CN114252153A - 一种微型光谱仪模组及实现微型光谱仪模组高分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法和基于这种方法的微型光谱仪模组的实施例。所述方法涉及对微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构。所述的预置校准的特征在于以波长可调、输出功率稳定可控的准单色光源为校准光源来获取预置校准信息。基于本发明提供的方法的微型光谱仪模组，其光学系统包括一个光阑、两个单透镜、一个光栅和一个探测器阵列，其特征为它兼具小尺寸、低成本和高分辨率。

Description

一种微型光谱仪模组及实现微型光谱仪模组高分辨率的方法

技术领域

本发明涉及微型光谱仪，尤其是涉及使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法和基于这种方法的微型光谱仪模组的实施例。

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器，广泛应用于材料工程、冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境监测、宇宙探索、军事侦察等领域。其中，光栅光谱仪是现行最常见的光谱仪。实验室级别的专业型光栅光谱仪一般都体积较大、价格昂贵，且其性能(如光谱分辨率等)一般随其光学系统的缩小而减弱。目前市场上一些称作微型光谱仪的设备(如以OceanOptics、Avantes等公司相关产品为代表)，是以降低分辨率等性能为代价的、小型化的阵列检测型光栅光谱仪，其尺寸也大约在十厘米级别。

近年来，随着信息技术的发展、生产生活智能化、和人们对食品安全、环境污染、医疗健康等需求的增长，低成本微型光谱仪模组受到关注。其应用目标向作为智能化设备、分布式检测设备和消费类电子产品的传感组件的运用来发展。

在此应用需求背景下，有国外公司(如日本滨松、美国德州仪器、埃及NeoSpectra)开发了基于微光学系统和微机电系统(MEMS)的微型光谱仪模组。这类微型光谱仪模组的核心光学组件尺寸可小到约厘米级别，但它们还是基于传统光谱仪的原理(如光栅分光或干涉仪分光)，以性能为代价缩小尺寸。其制造过程中对微加工技术的要求很高，成本较高；其性能(如分辨率、光谱范围和灵敏度等方面)比传统的微型光谱仪也还是要差很多。

同时，人们发展了一些其它类型的微型光谱仪模组，它们涉及到以微纳光学结构和元件作为色散元件，例如：基于滤光器阵列、具有随机结构的光学元件、具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构、等等。这些微型光谱仪模组的性能主要受限于微纳光学结构和元件的光学特性的制约，相关技术和产品仍不成熟。相对来说，基于光栅分光的微型光谱仪的技术还是较为成熟。

目前，基于光栅分光的微型光谱仪的性能主要依赖于其硬件系统；提高其性能一般从其内部光学元件、光路系统、内部架构、制造工艺和后端数据处理等方面进行改良。并为了进一步小型化，将微型光谱仪模组化，使微型光谱仪模组主要包括其光路和光电系统，而数据处理和控制系统、及终端设备等通过外部设备来实现。但这些措施仍不改变其性能受制于所涉及器件和硬件系统在物理上的原理性制约。

发明内容

本发明提供了一种使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，该方法涉及对所述微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构。

本发明提供了对所述微型光谱仪模组进行预置校准和光谱重构的装置与方法。

本发明提供了基于所述实现高分辨率方法的一种低成本、小尺寸、高分辨率的微型光谱仪模组的装置及其实施方法。

本发明实施例涉及的微型光谱仪模组至少包括有色散元件和探测器阵列。

所述的色散元件为光栅、棱镜，或为如滤光器阵列、衍射和干涉微光学元件、具有随机结构的光学元件、及基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构等。

所述的探测器阵列由多个探测器单位像素构成的一维或二维阵列。所述探测器阵列中的多个探测器单位像素的分布可被规划为多个探测器单元，即每个探测器单元包含有一个或多个探测器单位像素。

本发明所述的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，需要对所述微型光谱仪模组在完成制造和封装后首先对其进行预置校准，以获得不同波长的准单色光在被所述微型光谱仪模组接收后在探测器阵列上的光学响应所产生的信号；然后再运用于对目标物的光谱检测中，获得在测试条件下来自目标物的信号光在微型光谱仪模组的探测器阵列上的光学响应所产生的信号；最后，结合预置校准信息和对目标物的测试信息，通过数据处理和光谱重构计算，获得对来自目标物的信号光的光谱。

