CN111351758A - 一种光谱检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱检测方法及系统，首先通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；接着利用色散元件对球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；进一步将多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；之后由窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；最后对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。

Description

一种光谱检测方法及系统
技术领域
本发明涉及光学应用领域，尤其涉及一种光谱检测方法及系统。
背景技术
光谱仪器是应用光学技术、电子技术及计算机技术对物质的成分及结构等进行分析和测量的基本设备，广泛应用于环境监测、工业控制、化学分析、食品品质检测、材料分析、临床检验、航空航天遥感及科学教育等领域。
目前，传统光谱仪存在着结构复杂、使用环境受限、不便携带及价格昂贵等不足，无法满足现场检测和实时监控的需求。
发明内容
本发明实施例为了解决传统光谱仪所存在的种种问题，创造性地提出了一种光谱检测方法及系统。
根据本发明第一方面，提供了一种光谱检测方法，该方法包括：通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；利用色散元件对所述球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；所述多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；所述窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
根据本发明一实施方式，所述窄带光谱探测器包括表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器，或放置有波长转换器的光谱探测器。
根据本发明一实施方式，所述波长转换材料包括波长上转换涂层或波长下转换涂层；所述波长转换器包括波长上转换器或波长下转换器；其中，波长上转换涂层或波长上转换器用于将长波长光谱转换为特定波段的短波长光谱；波长下转换涂层或波长下转换器用于将短波长光谱转换为特定波段的长波长光谱。
根据本发明一实施方式，对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果，包括：基于所述窄带光谱探测器的不同位置对所形成的可接受光谱信号进行检测，得到不同波长的光学信号；根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
根据本发明一实施方式，根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度，包括：根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度；结合所述色散元件的光学特性，进一步根据多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度确定球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
根据本发明一实施方式，所述小孔光阑包括如下形状至少之一的通光孔：单独圆形、方形、长条形及其他异形。
根据本发明一实施方式，所述色散元件包括如下光学元件至少之一：光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、棱镜、具备微周期排列的光学元件。
根据本发明第二方面，还提供了一种光谱检测系统，该系统包括：小孔光阑，用于对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；色散元件，用于对所述球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；成像系统，用于对多阶光学信号进行成像，并成像至窄带光谱探测器；所述窄带光谱探测器，用于对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
本发明实施例光谱检测方法及系统，首先通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；接着利用色散元件对球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；进一步将多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；之后由窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；最后对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。如此，本发明使用上转换、下转换材料配合窄波段低成本探测器，再使用预准直照射光源、微纳光学色散元件、小孔滤波空间选频，将光谱信息首先衍射为空间分频的光场，通过对空间不同区域的光波频率进行相应转换，转换为窄波段探测器可接收的光信号后被该探测器接收，以实现宽光谱信息的探测、分析，实现高度集成化、全固态、高精度的光谱检测系统，整个系统结构更具模块化，使用更加方便灵活，可适合众多的现场检测、实时检测、低成本检测的应用需求。
需要理解的是，本发明的教导并不需要实现上面所述的全部有益效果，而是特定的技术方案可以实现特定的技术效果，并且本发明的其他实施方式还能够实现上面未提到的有益效果。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1示出了本发明实施例光谱检测方法的实现流程示意图；
图2示出了本发明一应用实例光谱检测原理框图；
图3出了本发明实施例光谱检测系统的组成结构示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为使本发明更加透彻和完整，并能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
图1示出了本发明实施例光谱检测方法的实现流程示意图；图2示出了本发明一应用实例光谱检测原理框图。
