CN110044482B - 一种基于反射式随机衍射片的光谱测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置及测试方法，包括反射式随机衍射片，反射式随机衍射片包括基板和镀反射膜的衍射光栅单元；准直聚焦元件，其位于反射式随机衍射片的一侧，入射光经准直聚焦元件变为平行光照射在反射式随机衍射片上，经反射式随机衍射片反射获得零级衍射光和一级衍射光，零级光经准直聚焦元件后会聚，一级衍射光经准直聚焦元件后形成散斑图案；光探测器，其位于准直聚焦元件远离反射式随机衍射片的一侧，光探测器用于接收散斑图案。该装置光谱分辨率高、光能利用率高，结构紧凑，体积小。

Description

一种基于反射式随机衍射片的光谱测试方法

技术领域

本发明涉及光谱检测技术领域，具体涉及一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置及测试方法。

背景技术

耶鲁大学的Cao Hui等人利用多模光纤和照相机搭建了一套超高分辨率的微型光谱仪系统，光在光纤中多次散射得到的散斑图具有很高的波长低相关性，容易获得高的光谱分辨率，且分辨率与光纤长度成正比。只要将光纤卷绕起来便可实现高分辨率、结构紧凑的微型光谱仪。犹他大学Wang Peng等人利用自制的一种宽带衍射元件和探测器阵列构建了一种计算光谱仪，该宽带衍射元件由一系列具有随机深度的沟槽组成，利用该结构他们获得了高分辨率和宽带宽兼具的微型光谱仪。南京大学Zhu YY和香港中文大学Yang T等人，基于多重散射和干涉原理，用一个毛玻璃和一个CCD芯片搭建了一个微型计算光谱仪。Cetindag等人通过将一种散射机制加入到一传统棱镜光谱仪中也实现了一种高分辨率、高动态范围的计算光谱仪。

无论是利用多模光纤、无序光子芯片还是毛玻璃作为色散介质，由于不同波长经过无序介质产生的散斑图在空间重叠，导致光谱仪的带宽受限，而且，因为这些无序介质将入射光散射到各个方向，只有一小部分光能被探测器接收到，所以光能利用率普遍很低。尽管Wangpeng等人利用宽带衍射元件作为色散介质拓展了带宽，但是光的散射方向仍然不可控制，因此光谱仪的光能利用率仍然比较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置及测试方法，其光谱分辨率高、光能利用率高，结构紧凑，体积小。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于反射式随机衍射片的光谱测量装置，包括：

反射式随机衍射片，所述反射式随机衍射片包括基板和镀反射膜的衍射光栅单元，所述基板上刻有多个衍射光栅单元，其中，单块所述衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块所述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；

准直聚焦元件，其位于所述反射式随机衍射片的一侧，入射光经所述准直聚焦元件照射至所述反射式随机衍射片上，经所述反射式随机衍射片反射获得零级衍射光和一级衍射光，所述零级光经所述准直聚焦元件后会聚，所述一级衍射光经所述准直聚焦元件后形成散斑图案；

光探测器，其位于所述准直聚焦元件远离所述反射式随机衍射片的一侧，所述光探测器用于接收所述散斑图案。

作为优选的，所述光探测器位于所述准直聚焦元件的焦平面上，入射光源位于所述准直聚焦元件的焦平面上。

作为优选的，所述零级光经所述准直聚焦元件后的聚焦点处与所述散斑图案之间设置有挡板，所述挡板为黑色挡板。

作为优选的，所述准直聚焦元件为聚焦准直镜。

作为优选的，所述光探测器为CCD或CMOS。

作为优选的，所述反射式随机衍射片通过模板法制作。

一种光谱测试方法，基于上述的光谱测量装置，包括以下步骤：

所述光探测器获得待测光谱的散斑图案，利用多个标定波长光源分析所述散斑图像，获得光谱输出向量I；

建立光谱响应传输矩阵T_mn，对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵 T_mn的逆矩阵T_trunc ^-1；

计算重构的入射光谱S，其中S＝T_trunc ^-1I。

作为优选的，所述“建立光谱响应传输矩阵T_mn”，具体包括：

将感兴趣的波段范围平均的分成n份，每一份的中心波长分别为：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n；

采用可调谐光源依次发射中心波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n不同波长的入射光，所述光探测器采集不同波长入射光对应的散斑图像，即每调节一次可调谐光源的入射波长，就记录一次该波长对应的散斑图，并将此次获得的散斑图像的光谱数据作为传输矩阵的一列，通过调节可调谐光源，不断步进入射光的中心波长，最终形成标定好的传输矩阵T_mn。