本发明实施例中所涉及的预置校准测试系统包括：校准光源；被校准的微型光谱仪模组；以及与所述微型光谱仪模组相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等设备。

所述校准光源为波长可调的准单色光源，即在所述微型光谱仪模组的工作波段范围内可以提供波长可调、输出功率稳定的准单色光。所述准单色光具有较窄的光谱线宽和较小的可调波长间隔，且其波长位置较为均匀地分布在所述微型光谱仪模组的工作波段范围内。

所述校准光源可为由多个具有不同波长的准单色光源构成的波长可调的准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同波长的准单色光输出的光源。

所述校准光源也可基于标准宽带光源、用可调单色仪或可调滤光器来获得具有不同波长的准单色光。

在对所述微型光谱仪模组的预置校准测试中，将校准光源输出的具有不同波长的准单色光分别输入所述微型光谱仪模组，并通过信号处理系统记录由所述微型光谱仪模组中的探测器阵列所产生的用以表征其中各个探测器单元所接收到的光信号强度的数字信号。

在上述预置校准测试中，对应于校准光源的具有不同波长的准单色光的输出功率、以及由信号处理系统接收到的由各个探测器单元等部件所产生的数字信号所表征的光的强度、及其它相关信息为预置校准信息。该预置校准信息唯一对应于单个具体的被校准的微型光谱仪模组。该预置校准信息需要保存，以在使用该微型光谱仪模组进行光谱检测时的光谱重构计算中调用。

在使用所述微型光谱仪模组对来自目标物的信号光的光谱检测中，来自目标物的信号光被所述微型光谱仪模组采集后，亦通过其信号处理系统记录所述其中各个探测器单元所接受到的光信号强度所对应的数字信号。基于所使用的微型光谱仪模组的预置校准信息和该测试中所产生的对应于各个探测器单元所接受到的光信号的数字信号，通过数据处理算法，实现对被测信号光的光谱重构。

基于本发明所述方法的微型光谱仪模组所能实现的最高光谱分辨率将在很大程度上决定于所述校准光源输出的各准单色光的光谱线宽和波长间隔。

本发明所述的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，不仅在于通过突破由于所述微型光谱仪模组中的光路系统尺寸缩小对分光后不同波长光波在探测器阵列上聚焦成像时衍射效应对光学分辨率的制约，而且还在于突破所述微型光谱仪模组中有关光学元件在准直和聚焦成像中的像差对其光谱分辨率的影响。

本发明所述的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，可使对所述微型光谱仪模组中如准直和聚焦成像等光学元件的要求降低，有利于降低所述微型光谱仪模组的成本。

基于本发明所述的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，本发明同时提供一种基于尽量少数目、性能要求不太高的光学元件所构成的尺寸很小的微型光谱仪模组装置及其实现方法。该微型光谱仪模组具有尺寸小、低成本和高分辨率的特点。

本发明的主要特征和优点说明如下：

本发明提供的方法使微型光谱仪模组在缩小尺寸同时克服其光学系统的制约具有高分辨率。

本发明提供的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，需要对所述微型光谱仪模组在完成制造和封装后进行预置校准，且在使用中通过结合预置校准信息来进行计算以实现光谱重构。

本发明提供的方法使微型光谱仪模组的光谱分辨率不仅仅决定于其硬件光学系统，而且还决定于校准光源中的准单色光及对其响应等相关信息、以及光谱重构算法。

通过本发明提供的预置校准方法所获取的预置校准信息，还隐形地包含了所对应的微型光谱仪模组内部各个部分或元部件的光学响应(包括像差等)和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响。

本发明提供的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，可使对所述微型光谱仪模组中光学元件和光路的要求降低，从而降低系统的硬件成本。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的微型光谱仪模组的基本构成示意图。

图2是本发明实施例涉及的微型光谱仪模组测试系统的示意图。

图3是对本发明实施例涉及的微型光谱仪模组的预置校准测试系统的示意图。

图4是根据本发明实施例的预置校准测试系统中的校准光源的示意图。其中：(a)所述校准光源基于波长可调准单色光源；(b)所述校准光源基于标准宽带光源，用可调单色仪来获得准单色光；(c)所述校准光源基于标准宽带光源，用可调滤光器来获得准单色光。

