CN110376180B - 一种基于led光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学领域，公开了一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法，包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块。其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块，通过LED激发拉曼信号，并利用特定的滤光片和光电探测器相结合，获得拉曼窄带测量信号；数据后处理模块通过光谱重建算法，从待测样本的拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率的拉曼测量，可有效解决由于LED的宽带较宽所导致的光谱分辨率较低的问题。该技术是以LED作为光源，由于LED具有价格便宜、寿命长、功耗低、体积小等特点，可用于构建低成本、便携式的拉曼测量系统，且所获得的拉曼测量具有较高的光谱分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，适用于拉曼光谱测量及成像技术，具体涉及一种基于发光二极管(LED)光源的高光谱分辨率的拉曼测量技术。
背景技术
拉曼光谱是一种非侵入性的振动光谱技术，通过利用光谱仪测量单色光子和分子之间的拉曼散射，获得有关分子振动的指纹信息，进而提取有关样品的生化信息。拉曼光谱已被广泛地应用于基础研究及工业实际应用中，包括材料科学、化学、地质学、生物学、医学等。基于上述拉曼光谱测量的原理，拉曼光谱测量系统通常需要窄带激光器作为激发光源以提供所需的单色光，并且需要光栅及线阵光电探测器或面阵光电探测器的结合来实现拉曼光谱的测量，导致拉曼光谱测量系统通常成本较高且体积较大，在很多实际应用中受到了限制。因此，一种成本低、便携性高的拉曼光谱测量技术具有重要的应用价值。
发光二极管(LED)是一种广泛应用于各种波长范围(从深紫外到红外)的光源，具有价格便宜、寿命长、功耗低、体积小等特点。这些特性有助于构建低成本、便携式的拉曼光谱测量系统。然而，LED的宽带通常远宽于窄带激光器，若使用LED代替窄带激光器作为激发光源，将导致拉曼峰的混叠，光谱分辨率会严重降低且造成大量拉曼指纹信息的丢失。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明旨在于提供一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统及方法。该系统通过使用LED作为激发光源，利用若干个特定的滤光片与光电探测器相结合并获得拉曼窄带测量信号，并利用光谱重建算法来重建高光谱分辨率的拉曼光谱。该方法可极大地降低拉曼测量系统的成本并提高其便携性。
具体技术方案为：一种基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，该系统包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块；其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块用于采集拉曼窄带测量信号，数据后处理模块用于从拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率拉曼光谱；基于LED光源的拉曼信号采集模块包括基于LED光源的拉曼信号激发光路及拉曼窄带测量的采集光路；所述的基于LED光源的拉曼信号激发光路包括位于同一光轴上的LED光源、准直镜、二向色镜；所述的拉曼窄带测量的采集光路包括依次布置的物镜、二向色镜、长波通滤光片、滤光转轮及光电探测器，拉曼窄带测量信号的采集光路的光轴与基于LED光源的拉曼信号激发光路光轴垂直；
所述的数据后处理模块，用于接收光电探测器采集的拉曼窄带测量信号，利用光谱重建方法恢复高光谱分辨率的拉曼光谱。
进一步地，上述的光电探测器为单通道光电探测器或面阵光电探测器；当采用单通道光电探测器，则获得单点的高光谱分辨率拉曼光谱；若采用面阵光电探测器，则获得测量区域的高光谱分辨率拉曼成像。
上述基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统的方法，包括步骤如下：
步骤一、LED光源经准直镜变成平行光束后，由二向色镜将光源反射到物镜上，光束经物镜聚焦后照射在样品上；
步骤二、源自样品的拉曼散射光通过二向色镜后由长波通滤光片滤除激发光源的光，通过滤光片转轮上特定的滤光片滤光后，由光电探测器接收并获得拉曼窄带测量信号；
步骤三、基于光电探测器所采集的拉曼窄带测量信号，通过计算机利用光谱重建方法恢复出高光谱分辨率的拉曼光谱。
进一步地，上述步骤二中，特定的滤光片利用遗传算法优化得到；该遗传算法的初始种群依次基于下述两个条件进行选择；具体条件如下：
条件一、滤光片组的所有光谱透过率应覆盖所有拉曼峰所在的波长范围；
条件二、强度变化较大的波长区域比强度变化较小的波长区域更为重要，所以对于强度变化较大的波长区域具有光谱透过率值更高的滤光片，在初始种群中的权重更高。
进一步地，上述步骤三中，高光谱分辨率的拉曼光谱的重建过程需要建立训练数据集，并通过权重维纳估算方法建立训练数据集中训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号之间关系的数学模型，最后基于该数学模型和待测样本的拉曼窄带测量重建高光谱分辨率的拉曼光谱。