参考图1，本发明实施例光谱检测方法包括：操作101，通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；操作102，利用色散元件对球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；操作103，将多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；操作104，窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；操作105，对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
这里，被检测物体表面的散射光可以是通过配置的发光光源主动照射到被检测物体表面后的散射光，也可以是针对被测物体表面散射的环境光、自发辐射光等。其中，发光光源可以是LED光源、激光光源等。
在操作101，参考图2，P1为小孔光阑，被检测物体表面的散射光经过小孔光阑后，进入后续检测系统。小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，实现一近似点光源的球面波光场信号。
其中，小孔光阑的尺寸为DA，发散角为θA。所述小孔光阑P1可为单独圆形、方形、长条形以及异形等通光孔。
在操作102，参考图2，P2为色散元件，小孔光阑的球面波光场信号经过P2后，形成多阶光学信号，各阶光学信号具备色散状态。被探测的高阶信号的角谱宽度为θH。
具体地，球面波光场信号(即θA光)首先被P2衍射为多个级次，形成级次之间的分光。假设θH为级次N。级次N在偏转的同时，被P2的色散性质展宽为θH。θH是由一系列不同偏转角度的θA组成，每一个波长信号λ形成一个θAλ，多个离散或者连续的θAλ组合成θH。
这里，对θH反向追迹距离d1，每个θAλ会形成一个相应波长λ的小孔光阑虚像，宽度为AH＝f(θH，d1)，AH等效于θH与DA的卷积，即AH＝f(θH，d)*DA。所述色散元件P2可为光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、棱镜、具备微周期排列光学元件等。
在操作103，参考图2，P3为成像系统，P4为窄带光谱探测器。多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器，相当于将宽度为AH的小孔光阑成像至P4上。
这里，成像系统P3可以是透镜、透镜系统、菲涅尔透镜以及相互之间的组合的成像系统；光信号探测器可以是CMOS/CCD/光电池、光热致电阵列、热电堆阵列等器件。
在操作104，窄带光谱探测器包括表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器，或放置有波长转换器的光谱探测器。
具体地，所述波长转换材料包括波长上转换涂层或波长下转换涂层；所述波长转换器包括波长上转换器或波长下转换器；其中，波长上转换涂层或波长上转换器用于将长波长光谱转换为特定波段的短波长光谱；波长下转换涂层或波长下转换器用于将短波长光谱转换为特定波段的长波长光谱。
以表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器为例，参考图2，P5为波长上转换涂层，将长波长光谱转换为某种波段的短波长光谱，P5涂层涂敷在在P4的相应位置上；P6是波长下转换涂层，将短波长光谱转换为某种波段的长波长光谱，P6涂层涂敷在在P4的相应位置上。
具体地，参考图2，多阶光学信号，即θH光束经过成像系统P3后照射至P4，P4的不同位置检测到不同波长λ的光强信号信息，由于P4的光学属性会造成波长太长或太短的光谱无法被有效探测，超出P4探测范围的光谱信息会照射在P5或P6区域，进行波长的转换，形成P4可接收的光信号，进行相应检测。由于不同的空间位置代表着不同的波长范围，P5和P6处的光波长虽然被相应变换，但其光照位置没有改变，经过P4相应位置的探测单元探测后，仍可分析出该位置对应的波长区域的信号强度，即光谱仪的特性体现。
在操作105，首先基于所述窄带光谱探测器的不同位置对所形成的可接受光谱信号进行检测，得到不同波长的光学信号；再根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
其中，根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度包括：根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度；结合所述色散元件的光学特性，进一步根据多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度确定球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
具体地，参考图2，基于P4不同位置输出的信号强度，可以分析θH光中的光谱成分以及各光谱成分的相对强度，再结合P2的光学特性，由此可进一步计算出θA光谱成分以及各光谱成分的相对强度。即：SPCTRA(θH)＝f(P4，P3)；SPCTRA(θA)＝f(P2，P4，P3)。
本发明实施例光谱检测方法，首先通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；接着利用色散元件对球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；进一步将多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；之后由窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；最后对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。如此，本发明使用上转换、下转换材料配合窄波段低成本探测器，再使用预准直照射光源、微纳光学色散元件、小孔滤波空间选频，将光谱信息首先衍射为空间分频的光场，通过对空间不同区域的光波频率进行相应转换，转换为窄波段探测器可接收的光信号后被该探测器接收，以实现宽光谱信息的探测、分析，实现高度集成化、全固态、高精度的光谱检测系统，整个系统结构更具模块化，使用更加方便灵活，可适合众多的现场检测、实时检测、低成本检测的应用需求。