图5是根据本发明实施例的微型光谱仪模组中的探测器阵列中的诸探测器单位像素规划为探测器单元的示意图。图中浅色小网格表示探测器单位像素，深色大网格表示由若干探测器单位像素构成的探测器单元。其中：(a)将一维探测器阵列中的多个探测器单位像素规划到各个探测器单元；(b)将二维探测器阵列中的多列探测器单位像素规划到沿x方向分布的各个探测器单元；(c)将二维探测器阵列中的多个探测器单位像素规划到二维分布的各个探测器单元。

图6是根据本发明实施例的具有一维探测器阵列的微型光谱仪模组在预置校准测试中的(a)校准光源输出的不同波长λ_i的准单色光的光谱I_ci(λ)和(b)它们在一维探测器阵列上所产生信号的强度分布C_j(λ_i)的示意图。

图7是根据本发明实施例的具有一维探测器阵列的微型光谱仪模组在测试中进行光谱重构的示意图。其中：(a)示出信号光光谱s(λ)和校准光源输出的不同波长的准单色光的光谱I_ci(λ)；(b)示出信号光中不同波长的准单色光成分在一维探测器阵列上所产生信号的强度分布C_j(λ_i)s(λ_i)，以及信号光中所有不同波长的准单色光成分在探测器阵列上共同产生信号的强度分布r(x_j)。(a)中信号光光谱s(λ)中有两个谱峰的中心波长间距Δλ小于所述微型光谱仪硬件系统提供的波长分辨率R₀，即Δλ_a>R₀；且另有两个谱峰的中心波长间距Δλ_b<R₀。

图8是根据本发明实施例的具有一维探测器阵列的微型光谱仪模组中的聚焦元件存在像差、且信号光谱峰间距不同的情况下，在一维探测器阵列上成像的信号强度分布示意图。在此设信号光通过入射光阑后在探测器阵列上的成像高度较探测器阵列在y方向的高度大的多。其中：(a)示出具有窄谱峰的多个信号光光谱s_a(λ)、s_b(λ)和s_b(λ)，其中s_a(λ)和s_b(λ)中的谱峰间距Δλ_a,Δλ_b>R₀，s_c(λ)中的谱峰间距Δλ_c<R₀；(b)示出(a)中各个信号光在一维探测器阵列上成像的信号强度r_j的分布示意图。信号光s_b(λ)和s_c(λ)成像在探测器阵列上较为远离光轴中心处，存在明显的像差。

图9是根据本发明实施例的具有二维探测器阵列的微型光谱仪模组在预置校准测试中的(a)校准光源输出的不同波长的准单色光的光谱I_ci(λ)、以及(b,c)它们在探测器阵列上所产生信号的强度分布C_j(λ_i)的示意图。在此设信号光通过入射光阑后能完全成像在二维探测器阵列中，且成像在探测器阵列上较为远离光轴中心处时存在明显的像差。

图10是根据本发明实施例的具有二维探测器阵列的微型光谱仪模组在当信号光谱峰间距不同时在探测器阵列上成像的信号强度分布示意图。在此设信号光通过入射光阑后能完全成像在二维探测器阵列上，且成像在探测器阵列上较为远离光轴中心处时存在明显的像差。其中：(a)示出具有窄谱峰的多个信号光光谱s_a(λ)、s_b(λ)和s_c(λ)，其中s_a(λ)和s_b(λ)中的谱峰间距Δλ_a,Δλ_b>R₀，s_c(λ)中的谱峰间距Δλ_c<R₀；(b)示出(a)中各个信号光在二维探测器阵列上成像的信号强度r_j的分布示意图。信号光s_b(λ)和s_c(λ)成像在探测器阵列上较为远离光轴中心处，存在明显的像差。

图11是根据本发明实施例的一种微型光谱仪模组的结构示意图。其中：(a)中用反射式光栅；(b)中用透射式光栅。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

以下实施例为示范性实施例，它们可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例的描述中，如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”；对于准单色光的“波长”的表述意指准单色光的“中心波长或峰值波长”。

