CN114323280B - 一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于曲率传感的光谱分析装置，包括：光学系统、调焦机构和探测器；调焦机构内设置有平板透镜，调焦机构用于实现焦点的前后推扫，宽谱带光束经过光学系统和平板透镜的折射后在测器内形成不同谱段的离焦像。本发明利用光线在自由空间以及液晶中进行干涉与传播的过程，结合曲率传感，结合物理光学与计算光学，实现计算型高光谱分辨率的小型化的基于曲率传感的光谱分析装置。同时，本发明可灵活变换系统观测视场，兼顾详查普查，实现更高效率的空间光学干涉成像。

Description

一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法

技术领域

本发明涉及干涉条纹追踪技术领域，特别涉及一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法。

背景技术

在传统的分光计中，光从光纤或自由空间中继光学元件中产生，首先要经过狭缝孔径。光束在到达衍射光栅之前由准直镜准直，衍射光栅会使输入光束根据波长呈角度分散。光栅特性，包括槽密度和色散，是构建光谱仪时的重要考虑因素。衍射光束可以用第二面反射镜进一步聚焦，用线性探测器阵列分析。每个像素描述光谱的一个差异，然后用光谱仪软件将其转换成一个响应信号。

由于几乎所有的科学和工程领域都需要不断地分析与波长有关的参数，微型光谱仪如今已被广泛使用。

2006年，美国杜克大学将传统的色散型光谱成像技术中的狭缝更换为特殊形式的二维编码模板，通过计算机仿真，获取目标光谱图像的压缩感知图像，并利用压缩感知理论进行图谱复原，取得了较好的结果，从而提出编码孔径光谱成像技术的思想，也称为压缩感知光谱成像技术。由于其通过计算方法改变传统光谱成像的方式，并通过光路变换方法实现计算方法的硬件化，最终通过计算反演方法，得到高信噪比的图谱数据，因此也之称为计算光谱成像技术。

在过去的十年中，出现了一种新的光谱仪，顾名思义，它依赖于计算技术从一组探测器中编码的预校准信息中近似或“重构”入射光谱。更具体地说，此处的“重构”是指线性方程组的解。到目前为止，通常可以看到两种用于在一组探测器中对光谱信息进行编码的策略：复杂的光谱到空间映射和光谱响应工程。

在常规的基于光栅的光谱仪中，光谱域中的点(即波长)被映射到空间域中的点(即探测器)。探测器的读数直接构成光谱。但是如前所述，光谱分辨率与从光栅到探测器的距离(即路径长度)成比例。因此，当希望以减小占位面积来增加频谱分辨率时，一对一的频谱到空间映射受到极大限制。复杂光谱到空间映射是一种替代方法，它通过在每个波长的空间域中创建一个特征码图案(1D或2D)来区分波长

目前，数字自适应技术作为一种新兴技术，在光谱探测领域具有十分巨大的应用前景。在此，将展开物理约束下的非干涉宽谱段的光谱传感机理研究。

具体来说，现有研究均采用单纯的迭代优化，缺乏物理约束，导致在实际的应用过程中无法适应实际的边界条件，计算残差大、收敛速度慢。不仅如此，针对色散解算问题时，由于优化参量过多，梯度消失问题也会影响最终解算精度。现有的波前传感多采用一阶色散模型，即仅仅考虑色散与波长线性相关的部分。但是，为了更进一步的提高光谱分辨率与信噪比，需要结合波前传感对高阶色散进行解算，进而实现对光谱的反演。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法。利用光线在自由空间以及液晶中进行干涉与传播的过程，结合曲率传感，结合物理光学与计算光学，实现计算型高光谱分辨率的小型化基于曲率传感的光谱分析装置。同时，可灵活变换系统观测视场，兼顾详查普查，实现更高效率的空间光学干涉成像。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种基于曲率传感的光谱分析装置，包括：光学系统、调焦机构和探测器；

