光栅、聚焦镜、出口狭缝以及探测器。这种光谱仪分辨率取决于光栅色散能力、聚焦镜的焦距、狭缝宽度以及光路的调节水平。通常而言，要获得较好的分辨率，往往需要尽量窄的狭缝，但这样会导致进入仪器的光能量大大降低，从而会影响仪器的测量效率和信噪比。在这类光谱仪中，色散元件(光栅、棱镜)会将某个波长映射到一个特定的成像点。以CCD等阵列传感器作为探测器的光谱仪为例，波长和CCD像素之间形成一种一一映射关系。因此，光谱仪的波长解析性能主要取决于硬件(光路、光栅、探测器等)的性能，换句话说，光谱仪对硬件要求很高。
近年来，一种利用随机媒质的无规则散射现象构建的新型光谱检测方法得到迅速发展，被称为是计算光谱仪(computational spectrometer)。例如，耶鲁大学Cao Hui研究团队提出利用光在多模光纤内部多次反射的随机性来构成光谱测量装置，每一个单色波长的光从光纤出射后形成的散斑图案都不相同，而且即使波长间隔很小的两个单色光，它们散斑图案之间的相关性也很低，因而可以利用这种波长低相关散斑图案的特点来反推入射光的波长成份。再比如，美国犹他大学的Mennon R提出利用相位随机光栅的无序散射来实现光谱检测。它也利用了随机介质散射图案的低波长相关性这一特点，从而实现对入射光源的光谱检测目的。由于此类光谱仪的分辨率不依赖于光学元件的色散本领和尺寸，而是依赖于介质的随机性和软件计算，因而这种光谱仪有望克服仪器尺寸与分辨率的矛盾，有望得到高分辨率的微型光谱仪。
但是，上述技术依赖于介质的自然随机性，这种随机性是无法控制的，进而导致光谱检测无规则散射图案之间的相关性也不能控制，因此依据同样原理制造出来的两台光谱仪具有不同的参数，在性能上也可能会有差别，对每套系统都需要重新校准，重新建模，所以没有办法做到标准化生产。除此之外，美国犹他大学的Mennon R教授虽然利用相位随机光栅中的刻痕深度不同来实现待测光的无序散射，但该方法在实际制备过程难度较高，刻痕深度复制精度难以保证，因此也不适合批量化生产。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可形成不同散斑图案的衍射元件、一种结构简单具有高分辨率且人为可控可进行批量生产的光谱仪以及一种误差小、操作简单具有实际应用价值的光谱检测方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种衍射元件，包括：
基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，通过改变所述衍射光栅单元的刻痕密度分布和/或所述刻痕的倾斜方向，使得不同波长的单色光从所述衍射元件出射后形成的散斑图案不同。
本发明还提供了一种高分辨率光谱仪，包括如上所述的衍射元件，以及，
入射单元，所述入射单元包括待测光源发出的待测光和准直透镜；以及，
所述待测光在所述衍射元件中发生无规则散射，出射后在所述衍射元件一侧形成散斑图案；以及，
图像传感器，用于记录所述散斑图案；以及，
用于将得到的所述散斑图案与波长-散斑图案标准库比对的光谱分析系统，其中，所述波长-散斑图案标准库中存有不同波长的单色光与对应的衍射散斑图案的映射关系数据。
进一步地，所述衍射元件包括衍射光栅阵列，其中，单块衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元的刻痕密度分布不同和刻痕倾斜方向不同。
进一步地，所述图像传感器记录至少零级衍射处的散斑图案和一级衍射处的散斑图案。
进一步地，所述光谱分析系统包括，
信号采集单元，所述信号采集单元与所述图像传感器耦接，用于接收所述图像传感器输出的所述散斑图案数据；以及，
与所述信号采集单元耦接的信号处理单元，所述信号处理单元用于从所述信号采集单元获取所述散斑图案数据并将所述散斑图案数据与所述波长-散斑图案标准库进行分析比对；以及，
用于存储所述波长-散斑图案标准库的缓存单元，所述缓存单元具有等于或超过所述波长-散斑图案标准库大小的存储空间；以及，
用于输出所述待测光光谱分析结果的输出单元。
进一步地，所述衍射光栅单元通过激光干涉和点扫描方法获得，后续可通过模压复制的方法制备。
进一步地，所述准直透镜的基材和所述衍射元件的基板为光学玻璃或光学有机玻璃。
进一步地，所述待测光源位于所述准直透镜的焦点位置处。
进一步地，所述图像传感器为CCD感光元件或CMOS感光元件。
本发明还提供了一种光谱检测方法，使用如上所述的高分辨率光谱仪进行检测，包括以下步骤：
S1、使用不同波长的单色光入射所述高分辨率光谱仪，构建波长-散斑图案标准库；