图1示出本发明实施例涉及的微型光谱仪模组100的基本构成，包括有：入射光阑110、准直元件120、色散元件130、聚焦元件140和探测器阵列150。

所述入射光阑110通常为制备在不透光材料薄板或薄膜中的透光通孔或狭缝，如为长宽比较大的长方形通孔等。

所述准直元件120和聚焦元件140为单透镜、胶合透镜、由多个透镜组成的透镜组、凹面镜、或由透镜和凹面镜组成的光路。

所述色散元件130为光栅或棱镜。

所述准直元件120、色散元件130和聚焦元件140中的其中两个或三个可以集成于同一个光学元件上，如为具有表面光栅结构的凹面反射镜。

所述探测器阵列150为由多个探测器单位像素构成的一维或二维阵列。

图2示出本发明实施例涉及的微型光谱仪模组的测试系统，包括有：微型光谱仪模组100、信号处理系统210、控制系统220和输入/输出终端230。

如图2所示，待测信号光通过入射光阑110进入微型光谱仪模组100后，在其中的探测器阵列150上成像并被其转换为电信号，此电信号经过预处理并被转换为数字信号后发送到信号处理系统210进行进一步的处理和分析，控制系统220对微型光谱仪模组100中的探测器阵列150和其它部件的工作状态进行控制，整个系统的控制指令、检测数据和状态通过输入/输出终端来进行输入和显示。

图3示出对本发明实施例涉及的微型光谱仪模组100的预置校准测试系统。其中校准光源300为预置校准提供波长可调、输出功率稳定的准单色光。

图4示出了所述校准光源300的如下几种实现方式：

如图4(a)中所示，所述校准光源300为波长可调准单色光源310。波长可调准单色光源310可基于半导体发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的阵列光源来实现(所述阵列光源在其不同单元内发射出具有不同波长的准单色光)，或基于通过调谐内部谐振腔参数获得具有不同波长的准单色光输出的可调谐激光光源来实现。

如图4(b)和图4(c)中所示，所述校准光源300为基于标准宽带光源320、用可调单色仪321或可调滤光器322来获得具有不同波长的准单色光的光源。

所述标准宽带光源320可为如氙灯、氘灯、卤素灯(包括溴钨灯、碘钨灯等卤钨灯)等宽带光源，或基于荧光发光的宽带光源，或为上述几种光源的组合光源。

所述可调单色仪321为包括有色散元件(如光栅、棱镜等)的单色仪。

所述可调滤光器322为包括有可调光学谐振腔、可调光学干涉仪的滤光器，或为由多个窄带滤光器所组成的可调滤光器。

图5示出如果探测器阵列150中的探测器单位像素的尺寸很小，可根据需要将其中的若干探测器单位像素规划为一个探测器单元1500。如图5(a)中所示，将一维探测器阵列中的多个探测器单位像素1510规划为一个探测器单元1511；如图5(b)中所示，将二维探测器阵列中的一列或多列探测器单位像素1520规划为一个探测器单元1521，使之成为相当于一维探测器阵列；如图5(c)中所示，将二维探测器阵列中的多个探测器单位像素1520规划为一个探测器单元1522，使之成为一个具有更大单元尺寸的二维探测器阵列。此处所述方法，在当探测器单位像素的尺寸没必要地过小时，可有利于减少后端数据处理计算中的数据量。

下面简要说明对根据本发明实施例的微型光谱仪模组进行预置校准和对信号光进行光谱检测的方法。

设定根据本发明实施例的微型光谱仪模组100的硬件系统已经完成制造和封装。

设在所述微型光谱仪模组100的工作波段内，校准光源300输出的准单色光的波长为λ_i(i＝1,2,…,L；此处L为工作波段内准单色光波长数目)，且该准单色光对应的输出功率为P_c(λ_i)。设波长在λ_i处的准单色光的归一化的光谱曲线为I_ci(λ)，则可有P_c(λ_i)＝A(λ_i)I_ci(λ)，其中A(λ_i)为对应于各准单色光的归一化常数。

参照图3所示，在来自校准光源300的具有不同波长λ_i的准单色光分别输入的情况下，微型光谱仪模组100中的探测器阵列150中的各个探测器单元1500(视不同情况，可为如图5中所示的探测器单元1511、1521或1522)所产生的电信号经预处理和模数(A/D)转换后输出到信号处理系统210的对应于各个探测器单元1500所接收到的校准光信号强度的数字信号所表征的强度为c_0j(λ_i)(j＝1,2,…,K；此处K为探测器阵列150中探测器单元1500的数目)。并设c_j(λ_i)＝c_0j(λ_i)/P₀(λ_i)为对应于各个探测器单元1500的相对于校准光源输出准单色光功率的校准信号强度。