作为优选的，所述“对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵T_mn的逆矩阵T_mn ^-1”，具体包括：

令T＝UDV^T，U是一个N×N的酉矩阵，D是一个由正实数组成的对角矩阵，对角矩阵的元素被称为传输矩阵的奇异值，V是一个M×M的酉矩阵，V的行是输入奇异值向量，表示为V_j，U的列是输出奇异值向量，表示为U_j，为了求T_mn的逆矩阵，取D的每个对角线元素的倒数，然后转置得到对角矩阵D’，那么T_mn的逆矩阵表示为T^-1＝VD’U^T；

在实验噪声存在的情况下，设定一个阈值D^T，D中大于阈值D^T的元素取倒数，而小于这个值的元素用0代替，构成一个新的D’，D’的截断逆矩阵记为

D’_trunc，由此可得到T_trunc ^-1＝VD’_truncU^T。

本发明的有益效果：

1、本发明该发明的计算光谱测量系统的结构紧凑，光路简单，所需光学元件少，仅需一个反射式随机衍射片，一个准直聚焦元件，和一个探测器，所以光路搭建方便快捷，且光路结构精简而稳定。

2、本发明入射光经准直聚焦元件后的平行光倾斜入射到反射式随机衍射片上，经过衍射片后的零级衍射光沿与入射光对称方向射出，而一级衍射光沿衍射片法线方向附近射出，并在焦平面的探测器上叠加生成无序的散斑图，由该散斑图可恢复入射光的光谱。

3、本发明光谱测量装置通过设置准直聚焦元件，入射光源与管光探测器设置在反射式随机衍射片的同一侧，结构紧凑，大大缩小了光谱测量系统的体积。

4、本发明由于准直聚焦元件的设置，对入射光的均匀性要求不高，当入射光的均匀性不佳时，对光探测器获取散斑图案影响不大，因此，本发明的检测灵敏度更高。

5、本发明的反射式随机衍射片具有不可替代的预色散性，再结合散斑图的光谱多样性大大提高了该测量系统的光谱分辨率和带宽。

6、本发明中所需的光学器件成本不高，从而大大降低了生产成本。

7、本发明的反射式随机衍射片中每个像素光栅的周期和方向可控，可将衍射光控制在一个较小的探测区域，大大提高了光能利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的反射式随机衍射片的结构示意图；

图3为波长为500nm的散斑图；

图4为不同波长间隔的相关系数变化。

图中标号说明：10、准直聚焦元件；20、反射式随机衍射片；30、光探测器；40、挡板；50、入射光源；51、一级衍射光；52、零级衍射光。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图4所示，本发明公开了一种基于反射式随机衍射片20的光谱测量装置，包括反射式随机衍射片20、准直聚焦元件10和光探测器30。

反射式随机衍射片20包括基板、金属反射膜和衍射光栅单元，基板的一侧镀有金属反射膜，基板的另一侧刻有多个衍射光栅单元，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/或刻痕倾斜方向不同。反射式随机衍射片等光学元件基材为玻璃或塑料，且衍射片表面上镀有反射层。本发明的反射式随机衍射片中每个像素光栅的周期和方向可控，可将衍射光控制在一个较小的探测区域，大大提高了光能利用率。虽然像素光栅的周期和方向变化没有一定的规律，是随机的，但是每个像素光栅的周期和方向都是在制造过程中精确设定的。

准直聚焦元件10位于反射式随机衍射片20的一侧，入射光经准直聚焦元件10照射至反射式随机衍射片20上，经反射式随机衍射片20反射获得零级衍射光52和一级衍射光51，零级光经准直聚焦元件10后会聚，一级衍射光51 经准直聚焦元件10后形成散斑图案。

光探测器30位于准直聚焦元件远离反射式随机衍射片20的一侧，光探测器30用于接收散斑图案。

光探测器30位于准直聚焦元件的焦平面上，入射光源50位于准直聚焦元件的焦平面上。入射光和探测器在同一平面，大大缩小了光谱测量系统的体积。入射光源位置，光探测器位置，零级衍射光聚焦点在同一个平面上，且与准直聚焦元件的焦平面重合。