调焦机构内设置有平板透镜，调焦机构用于实现焦点的前后推扫，

宽谱带光束经过光学系统和平板透镜的折射后在测器内形成不同谱段的离焦像。

优选地，探测器的像面采用几何相位材料。

优选地，光学系统为显微物镜或窄视场镜头。

本发明还提供一种基于曲率传感的光谱分析方法，包括以下步骤：

S1、建立在宽谱带下关于波长的离焦像复光场分布的解析表达式；

S2、通过不同偏振态所形成的离焦像，对光谱信息进行解算；

S3、通过光学传递函数对因色散对波前传感精度产生的影响进行定量化分析。

优选地，步骤S1包括以下子步骤：

S101、探测器对单一空间频率的波前的解算公式为：

根据自由空间传播的菲涅尔衍射公式可得：

其中，λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，z_i为离焦量，W为系统的波前；

S102、对空间频率进行积分，可以得到宽谱带的光谱宽度对结果的影响，如下式所示：

其中，

为初始相位。

优选地，步骤S2包括：

在探测器前添加偏振片，通过旋转偏振片获得不同偏振态的能量分布，利用不同偏振态所形成的离焦像，实现对光谱信息的解算：

其中，I₊为离焦像的光强，z₊为离焦像对应的离焦量。

优选地，步骤S3包括：

其中，f为空间频率，γ＝λz/2，P为光瞳函数。

优选地，通过离焦像的定量化分析，获得偏振态的变化；

其中，E_s为s偏振方向上的光场强度，E_p为p偏振方向上的光场强度。

与现有的技术相比，本发明利用光线在自由空间以及液晶中进行干涉与传播的过程，结合曲率传感，结合物理光学与计算光学，实现计算型高光谱分辨率的小型化基于曲率传感的光谱分析装置。同时，可灵活变换系统观测视场，兼顾详查普查，实现更高效率的空间光学干涉成像。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置示意图。

图2是根据本发明实施例提供的多光谱显微设备示意图。

图3是根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置的光路示意图。

图4是根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

光谱仪中，成本最高的部分分别为滤光片与探测器。而成像光谱仪需要配备滤光片与面阵探测器。成本难以控制。几何相位材料是近几年来研究的重点，利用激光直写，可获得预设光束的衍射效果，用于代替光栅等传统设备实现色散。

图1示出了根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置。

如图1所示，本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置包括：光学系统、调焦机构和探测器。

光学系统为显微物镜或窄视场镜头。

调焦机构内设置有平板透镜。每个位置均为多个谱段共同作用结果，利用平板透镜，结合手机的变焦作用(也可使用平板透镜进行离焦(降低离焦精度要求)，可实现基于平板透镜与智能手机的光谱仪搭建)。利用调焦机构，可实现焦点的前后推扫，形成不同谱段的像，利用光谱定标，可构建商业化的成像光谱仪。

探测器可以为消费级智能手机。

探测器的像面采用几何相位材料。利用几何相位材料与消费级探测器，可有效降低成像光谱仪成本。

软件方面，由于几何相位材料视场较窄，因此，需要配合窄视场镜头使用。在实际的光谱成像过程中，需要采用图像拼接的方式，对视场中的待测目标进行逐个探测。

一般的消费级智能相机采用RGB三色处理，可结合相机本身色彩分辨能力，优化调焦机构的采样位置。

图2示出了根据本发明实施例提供的多光谱显微设备。

如图2所示，当光学系统为显微物镜时，本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置可以作为多光谱显微设备，对病灶处成像，最终获得病灶处的多光谱信息。

图3示出了根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析装置的光路。

如图3所示，宽谱带光束经过光学系统和平板透镜的折射后在探测器内形成离焦像。

图4示出了根据本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析方法的流程图。

如图4所示，本发明实施例提供的基于曲率传感的光谱分析方法包括以下步骤：

S1、建立在宽谱带下离焦星点像复光场分布关于波长的解析表达式。

基于菲涅尔衍射定律，在深入分析曲率传感器自身离焦引入的色散(焦点轴向位置引起的纵向色散)以及通过透镜等光学元件所产生色散(视场不同引入的横向色散)的联合作用机理基础上，建立离焦星点像复光场分布关于波长的解析表达，为后续的研究提供理论分析工具。

揭示基于物理约束下的计算光学信息解算内在机理，实现高通量，高分辨的光谱分析，突破计算光谱仪这一原位光谱检测的核心技术。

S101、探测器对单一空间频率的波前的解算公式为：

在此，针对单一空间频率的波前进行分析。

根据自由空间传播的菲涅尔衍射公式可得式(2)：

λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，z_i为离焦量，W为系统的波前。

结合式(1)与式(2)可建立探测过程的解析式表达，利用理论计算，可以得到单色光的结果。

S102、对空间频率进行积分，可以得到宽谱带的光谱宽度对结果的影响，如下式所示：

其中，

为初始相位。

S2、通过不同偏振态所形成的离焦星点像，对光谱信息进行精准解算。

传统架构下，仅仅利用能量信息，无法从偏振的角度，离焦星点像点的偏振态与波长、相位之间存在耦合关系，因此，通过偏振分析，可以获得更多的解算维度。对检测结果进行解算。通过标定，可以获得不同偏振态下的解算。并通过偏振光谱响应函数的标校获得不同待测对象的高维光谱响应。

在探测器前添加偏振片，通过旋转偏振片获得两个偏振态各自的能量分布，利用不同偏振态所形成的离焦星点像，可实现对光谱信息的精准解算。

其中，I₊为离焦像的光强，z₊为离焦像所对应的离焦量；

离焦像的光强对于色散具有非线性关系，可通过不同的离焦值对其进行调制，假设光谱分辨率为定值。那么，可通过多次的位置调制，来实现色差解算。

色散分为两个部分，分别是由于波前在自由空间中传播所产生的色散以及通过光学系统，尤其是透射光学元件所产生的色散。利用精密的移动机构，实现更高的光谱分辨率，将精密的光栅刻画，变为小体积的集成式光谱仪，克服光谱分辨率与系统整体宽度包络之间的耦合关系。