在此需要说明的是，预置校准信息除了包括校准光源300输出准单色光的信息、以及校准光源300输出准单色光在输入微型光谱仪模组100后所产生的校准信号强度的信息，还包括预置校准测试系统中控制系统220对微型光谱仪模组100中探测器阵列150所设定的积分时间(或称曝光时间)。一般来说，探测器阵列150中各个探测器单元1500所接收到的光子数目与积分时间成正比。在此，设在预置校准测试中设定的探测器阵列150的积分时间为t_c。

经过上述预置校准后所获得的预置校准信息可保存在所对应的微型光谱仪模组内或与之绑定的信号处理系统等的存储器中，以在应用测试中进行光谱重构计算时调用；或保存于远程服务器的数据存储系统等，通过对所对应的微型光谱仪模组设定的设备编号来进行索引和调用。

参照图2所示，在光谱测试中，设通过控制系统220设置的微型光谱仪模组100中的探测器阵列150的积分时间为t_r；当来自目标物的待测信号光被微型光谱仪模组100采集后，在信号处理系统210获得对应于各个探测器单元1500所接收到的信号光强度的数字信号所表征的强度为r_0j(j＝1,2,…,K)。考虑到探测器阵列150积分时间的不同对所产生的信号强度的影响，设r_j＝r_0j(t_r/t_c)。则来自待测目标物的信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的公式来对其离散解s(λ_i)进行计算。

或写为：R＝CS，其中：R＝[r_j]^T，C＝[c_j(λ_i)]，S＝[s(λ_i)]^T。上式中也可引入一个噪声项N＝[n_j]^T，从而使上式写为：R＝CS+N。

在此说明，上式中矩阵R、C和S乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数不改变上述公式的意义和适用性。

从前面描述可以看出，此处矩阵C和R所表示的校准和测试数据中包含了所对应的微型光谱仪模组100内部各个部分或元部件的光学响应和光电转换因素、在制造过程中的结构件偏差和各个部分间的对准偏差、以及其它一些不可控、不明确因素对光谱测试的综合影响。

在对上式的求解过程中，如果L＝K，理论上可通过求解C的逆矩阵来计算离散的实际光谱S＝C^-1R。但在许多情况下，希望基于有限的探测器单元数目K，通过预置校准时在工作波段内用间隔更小、线宽更窄的准单色光(即具有更大的校准波长数目L)来进行校准，以获得具有更高分辨率的测试光谱；于是将有K<L。在这种情况下，需要通过求解C的伪逆矩阵来计算实际光谱S；但是在这种情况下，受系统中噪声和各种不可控因素的影响，可能会导致计算结果存在一定的不稳定性。在上面矩阵方程的实际数值求解过程中，往往通过对||CS-R||²的最小化来算得具有最小误差的实际光谱S。具体实施中，有关问题可以通过其它更优良的算法来进行改进。

下面示意性地举例说明根据本发明实施例的微型光谱仪模组100在预置校准和对信号光进行光谱测试中相关数据的表现及相互关系。

图6至图8反映的是根据本发明实施例的具有一维探测器阵列150的微型光谱仪模组100在预置校准和对信号光进行光谱测试中的情况。

图6(a)示出在预置校准时具有不同波长λ_i的各个准单色光的归一化的光谱曲线I_ci(λ)，及其相应的线宽δλ_i和相邻准单色光间的波长间隔Δλ_i。图6(b)示出在预置校准时具有不同波长λ_i的各个准单色光在一维探测器阵列150的各个探测器单元1500(1511或1521)上所产生的相应信号的强度分布c_j(λ_i)，及其相应的分布宽度δx_i和相邻信号强度分布的中心位置之间的间隔Δx_i。一般来说，Δx_i和Δλ_i之间存在依赖于微型光谱仪模组100中光学系统的光学成像分辨率的对应关系。设所述微型光谱仪模组100中光学系统提供的波长分辨率为R₀，则在Δλ_i<R₀时，相邻的信号强度分布c_j(λ_i)之间会有重叠。