零级光经准直聚焦元件后的聚焦点处与散斑图案之间设置有挡板40，挡板 40为黑色挡板40。用黑色挡板遮挡，消除零级光对散斑测量的影响。

准直聚焦元件10为聚焦准直镜。光探测器30为CCD或CMOS。

反射式随机衍射片20通过模板法制作，其具有一定的人为可控可复制特性，极大提高元件的工艺稳定性，改善光路稳定性的同时适合批量成产。

本发明整个结构由一个反射式随机衍射片，一个准直聚焦元件和一个探测器组成。入射光入射到系统后，经过聚焦准直镜得到准直光，平行光束斜入射到该随机衍射片上。该随机衍射片的结构是由多个像素光栅组成，然后再镀上一层金属反射膜，形成反射式的衍射光学元件。结构中每个像素光栅的周期和方向各不相同，入射准直光倾斜入射到该结构上后，经过所有像素光栅的零级光经聚焦准直镜后聚焦在焦平面上，且聚焦位置与入射光位置对称。而经过所有像素光栅的一级光的衍射方向各异并在探测器平面叠加形成杂乱无章的散斑图案，这些散斑图案中包含入射光谱信息，具有强烈的低波长相关性，只要入射波长改变，散斑图的光谱特性也跟着改变。记录不同入射波长的散斑图案并标定成传输矩阵，再结合数值反演方法就可以重构任意入射光谱。由于该反射式随机衍射片中光栅结构具有预色散性，再结合散斑的光谱多样性，我们有望获得高光谱分辨率和宽光谱带宽。衍射片中每个像素光栅的周期和方向可以通过计算控制在一定范围内变化，这样我们就可以控制散斑图案呈现在想要的探测器范围内，大大的提高了光能利用率。并且在该光谱测量系统中，入射光装置和探测器装置在同一平面，这种结构大大缩小了系统的体积，所以我们有望获得高分辨率、宽带宽、且结构更加紧凑的计算光谱仪。

如图2所示为反射式随机衍射片的结构示意图。我们可以设计该反射式随机衍射片的像素光栅的个数为51×51，每个像素的尺寸为100μm×100μm，当经过透镜后的准直光与衍射片法线方向的夹角α＝30°，入射波长为500nm时，若像素光栅常数在1μm左右变化，倾角在零度左右变化，那么经过该反射式衍射片的零级光方向在入射光的对称方向，而一级光的方向在衍射片的法线方向附近。探测器就放在焦距为80mm的焦平面上，一级光在探测器的中心处叠加并生成杂乱无章的散斑图。

如图3所示，我们利用数值模拟方法模拟了入射光经过该衍射片的夫琅禾费衍射散斑图。

如图4所示，通过计算不同波长的散斑图的相关性，我们得到了随波长变化的相关系数曲线，根据统计原理，相关系数低于0.3属于弱相关。所以我们将相关系数为0.3时对应的波长间隔作为光谱测量系统的光谱分辨率判断，所以根据图中显示，在该实施例条件下的光谱测量系统的分辨率约为0.06n。

在实际应用中，入射光经过该反射式随机衍射片传播到探测器上的响应过程可以用以下的公式表达：

I_m＝T_mn·S_n

S_n表示的是具有n个光谱通道的输入信号的向量，I_m表示的是具有m个空间通道的输出信号的向量，T_mn表示系统光谱响应的传输矩阵。所以要想根据探测到的散斑分布反推入射信号，我们必须先标定好传输矩阵。

本发明还公开了一种光谱测试方法，基于上述的光谱测量装置，包括以下步骤：

所述光探测器获得待测光谱的散斑图案，利用多个标定波长光源分析所述散斑图像，获得光谱输出向量I。

建立光谱响应传输矩阵T_mn，对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵 T_mn的逆矩阵T_trunc ^-1。

其中，所述“建立光谱响应传输矩阵T_mn”，具体包括：

将感兴趣的波段范围平均的分成n份，每一份的中心波长分别为：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n；

采用可调谐光源依次发射中心波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n不同波长的入射光，所述光探测器采集不同波长入射光对应的散斑图像，即每调节一次可调谐光源的入射波长，就记录一次该波长对应的散斑图，并将此次获得的散斑图像的光谱数据作为传输矩阵的一列，通过调节可调谐光源，不断步进入射光的中心波长，最终形成标定好的传输矩阵T_mn。

其中，所述“对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵T_mn的逆矩阵 T_mn ^-1”，具体包括：