实际中，常采用峰值振幅(peak-to-peak)为一个或多个整数波长的对称三角波(triangle)或锯齿波(sawtooth)进行光程调制。由压电促动器实现对称三角波形相位调制时，由于正向与反向行程(up anddown-strokes)有不同的非线性，导致两次测量过程中产生不同的相位偏置(bias)，通常取二者的平均值，减小误差。而对于探测器噪声较大时，常采用锯齿波形进行相位调制。其只有正向行程，因此仅对探测器进行四次读出，从而减小噪声影响，提供信噪比。

但是，动态调制的方法耗时长，同时收到环境的影响较大。即使通过大量的测量，计算所有条纹的平均位置与对比度，焦点的绝对位置无法确定，随机相位偏置影响(randombias)也会将光色散到不同的光谱通道中，只能测量差分相位。因此，采用静态光谱的方法，并通过标校的方法，实现光谱测量。

电场的一种模式只能在单模波导中传播。因此，聚焦电场被迫成为波导的主模(它被投影到主模上)。这意味着，就强度分布而言，在单模波导的输出处，电场能量的分布将是恒定的，并且光束上相位分布也是恒定的，等于主模乘以输入电场相位。实际上，输入波前相位畸变与输出滤波光束整体强度波动进行了权衡转换。由于输出光束的横向相位具有固定的分布。在此，利用光子灯笼，进行光线耦合与空间滤波，之后输出单模光束，直接与能量探测器相连。

为减少实际非线性所带来的问题，采用二次样条插值对未知目标多种光谱响应函数进行重建。

S3、通过光学传递函数对因色散对波前传感精度产生的影响进行定量化分析。

与窄带光所对应的波前解算过程结合，通过点扩散函数以及光学传递函数等定量化分析方法，阐明不同来源误差对最终波前传感精度的协同影响机制，建立色散影响的显式表达，并利用已知的离焦距及入射带宽等物理约束，探索物理光学约束下的计算光谱解算方法。

曲率传感通过波前沿轴向的差分估计波前曲率，因此不可避免会受到轴向色散影响，同时大口径巡天望远镜曲率传感单元均位于边缘视场，分析轴向/纵向色散的耦合影响的定量化描述。明晰观测谱段与离焦星点光强分布之间的定量函数关系的基础上，分别从点扩散函数以及光学传递函数的角度，对特定观测谱带所带来的影响。

其中，f为空间频率(circle/rad)，λ为波长，γ＝λz/2，P为光瞳函数。

利用离焦星点像的椭率分析，可以获得系统偏振态的变化，由于大气透过率的影响，需要利用人造光源进行原位标校，记录系统的初始偏振影响，并通过同样状态下的椭率监控，是实现对光学系统各个元件膜系以及面形的计量保障。

其中，E_s为s偏振方向上的光场强度，E_p为p偏振方向上的光场强度。

λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于曲率传感的光谱分析方法，基于一种基于曲率传感的光谱分析装置实现，所述基于曲率传感的光谱分析装置包括：光学系统、调焦机构和探测器；所述调焦机构内设置有平板透镜，所述调焦机构用于实现焦点的前后推扫，宽谱带光束经过所述光学系统和所述平板透镜的折射后在所述探测器内形成不同谱段的离焦像；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立在宽谱带下关于波长的离焦像复光场分布的解析表达式；

所述步骤S1包括以下子步骤：

S101、探测器对单一空间频率的波前的解算公式为：

根据自由空间传播的菲涅尔衍射公式可得：

其中，λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，z_i为离焦量，W为系统的波前；

S102、对空间频率进行积分，可以得到宽谱带的光谱宽度对结果的影响，如下式所示：

其中，

为初始相位， I₊为所述离焦像的光强，z₊为所述离焦像对应的离焦量，Δλ为宽谱带的光谱宽度，λ₀为中心波长；

S2、通过不同偏振态所形成的离焦像，对光谱信息进行解算；

所述步骤S2包括：

在所述探测器前添加偏振片，通过旋转所述偏振片获得不同偏振态的能量分布，利用不同偏振态所形成的离焦像，实现对光谱信息的解算：

S3、通过光学传递函数对因色散对波前传感精度产生的影响进行定量化分析。

2.根据权利要求1所述的基于曲率传感的光谱分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

其中，f为空间频率，γ＝λz/2，P为光瞳函数。

3.根据权利要求2所述的基于曲率传感的光谱分析方法，其特征在于，通过所述离焦像的定量化分析，获得偏振态的变化；

其中，E_s为s偏振方向上的光场强度，E_p为p偏振方向上的光场强度。

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