图7是具有一维探测器阵列150的微型光谱仪模组100对信号光进行光谱测试时相关信号的强度分布示意图。其中，图7(a)示出被测信号光的实际光谱s(λ)，其中有两组相邻谱峰具有不同的峰值波长间隔(即Δλ_a>R₀；Δλ_b<R₀)，以及在该微型光谱仪模组100进行预置校准时各个准单色光的归一化的光谱曲线I_ci(λ)。图7(b)示出在对信号光光谱测试中，信号光中不同波长的准单色光成分在一维探测器阵列上所产生信号的强度分布C_j(λ_i)s(λ_i)，以及信号光中所有不同波长的准单色光成分在探测器阵列1500上共同产生信号的强度分布r(x_j)。可以看出，当Δλ_b<R₀时，该波段内信号光在探测器阵列上产生的信号强度分布曲线中已不能分辨对应的相邻谱峰；但是，基于本发明所提供的方法，结合预置校准信息，通过数据处理算法可以实现对该相邻谱峰的分辨和实际光谱的高准确度重构。

图8是具有一维探测器阵列150的微型光谱仪模组100中的聚焦元件140在存在像差、且信号光谱峰间距不同的情况下，在一维探测器阵列上成像的信号强度分布示意图。在此设信号光通过入射光阑110后在探测器阵列150上的成像高度比探测器阵列150在y方向的高度大的多。其中，图8(a)示出具有窄谱峰的多个信号光光谱s_a(λ)、s_b(λ)和s_b(λ)，其中s_a(λ)和s_b(λ)中的谱峰间距Δλ_a,Δλ_b>R₀，s_c(λ)中的谱峰间距Δλ_c<R₀；图8(b)示出图8(a)中各个信号光在一维探测器阵列上成像的信号强度r_j的分布示意图。信号光s_b(λ)和s_c(λ)成像在探测器阵列上较为远离光轴中心处，存在较大的像差。

图9和图10反映的是根据本发明实施例的具有二维探测器阵列150的微型光谱仪模组100在预置校准和对信号光进行光谱测试中的情况。其中，设当入射光阑110在对应于探测器阵列150的高度方向(如图中所标y方向)上的尺寸相对较小、在微型光谱仪模组100内光路系统在对应的高度方向上有足够的聚焦作用、或二维探测器阵列150在其高度方向(y方向)上尺寸较大时，信号光通过入射光阑110后能完全成像在二维探测器阵列150上。此外，并设在微型光谱仪模组100中的聚焦元件140没有选用消像差光学成像元件，信号光通过入射光阑110后成像在探测器阵列150上较为远离光轴中心处时存在较大的像差。

图9(a)示出在预置校准时波长λ_i不同的各个准单色光的归一化的光谱曲线I_ci(λ)，及其相应的线宽δλ_i和相邻准单色光间的波长间隔Δλ_i。图9(b)和9(c)示出在预置校准时波长λ_i不同的各个准单色光在二维探测器阵列150的各个探测器单元1500(1522)上所产生的相应信号的强度分布c_j(λ_i)。

图10是图9中所述微型光谱仪模组100对具有不同谱峰间距的信号光光谱进行测试时在二维探测器阵列150上成像的信号强度分布示意图。其中，图10(a)示出具有窄谱峰的多个信号光光谱s_a(λ)、s_b(λ)和s_b(λ)，其中s_a(λ)和s_b(λ)中的谱峰间距Δλ_a,Δλ_b>R₀，s_c(λ)中的谱峰间距Δλ_c<R₀；图10(b)示出图10(a)中各个信号光在二维探测器阵列150上成像的信号强度r_j的分布示意图。信号光s_b(λ)和s_c(λ)成像在探测器阵列150上较为远离光轴中心处，存在较大的像差。

传统光谱仪中聚焦元件的像差会严重影响其光谱测试的分辨率，因此对聚焦元件有较高要求，且一般通过凹面镜的镜面形状的优化设计或用消像差的透镜或透镜组来减小像差对光谱分辨率的影响。但是，基于本发明所提供的方法，微型光谱仪模组内光学系统成像的像差的影响在预置校准测试和应用测试中都被涉及，且像差的影响被包含在预置校准信息中。于是，在其应用测试中，结合预置校准信息，通过数据处理算法可以在相当程度上消除其影响，从而实现对实际光谱的高分辨率重构。在此光谱重构中，数据处理算法和噪声将成为影响所述微型光谱仪模组分辨率的重要因素。

本发明提供的使微型光谱仪模组实现高分辨率的方法，不仅在于通过突破由于所述微型光谱仪模组中的光路系统尺寸缩小对分光后不同波长光波在探测器阵列上聚焦成像时的衍射效应对光学分辨率的制约，而且还在于突破所述微型光谱仪模组中有关光学元件在准直和聚焦成像中的像差对其光谱分辨率的影响。从而，可以降低微型光谱仪模组中有关光学元件的数目和性能要求，且使其仍可具有一定的高分辨率。