S2、通过图像传感器记录待测光在衍射元件后的零级衍射处和一级衍射处的散斑图案；
S3、光谱分析系统采集、分析所述散斑图案并输出所述待测光的光谱数据。
进一步地，步骤S3中，分析所述散斑图案的具体方法为：
Sa1、若待测光为单色光，则将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行比对，计算对应的相关系数；
Sa2、若所述相关系数大于或等于筛选阈值，则所述待测光的波长等于所述相关系数对应的标准库中的已知波长，由输出模块输出结果；
Sa3、若所述相关系数小于所述筛选阈值，则扩大波长标定范围，返回S1重新构建波长-散斑图案标准库；
Sb1、若待测光为复色光，将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行线性组合近似，计算最佳线性组合；
Sb2、所述待测光的光谱成分为所述最佳线性组合中对应的波长成分，并由输出模块输出结果。
本发明中，待测光在衍射元件中发生无规则散射，记录下待测光的衍射散斑图案，与波长-散斑图案标准库比对即可快速准确地反推出待测光的光谱数据；并且构成衍射单元的衍射光栅容易复制制备，从而能更好地控制散斑图案之间的相关性；除此之外，该光谱仪结构简单、对硬件的依赖性小且制造成本低，因此具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例的结构示意图；
图2是图1所述实施例的光谱分析系统结构示意图；
图3是使用图1所述实施例的光谱检测方法的步骤流程图。
图中各符号表示如下：
1、待测光源，2、准直透镜，3、衍射元件，
4、衍射光栅单元，5、第一CCD，6、第二CCD
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参见附图1～附图3，本发明的优选实施例光谱仪包括入射单元、衍射元件、图像传感器以及光谱分析系统四个部分。
入射单元包括待测光源1入射的待测光以及准直透镜2，待测光经准直透镜2准直后以0～90°中任一角度平行入射到衍射元件3上；衍射元件3为200x200的衍射光栅阵列，其中，每一衍射光栅单元4的刻痕深度相同，单块衍射光栅单元4内部刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元4之间的刻痕密度分布不同和/或刻痕倾斜方向不同，衍射光栅单元4的像素尺寸为100μm×100μm；此时，待测光在衍射元件3中发生无规则散射，若待测光为单色光，则每一个单色波长的光从衍射元件3出射后形成的衍射散斑图案都不相同，而且即使波长间隔很小的两个单色光，它们散斑图案之间的相关性也很低，因而可以利用这种波长低相关散斑图案的特点来反推入射待测光的波长成份；在衍射元件3后10cm的待测光衍射位置处设置若干图像传感器，记录待测光的散斑图案；散斑图案由光谱分析系统中的信号采集系统采集后与存储在缓存单元中的波长-散斑图案标准库进行比对并通过信号处理单元计算相关性，以此来反推出待测光的光谱数据，其中，所述波长-散斑图案标准库中存有不同波长的单色光与对应的衍射散斑图案的映射关系数据，最后由输出单元输出结果。
本发明在使用时首先要对光谱仪进行波长-散斑图案标准库的标定。在准直透镜2的焦点处放置光源发生器，调整波长范围使其发出不同波长的单色光，在衍射元件3的零级衍射处和一级衍射处分别放置第一CCD5和第二CCD6，记录对应的散斑图案，通过光谱分析系统转化成对应的光谱数据储存在缓存单元中，以此来构建该波长范围的单色光对应的波长-散斑图案标准库。
使用本实施例光谱仪进行光谱检测的具体方法如下：
S1、使用不同波长的单色光入射所述高分辨率光谱仪，构建波长-散斑图案标准库；
S2、通过第一CCD和第二CCD记录所述待测光在衍射元件后的零级衍射处和一级衍射处的散斑图案；
S3、光谱分析系统采集、分析所述散斑图案并输出所述待测光的光谱数据。
其中，S3中分析所述散斑图案的具体方法为：
Sa1、若待测光为单色光，则通过信号处理单元将散斑图案与存储在缓存单元中的波长-散斑图案标准库进行比对，并计算对应的相关系数r；
Sa2、若r≥0.7，则待测光的波长等于相关系数r对应的标准库中的已知波长，由输出模块输出结果；
Sa3、若r＜0.7，则扩大波长标定范围，返回S1重新构建波长-散斑图案标准库；
Sb1、若待测光为复色光，则将散斑图案与波长-散斑图案标准库中的数据进行线性组合近似，计算最佳线性组合；
Sb2、待测光的光谱成分即为最佳线性组合中对应的波长成分，并由输出模块输出结果。