进一步地，基于如上文所述光谱检测方法，本发明实施例还提供了一种光谱检测系统，如图3所示，该系统30包括：小孔光阑301，用于对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；色散元件302，用于对所述球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；成像系统303，用于对多阶光学信号进行成像，并成像至窄带光谱探测器304；窄带光谱探测器304，用于对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
这里，小孔光阑位置与成像系统可以呈离轴放置，以通过色散元件将小孔光阑光信息转移到成像系统的同轴位置。另外，小孔光阑位置与成像系统也可以呈同轴状态，以通过色散元件将光信息成像至光探测器上进行光谱信号获取。
根据本发明一实施方式，窄带光谱探测器304包括表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器，或放置有波长转换器的光谱探测器。
根据本发明一实施方式，所述波长转换材料包括波长上转换涂层或波长下转换涂层；所述波长转换器包括波长上转换器或波长下转换器；其中，波长上转换涂层或波长上转换器用于将长波长光谱转换为特定波段的短波长光谱；波长下转换涂层或波长下转换器用于将短波长光谱转换为特定波段的长波长光谱。
根据本发明一实施方式，窄带光谱探测器304，具体用于基于所述窄带光谱探测器的不同位置对所形成的可接受光谱信号进行检测，得到不同波长的光学信号；根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
根据本发明一实施方式，窄带光谱探测器304，还用于根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度；结合所述色散元件的光学特性，进一步根据多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度确定球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
根据本发明一实施方式，所述小孔光阑包括如下形状至少之一的通光孔：单独圆形、方形、长条形及其他异形。
根据本发明一实施方式，所述色散元件包括如下光学元件至少之一：光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、棱镜、具备微周期排列的光学元件。
这里需要指出的是：以上对光谱检测系统实施例的描述，与前述图1和2所示的方法实施例的描述是类似的，具有同前述图1和2所示的方法实施例相似的有益效果，因此不做赘述。对于本发明光谱检测系统实施例中未披露的技术细节，请参照本发明前述图1和2所示的方法实施例的描述而理解，为节约篇幅，因此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括：
通过小孔光阑对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；
利用色散元件对所述球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；
将所述多阶光学信号经成像系统成像，并成像至窄带光谱探测器；
所述窄带光谱探测器对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；
对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窄带光谱探测器包括表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器，或放置有波长转换器的光谱探测器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述波长转换材料包括波长上转换涂层或波长下转换涂层；所述波长转换器包括波长上转换器或波长下转换器；其中，波长上转换涂层或波长上转换器用于将长波长光谱转换为特定波段的短波长光谱；波长下转换涂层或波长下转换器用于将短波长光谱转换为特定波段的长波长光谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果，包括：
基于所述窄带光谱探测器的不同位置对所形成的可接受光谱信号进行检测，得到不同波长的光学信号；
根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度，包括：
根据不同波长的光学信号的信号强度进行光谱分析，得到多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度；
结合所述色散元件的光学特性，进一步根据多阶光学信号中的光谱成分及各光谱的相对强度确定球面波光场信号的光谱成分及各光谱成分的相对强度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述小孔光阑包括如下形状至少之一的通光孔：单独圆形、方形、长条形及其他异形。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述色散元件包括如下光学元件至少之一：光栅元件、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件、棱镜、具备微周期排列的光学元件。
8.一种光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括：
小孔光阑，用于对被检测物体表面的散射光进行空间滤波，得到球面波光场信号；
色散元件，用于对所述球面波光场信号进行分光处理，形成多阶光学信号；
成像系统，用于对多阶光学信号进行成像，并成像至窄带光谱探测器；
所述窄带光谱探测器，用于对成像结果中无法被有效探测的光谱进行波长转换，形成可接受光谱信号；对所形成的可接受光谱信号进行光谱检测，得到光谱检测结果。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述窄带光谱探测器包括表面涂覆有波长转换材料的光谱探测器，或放置有波长转换器的光谱探测器。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，所述波长转换材料包括波长上转换涂层或波长下转换涂层；所述波长转换器包括波长上转换器或波长下转换器；其中，波长上转换涂层或波长上转换器用于将长波长光谱转换为特定波段的短波长光谱；波长下转换涂层或波长下转换器用于将短波长光谱转换为特定波段的长波长光谱。
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