CN115931130B - 基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法及设备，包括以下步骤：S1、待测光源射出的光束经准直透镜透过分束器形成两个光路，两个光路分别为光路I及光路II；S2、设定通带可调滤光片倾斜角为θ，确定通带可调滤光片相对光路I及光路II的中心波长为λ₁及λ₂；S3、第一光探测器及第二光探测器分别检测光路I及光路II，通过差分运算得到两个探测器间的光强差；S4、通带可调滤光片的角度增加至θ+Δθ′，确定通带可调滤光片相对光路I及光路II的中心波长为λ₁+Δλ₁及λ₂+Δλ₂；S5、第一光探测器及第二光探测器分别检测光路I及光路II，通过差分运算得到两个探测器间的光强差；S6、重复步骤S4及步骤S5，记录多组差分光强信号，通过重建算法获得细节光谱信息。

Description

基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法及设备

技术领域

本发明涉及光谱技术相关领域，具体是基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法及设备。

背景技术

对于现今市场上应用的不同的光谱仪，其不同的光谱仪有不同的工作波段其中，紫外光谱仪（）、可见光光谱仪（/>）、近红外光谱仪（/>）、红外光谱仪（/>）以及当下研究广泛的太赫兹光谱仪（/>）。

常见的基于光栅光谱仪光谱，基于衍射原理的光谱仪，其体积较大、结构复杂、光栅价格昂贵、成本花费高、以及能量损失较大，对于一些特定方面的应用存在缺陷并且光谱的分辨率存在些许不足，其影响分辨率的因素包含三大类，入射狭缝、光栅、检测器，这三类影响因素在光通量、分光检测、信噪比方面限制了光谱探测技术在检测波段范围(<10nm)甚至更小量级的检测需求，现有技术冗余。

发明内容

本发明的目的在于提供基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，包括以下步骤：

S1、待测光源射出的光束经准直透镜透过分束器形成两个光路，两个光路分别为光路I及光路II；

S2、设定通带可调滤光片倾斜角为，光路I以角度/>通过通带可调滤光片，此时，通带可调滤光片相对光路I，中心波长为/>；光路II经过第一反射镜反射后以角度/>通过通带可调滤光片，此时，通带可调滤光片相对光路II，中心波长为/>；

S3、通过通带可调滤光片的光路I到达第一光探测器并被检测；通过通带可调滤光片的光路II通过第二反射镜到达第二光探测器并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器与第二光探测器间的光强差；

S4、通过角度调节机构使得通带可调滤光片的角度增加至，光路I以角度/>通过通带可调滤光片，通带可调滤光片相对光路I的中心波长为/>；光路II以角度/>通过通带可调滤光片，通带可调滤光片相对光路II中心波长为/>；

S5、通过通带可调滤光片的光路I到达第一光探测器并被检测；通过通带可调滤光片的光路II通过第二反射镜到达第二光探测器并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器与第二光探测器间的光强差；

S6、重复步骤S4及步骤S5，记录多组差分光强信号，通过重建算法获得细节光谱信息。

如上所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法：采用S型函数曲线描述通带可调滤光片的透光率，其中，S型函数曲线为：

；

其中，为波长；/>为S型函数曲线对称中心所在波长；/>描述曲线上升的速率；为滤光片对波长的透光率；/> 为S型函数曲线的最大值。

如上所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法：定义响应函数为两光路透光率之差，所述光强差信号强度可描述为：

；

其中，为两探测器所测得光强差；/>为第一探测器（8）所得到的光强信息；/>为第二探测器（9）所得到的光强信息。/>分别为滤光片对光路I及光路II波长的透射率，[/>]为待测窄带波段的波长范围；/>为待测光谱强度关于波长的函数，即待重建光谱。

如上所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法：通过旋转通带可调滤光片至个不同角度，记录/>个响应函数/>，线性方程组描述为：

；

其中为待重建光谱中各分立的波长的光强，其中为滤光片处于m个不同角度时对b-a+1个不同波长的响应函数为m个不同角度下对应的光强差，通过求解线性方程组即可得到波段光谱信息。