对于方程I_m＝T_mn·S_n，我们可以直接对方程求逆，就可以得到入射光谱，即 S＝T-1I，但是由于在实验噪声存在的情况下，传输矩阵的求逆是病态的，为此，我们可以将传输矩阵进行奇异值分解，T＝T＝UDV^T，U是一个N×N的酉矩阵，D 是一个由正实数组成的对角矩阵，对角矩阵的元素被称为传输矩阵的奇异值，V 是一个M×M的酉矩阵，V的行是输入奇异值向量，表示为Vj，U的列是输出奇异值向量，表示为Uj。为了求T的逆矩阵，我们取D的每个对角线元素的倒数，然后转置得到对角矩阵D’，那么T的逆矩阵可以表示为T^-1＝VD’U^T，在实验噪声存在的情况下，我们面临的问题是D中的小元素是最容易被实验噪声污染的元素，当把这些小元素取倒数时，在D’中他们将被有效放大，为了解决这个问题，采用截断反演方法。在此方法中，设定一个阈值D^T，D中大于这个阈值的元素取倒数，而小于这个值的元素用0代替，构成一个新的D’，D’的截断逆矩阵记为D’_trunc，由此可得到T_trunc ^-1＝VD’_truncU^T。

计算重构的入射光谱S，其中S＝T_trunc ^-1I。

阈值定义为D中最大元素的一个分数，例如当阈值为0.01时，将D中的最大值乘以0.01，D中所有小于0.01的值将在求逆过程被丢弃。所以在得到最优化的截断阈值后，只需要进行一次奇异值分解，得到截断矩阵T_trunc ^-1，然后通过一个矩阵乘法就可以恢复任意入射光谱。所以该方法简单易行，而且具有瞬时性，有助于本发明方便快捷地实现光谱重构。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种光谱测试方法，基于光谱测量装置，其特征在于，

所述光谱测量装置，包括：

反射式随机衍射片，所述反射式随机衍射片包括基板和镀反射膜的衍射光栅单元，所述基板上刻有多个衍射光栅单元，其中，单块所述衍射光栅单元内刻痕密度分布相同且刻痕倾斜方向相同，而任意两块所述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；

准直聚焦元件，其位于所述反射式随机衍射片的一侧，入射光经所述准直聚焦元件照射至所述反射式随机衍射片上，经所述反射式随机衍射片反射获得零级衍射光和一级衍射光，所述零级光经所述准直聚焦元件后会聚，所述一级衍射光经所述准直聚焦元件后形成散斑图案；

光探测器，其位于所述准直聚焦元件远离所述反射式随机衍射片的一侧，所述光探测器用于接收所述散斑图案；

所述光谱测量方法包括以下步骤：

所述光探测器获得待测光谱的散斑图案，利用多个标定波长光源分析所述散斑图像，获得光谱输出向量I；

建立光谱响应传输矩阵T_mn，对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵T_mn的逆矩阵T_trunc ^-1；

计算重构的入射光谱S，其中S＝T_trunc ^-1 I；

所述“建立光谱响应传输矩阵T_mn”，具体包括：

将感兴趣的波段范围平均的分成n份，每一份的中心波长分别为：λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n；

采用可调谐光源依次发射中心波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅......λ_n不同波长的入射光，所述光探测器采集不同波长入射光对应的散斑图像，即每调节一次可调谐光源的入射波长，就记录一次该波长对应的散斑图，并将此次获得的散斑图像的光谱数据作为传输矩阵的一列，通过调节可调谐光源，不断步进入射光的中心波长，最终形成标定好的传输矩阵T_mn；

所述“对所述传输矩阵求逆，获得光谱响应传输矩阵T_mn的逆矩阵T_mn ^-1”，具体包括：

令T＝UDV^T，U是一个N×N的酉矩阵，D是一个由正实数组成的对角矩阵，对角矩阵的元素被称为传输矩阵的奇异值，V是一个M×M的酉矩阵，V的行是输入奇异值向量，表示为V_j，U的列是输出奇异值向量，表示为U_j，为了求T_mn的逆矩阵，取D的每个对角线元素的倒数，然后转置得到对角矩阵D^’，那么T_mn的逆矩阵表示为T^-1＝VD^’U^T；

在实验噪声存在的情况下，设定一个阈值D^T，D中大于阈值D^T的元素取倒数，而小于这个值的元素用0代替，构成一个新的D^’，D^’的截断逆矩阵记为D^’ _trunc，由此可得到T_trunc ^-1＝VD^’ _truncU^T，所述光探测器位于所述准直聚焦元件的焦平面上，入射光源位于所述准直聚焦元件的焦平面上。

2.如权利要求1所述的光谱测试方法，其特征在于，所述零级光经所述准直聚焦元件后的聚焦点处与所述散斑图案之间设置有挡板，所述挡板为黑色挡板。

3.如权利要求1所述的光谱测试方法，其特征在于，所述准直聚焦元件为聚焦准直镜。

4.如权利要求1所述的光谱测试方法，其特征在于，所述光探测器为CCD或CMOS。

5.如权利要求1所述的光谱测试方法，其特征在于，所述反射式随机衍射片通过模板法制作。