本发明有益效果：本发明提供了一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量技术，由LED光源激发的拉曼信号通过特殊光谱透过率的带通滤光片和光电探测器后获得拉曼窄带测量信号，再由数据后处理模块用于从拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率的拉曼光谱，进而实现了由LED光源获得高光谱分辨率的拉曼测量。本发明将成本低、功耗低、寿命长、体积小的LED作为激发光源，可用于构建低成本、便携式的拉曼测量系统，且所获得的拉曼测量具有较高的光谱分辨率。
附图说明
图1是本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统的光路示意图；
图中：1 LED光源；2准直镜；3样品；4物镜；5二向色镜；6长波通滤光片；7反射镜；8滤光片转轮；9光电探测器；10计算机。
图2是本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量技术的光谱重建流程示意图。
图3是本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量技术所使用的滤光片的光谱透过率。本示例中的滤光片的光谱透过率是针对血清样本的拉曼光谱进行选择和优化后的光谱透过率。
图4是基于窄带激光所采集的血清样本的高光谱分辨率拉曼光谱。
图5是基于带宽为10nm的LED光源所采集血清样本的拉曼光谱。
图6是本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量技术所获得的血清样本的高光谱分辨率拉曼光谱。本示例中所用的LED光源的带宽为10nm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。
本发明的装置的示意图如图1所示，一种基于LED光源的高光谱分辨率的拉曼测量系统。该系统包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块。其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块用于采集拉曼窄带测量信号，数据后处理模块用于从拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率拉曼光谱。基于LED光源的拉曼信号采集模块包括基于LED光源的拉曼信号激发光路及拉曼窄带测量信号的采集光路。所述的基于LED光源的拉曼信号激发光路包括位于同一光轴上的LED光源1、准直镜2、二向色镜5；所述的拉曼窄带测量的采集光路包括依次布置的物镜4、二向色镜5、长波通滤光片6、滤光转轮8及光电探测器9，拉曼窄带测量信号的采集光路的光轴与基于LED光源的拉曼信号激发光路光轴垂直；所述的数据后处理模块，用于接收光电探测器9采集的拉曼窄带测量信号，利用光谱重建方法恢复高光谱分辨率的拉曼光谱。
上述基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统的方法，包括步骤如下：
步骤一、LED的光源1经准直镜2变成平行光束后由二向色镜5将光源反射到物镜4上，光束经物镜4聚焦后照射在样品3上；
步骤二、源自样品3的拉曼散射光通过二向色镜5后由长波通滤光片6滤除激发光源的光，经反光镜7反射并由滤光片转轮8上特定的滤光片滤光后，由光电探测器9接收并获得拉曼窄带测量信号；
步骤三、基于光电探测器9所采集的拉曼窄带测量信号，通过计算机10利用光谱重建方法恢复出高光谱分辨率的拉曼光谱。
在本实施例中，所述步骤二中，特定的滤光片可利用遗传算法基于下述两个条件进行选择和优化，针对血清样本的拉曼光谱优化后的光谱透过率如图3所示。具体条件如下：
1滤光片组的所有光谱透过率应覆盖所有拉曼峰所在的波长范围；
2强度变化较大的波长区域比强度变化较小的波长区域更为重要，所以对于强度变化较大的波长区域具有光谱透过率值更高的滤光片，在初始种群中的权重更高。
在本实施事例中，所述步骤三中，高光谱分辨率的拉曼光谱是通过光谱重建算法重建获得，具体步骤如下：
1)建立训练数据集。其中，训练数据集包括训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱(如图4所示)和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号。
2)利用维纳估计方法获得重建的拉曼光谱。首先，利用公式(1)建立训练数据集中基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱r和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号m之间关系的数学模型，即维纳矩阵W。
W＝E(rmT)[E(mmT)]-1 (1)
其中，上标“T”表示矩阵转置，上标“-1”表示矩阵的逆，E()表示总体均值。随后，重建的拉曼光谱R可利用公式(2)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得。
R＝Wn (2)
3)利用公式(3)计算训练数据集中每组训练样本所对应的权重值wi。
其中di是重建的拉曼光谱R和训练数据集中第i组训练样本的基于窄带激光所采集的的高光谱分辨率拉曼光谱ri之间的差异，n是训练数据集中样本的个数。