据此，本发明提出如图11所示的一种具有高分辨率的、小尺寸、低成本、简易型微型光谱仪模组，它包括有：一个光阑410、一个单透镜420作为准直元件、一个光栅430作为色散元件、一个单透镜440作为聚焦元件、和一个探测器阵列450。其中，光栅430可图11(a)中所示为反射式光栅431，或如图11(b)中所示为透射式光栅432。所述微型光谱仪模组的尺寸可较小、紧凑。所述微型光谱仪模组在使用前需要基于本发明提供的方法进行预置校准，在用其进行光谱测试时需要基于预置校准信息进行光谱重构计算。所述微型光谱仪模组的光谱分辨率可优于其硬件系统受光学衍射效应影响所能达到的光谱分辨率，且兼具较宽的工作波段范围、高分辨率、和较小的尺寸。所述微型光谱仪模组对其中光学元件的消像差性能具有较低要求。

本发明提供的方法和装置，其基本思路是：通过引入预置校准信息、基于软件技术来克服微型光谱仪模组的性能、尺寸和成本受其硬件系统在物理上的原理性制约，从而实现微型光谱仪模组的高性能、低成本和进一步的小型化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.实现微型光谱仪模组高分辨率的方法，其特征在于：微型光谱仪模组包括色散元件和探测器阵列；微型光谱仪模组在使用前利用基于波长可调的准单色光源的预置校准测试系统进行预置校准，在使用过程中结合预置校准信息、基于数据处理算法进行光谱重构。

2.如权利要求1所述实现微型光谱仪模组高分辨率的方法，其特征在于：所述的预置校准测试系统，包括：校准光源、被校准的微型光谱仪模组、以及与所述微型光谱仪模组相匹配的信号处理系统、控制系统和输入/输出终端等设备，校准光源为波长可调的准单色光源；所述校准光源输出的具有不同波长的各个准单色光具有较窄的光谱线宽和较小的可调波长间隔，且各个准单色光的波长位置较为均匀地分布在被校准微型光谱仪模组的工作波段范围内；所述校准光源输出的准单色光具有稳定、可控的输出功率。

3.如权利要求2所述实现微型光谱仪模组高分辨率的方法，其特征在于：其中的校准光源为由多个具有不同波长的准单色光源构成的波长可调的准单色光源，或为通过调谐内部谐振腔参数来实现具有不同波长的准单色光输出的光源。

4.如权利要求2所述实现微型光谱仪模组高分辨率的方法，其特征在于：其中的校准光源基于标准宽带光源、用可调单色仪或可调滤光器来获得具有不同波长的准单色光。

5.如权利要求1所述实现微型光谱仪模组高分辨率的方法，其特征在于：所述的光谱重构为：

设所用光谱分析模组的预置校准信息包括：校准光源输出准单色光波长为λ_i(i＝1,2,…,L)，对应的输出功率为P₀(λ_i)，所设定探测器阵列的积分时间为t_c，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为c_0j(λ_i)(j＝1,2,…,K)。

设在对待测信号光进行测试中，对应于探测器阵列中各个探测器单元所接收光信号强度的数字信号所表征的强度为r_0j(j＝1,2,…,K)，所设定探测器阵列的积分时间为t_r。

令c_j(λ_i)＝c_0j(λ_i)/P₀(λ_i)，r_j＝r_0j(t_r/t_c)，则待测信号光的实际光谱s(λ)可以基于下面的表达式对其离散解s(λ_i)进行计算来进行重构：

或写为：R＝CS，其中R＝[r_j]^T，C＝[c_j(λ_i)]，S＝[s(λ_i)]^T。上式中也可引入一个噪声项N＝[n_j]^T，从而使上式写为：R＝CS+N。另外，上式中矩阵R、C和S乘以用于表征归一化、离散化或物理量转换等相关的常数不改变上述公式的意义和适用性。

6.一种微型光谱仪模组，其特征在于：微型光谱仪模组的光学系统包括一个光阑、两个单透镜、一个光栅和一个探测器阵列；所述微型光谱仪模组在使用前需要基于本发明权利要求1、权利要求2和权利要求5中提供的方法对其进行预置校准，并在用其进行光谱测试时需要结合预置校准信息通过数据处理计算来进行光谱重构。

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