基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测设备，用于实施所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，包括：

准直透镜，用于将待测光源发射的光束形成平行的准直光柱；

分束器，用于将准直光柱分成光路I及光路II；

通带可调滤光片，安装于角度调节机构上，且位于所述分束器远离准直透镜的一侧，所述光路I及光路II分别以不同角度通过通带可调滤光片；

第一反射镜及第二反射镜，用于改变所述光路II的照射角度；

第一光探测器及所述第二光探测器，分别用于检测所述光路I及所述光路II。

如上所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测设备：所述通带可调滤光片包括长波边通滤光片、短波边通滤光片或带通滤光片。

如上所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测设备：所述通带可调滤光片的中心波长为 300nm~20um。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种利用滤波片的技术，通过角度调节机构控制可调滤光片倾斜角度的变化以及通过算法重建的方法得到一定窄带波段范围内的光谱分辨率，得到的光谱分辨率精度大大提高；

本发明基于上述待测光源、准直透镜、分束器、角度调节机构、通带可调滤光片、第一反射镜、第二反射镜、第一光探测器及第二光探测器的有效布局实现了基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法的有效实施，总体成本低、分辨率高。

附图说明

图1为基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测设备的结构示意图。

图2为 到/>中心波长范围内及/>到/>中心波长范围内的光强信息。

图3为定义的中心波长，通带可调滤光片最大透光率的50%处所对应的波长。

图4为通带可调滤光片在角度下构建特定波长范围内极窄带的光强信息实验得到的窄带光强信息。

图5为通过差分运算计算两个探测器之间的差值面积构建的一定波长范围内窄带光强信息。

图6为通过积分算法的形式构建不同波长之间的光谱。

图中：1-待测光源、2-准直透镜、3-分束器、4-角度调节机构、5-通带可调滤光片、6-第一反射镜、7-第二反射镜、8-第一光探测器、9-第二光探测器。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。

请参阅图1，本发明实施例中，基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，包括以下步骤：

S1、待测光源1射出的光束经准直透镜2透过分束器3形成两个光路，两个光路分别为光路I及光路II；

、光路I：当待测光源1射出的光束经准直透镜2透过分束器3到达通带可调滤光片5，其中，当通带可调滤光片5旋转角度为时，光路I以角度/>通过通带可调滤光片5，此时，通带可调滤光片5相对光路I而言，其中心波长为/>，如图2所示；

、光路II：当待测光源1射出的光束经准直透镜2，并通过分束器3及第一反射镜6到达通带可调滤光片5，同样地，当通带可调滤光片5旋转角度为时，光路II以角度/>通过通带可调滤光片5，此时，通带可调滤光片5相对光路II而言，其中心波长为/>，如图2所示；

上述所述的中心波长的定义为：滤光片最大透光率的50%处所对应的波长，见图3；

S2、通过通带可调滤光片5的光路I到达第一光探测器8并被检测；通过通带可调滤光片5的光路II通过第二反射镜7到达第二光探测器9并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器8与第二光探测器9间的光强差，如在本发明中第一探测器8所得到的光强信息为，第二探测器9所得到的光强为/>,相减得到两探测器间的光强差/>；

S3、通过角度调节机构4使得通带可调滤光片5的角度增加至，光路I以角度通过通带可调滤光片5，通带可调滤光片5相对光路I的中心波长为/>；光路II以角度/>通过通带可调滤光片5，通带可调滤光片5相对光路II中心波长为/>；

S4、通过通带可调滤光片5的光路I到达第一光探测器8并被检测；通过通带可调滤光片5的光路II通过第二反射镜7到达第二光探测器9并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器8与第二光探测器9间的光强差，如图2所示；

S5、重复步骤S4及步骤S5，记录多组差分光强信号，通过重建算法获得细节光谱信息，得到的光谱分辨率的精度大大提高，能够达到0.01nm-0.1nm的光谱分辨率。

在本发明实施例中，通带可调滤光片5包括但不限于长波边通滤光片、短波边通滤光片、带通滤光片，且所述通带可调滤光片5的中心波长为任意波长，优选的，所述通带可调滤光片5的中心波长为 300nm~20，本方法可以基于以上任意类型滤光片或其组合实施，以单个长波通滤光片为例，如1图所示，当滤光片倾斜角/>增加时，光路I及光路II的入射角度减小，通带可调滤光片5的中心波长向长波方向移动。