4)基于上述权重值，利用权重维纳估计方法获得重建的高光谱分辨率拉曼光谱。首先，利用上述权重值和公式(4)，对训练数据集中第i组训练样本的高光谱分辨率拉曼光谱ri和拉曼窄带测量信号mi赋予权重wi，并建立其之间关系的数学模型，即权重维纳矩阵
随后，重建的高光谱分辨率拉曼光谱
(如图6所示)可利用公式(5)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得。
对比于图5中基于带宽为10nm的LED光源所采集血清样本的拉曼光谱，本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量技术所获得的血清样本的拉曼光谱(如图6所示)在光谱分辨率上具有显著提升，且与基于窄带激光所采集的血清样本的高光谱分辨率拉曼光谱(如图4所示)基本一致。由此可见，本发明基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量技术可实现准确且光谱分辨率高的拉曼测量。
在本实施实例中，一种基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，若采用单通道光电探测器，则可获得单点的高光谱分辨率拉曼光谱；若采用面阵光电探测器，则可获得测量区域的高光谱分辨率拉曼成像。
Claims (3)
1.一种基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统，其特征在于，该系统包括基于LED光源的拉曼信号采集模块和数据后处理模块；其中，基于LED光源的拉曼信号采集模块用于采集拉曼窄带测量信号，数据后处理模块用于从拉曼窄带测量信号重建高光谱分辨率拉曼光谱；所述数据后处理模块中利用的光谱重建方法，具体步骤如下：
步骤一、建立训练数据集；训练数据集包括训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号；
步骤二、利用维纳估计方法获得重建的拉曼光谱；首先，利用公式(1)建立训练数据集中基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱r和基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号m之间关系的数学模型，即维纳矩阵W；
W＝E(rmT)[E(mmT)]-1 (1)
其中，上标“T”表示矩阵转置，上标“-1”表示矩阵的逆，E()表示总体均值；随后，重建的拉曼光谱R利用公式(2)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得；
R＝Wn (2)
步骤三、利用公式(3)计算训练数据集中每组训练样本所对应的权重值wi；
其中di是重建的拉曼光谱R和训练数据集中第i组训练样本的基于窄带激光所采集的高光谱分辨率拉曼光谱ri之间的差异，n是训练数据集中样本的个数；
步骤四、基于权重值wi，利用权重维纳估计方法获得重建的高光谱分辨率拉曼光谱；首先，利用权重值wi和公式(4)，对训练数据集中第i组训练样本的高光谱分辨率拉曼光谱ri和拉曼窄带测量信号mi赋予权重wi，并建立其间关系的数学模型，即权重维纳矩阵
随后，重建的高光谱分辨率拉曼光谱
利用公式(5)以及待测样本的基于LED光源所采集的拉曼窄带测量信号n获得
基于LED光源的拉曼信号采集模块包括基于LED光源的拉曼信号激发光路及拉曼窄带测量信号的采集光路；所述的基于LED光源的拉曼信号激发光路包括位于同一光轴上的LED光源(1)、准直镜(2)、二向色镜(5)；所述的拉曼窄带测量的采集光路包括依次布置的物镜(4)、二向色镜(5)、长波通滤光片(6)、滤光片转轮(8)及光电探测器(9)，拉曼窄带测量信号的采集光路的光轴与基于LED光源的拉曼信号激发光路光轴垂直；
所述的数据后处理模块，用于接收光电探测器(9)采集的拉曼窄带测量信号，利用光谱重建方法恢复高光谱分辨率的拉曼光谱；所述的光电探测器(9)为单通道光电探测器或面阵光电探测器；当采用单通道光电探测器，则获得单点的高光谱分辨率拉曼光谱；若采用面阵光电探测器，则获得测量区域的高光谱分辨率拉曼成像。
2.根据权利要求1所述基于LED光源的高光谱分辨率拉曼测量系统的测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1、LED光源(1)经准直镜(2)变成平行光束后，由二向色镜(5)将光源反射到物镜(4)上，光束经物镜(4)聚焦后照射在样品(3)上；
步骤2、源自样品(3)的拉曼散射光通过二向色镜(5)后由长波通滤光片(6)滤除激发光源的光，通过滤光片转轮(8)上的滤光片滤光后，由光电探测器(9)接收并获得拉曼窄带测量信号；
步骤3、基于光电探测器(9)所采集的拉曼窄带测量信号，通过计算机(10)利用光谱重建方法恢复出高光谱分辨率的拉曼光谱。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，滤光片转轮(8)上的滤光片利用遗传算法优化得到；该遗传算法的初始种群依次基于下述两个条件进行选择；具体条件如下：
条件一、滤光片组的所有光谱透过率应覆盖所有拉曼峰所在的波长范围；
条件二、强度变化较大的波长区域比强度变化较小的波长区域更为重要，所以对于强度变化较大的波长区域具有光谱透过率值更高的滤光片，在初始种群中的权重更高。
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