本发明通过让待测光在衍射元件中发生无规则散射，记录下待测光的衍射散斑图案，与波长-散斑图案标准库比对即可快速准确地反推出待测光的光谱数据；衍射光栅单元的基板可选用光学玻璃或者光学有机玻璃并通过激光干涉和点扫描方法进行制备，后续可通过模压方法进行批量复制，从而更好地控制光谱检测散斑图案之间的相关性；除此之外，该光谱仪结构简单、对硬件的依赖性小且制造成本低，因此具有广泛的应用前景。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种衍射元件，包括基板以及刻于所述基板上的多个衍射光栅单元，其特征在于：所述多个衍射光栅单元形成衍射光栅阵列，其中，每一衍射光栅单元的刻痕深度相同，单块衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块衍射光栅单元的刻痕密度分布不同和/或刻痕倾斜方向不同；每一个单色波长的光从衍射元件出射后形成的衍射散斑图案都不相同。
2.一种高分辨率光谱仪，包括如权利要求1所述的衍射元件，其特征在于，还包括：
入射单元，所述入射单元包括待测光源发出的待测光和准直透镜；
所述待测光在所述衍射元件中发生无规则散射，出射后在所述衍射元件一侧形成散斑图案；以及，
图像传感器，用于记录所述散斑图案；以及，
用于将得到的所述散斑图案与波长-散斑图案标准库比对的光谱分析系统，其中，所述波长-散斑图案标准库中存有不同波长的单色光与对应的衍射散斑图案的映射关系数据。
3.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述衍射元件包括衍射光栅阵列。
4.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述图像传感器记录至少零级衍射处的散斑图案和一级衍射处的散斑图案。
5.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述光谱分析系统包括，
信号采集单元，所述信号采集单元与所述图像传感器耦接，用于接收所述图像传感器输出的所述散斑图案数据；以及，
与所述信号采集单元耦接的信号处理单元，所述信号处理单元用于从所述信号采集单元获取所述散斑图案数据并将所述散斑图案数据与所述波长-散斑图案标准库进行分析比对；以及，
用于存储所述波长-散斑图案标准库的缓存单元，所述缓存单元具有等于或超过所述波长-散斑图案标准库大小的存储空间；以及，
用于输出所述待测光光谱分析结果的输出单元。
6.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述衍射光栅单元通过激光干涉和点扫描方法获得，后续可通过模压复制的方法制备。
7.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述待测光源位于所述准直透镜的焦点位置处。
8.根据权利要求2所述的高分辨率光谱仪，其特征在于：所述图像传感器为CCD感光元件或CMOS感光元件。
9.一种光谱检测方法，使用如权利要求2-8任一项所述的高分辨率光谱仪进行检测，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用不同波长的单色光入射所述高分辨率光谱仪，构建波长-散斑图案标准库；
S2、通过图像传感器记录待测光在衍射元件后的散斑图案；
S3、光谱分析系统采集、分析所述散斑图案并输出所述待测光的光谱数据。
10.根据权利要求9所述的光谱检测方法，其特征在于：步骤S3中，分析所述散斑图案的具体方法为：
Sa1、若待测光为单色光，则将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行比对，计算对应的相关系数；
Sa2、若所述相关系数大于或等于筛选阈值，则所述待测光的波长等于所述相关系数对应的标准库中的已知波长，由输出模块输出结果；
Sa3、若所述相关系数小于所述筛选阈值，则扩大波长标定范围，返回S1重新构建波长-散斑图案标准库；
Sb1、若待测光为复色光，将所述散斑图案与所述波长-散斑图案标准库中的数据进行线性组合近似，计算最佳线性组合；
Sb2、所述待测光的光谱成分为所述最佳线性组合中对应的波长成分，并由输出模块输出结果。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 准随机矩形孔阵列透射光栅;刘钰薇;张文海;张继成;范全平;魏来;晏卓阳;赵屹东;崔明启;邱荣;曹磊峰;;物理学报;第64卷(第07期);全文 * |
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