如图2所示，通带可调滤光片5的中心波长在波长坐标上移动的距离与通带可调滤光片5倾斜角变化的大小成一定的函数关系，因此得到特定波长范围内极窄带的光强信息，此时极窄带的带宽可以低至0.1nm。

通过旋转通带可调滤光片5，系统以极窄带通形式对目标光谱区间进行扫描，通过重建运算，光谱分辨率将进一步提升，其光谱分辨率可以达到0.01nm。

需说明的是，图2实线所示为通带可调滤光片5旋转角度为时，得到的第一光探测器8与第二光探测器9之间的光强信息；虚线为通带可调滤光片5的角度为/>，得到的第一光探测器8与第二光探测器9之间的光强信息。

算法重建的过程说明如下：使用特定函数描述滤波片对不同波长的透光率，例如使用S型函数曲线近似描述通带可调滤光片的透光率。其中，/>为波长；/>为S型函数曲线对称中心所在波长；/>描述曲线上升的速率；/>为滤光片对波长的透光率；/>为S型函数曲线的最大值，在实际测量中对应滤光片的最大透光率。同时，定义响应函数/>为两光路透光率之差。

理论上，光强差信号的强度可以描述为：

(1)

其中，为两探测器所测得光强差；/>为第一探测器（8）所得到的光强信息；/>为第二探测器（9）所得到的光强信息。/>分别为滤光片对光路I及光路II波长的透射率，[/>]为待测窄带波段的波长范围；/>为待测光谱强度关于波长的函数，即待重建光谱；

通过旋转滤光片至个不同角度，记录/>个响应函数/>，线性方程组描述为：

(2)

其中为待重建光谱中各分立的波长的光强，其中为滤光片处于m个不同角度时对b-a+1个不同波长的响应函数为m个不同角度下对应的光强差，通过求解线性方程组即可得到波段光谱信息。

为了更清楚地说明本发明实施例实现的技术方案，下面将对本发明实施例中构建的光谱给予说明，具体如下：

举例，采用心波长为532nm的通带可调滤光片5，超过532nm的波长被限制通过，通过角度调节机构转动通带可调滤光片5的角度构建特定波长范围内极窄带的光强信息，具体的，请参阅图4，图中所得数据为通带可调滤光片5每转动记录一组数据，共4组测试数据，以S函数/>拟合测试数据得到的结果，每一组测试数据求得所对应的中心波长如表1所示：

表1 滤光片角度变化所得中心波长

得到的测试数据通过差分运算计算两探测器之间的差值面积构建一定波长范围内窄带光强信息，具体地，实验中将两个中心波长之间对应的光强信息近视为矩形面积，如图5所示；

图5中测试数据所对应的中心波长所如表2所示：

表2 测试数据所对应的中心波长

最后通过积分算法的形式构建不同波长之间的光谱，将两个不同中心波长之间所对应的光强信息无限的划分等分，如图6所示：

对于图6所表示的积分算法重建光谱，当将两个不同波长之间的光强信息划分的足够小时，可通过细分滤光片旋转角度建立方程组，基于通带可调滤光片5的透射式算法重建窄带光谱探测方法能够重建极窄波段范围内的光谱信息，其光谱分辨率可以达到0.01nm。

综上所述：相对于现今常见的基于光栅元件的光谱探测技术方案，本发明成本低，其主要基于滤光片和反射镜构成，大大减低了总体成本，同时，采用滤光片的方式得到不同的波长，并且在结构上相对比较简单；对于现今市场上应用的光谱探测技术，本发明能够很好的构建一定波长范围内的特定光谱，其分辨率能够达到0.1nm-0.01nm的分辨率；优化后系统光通量可达80%，远高于常见反射式光栅及透射光栅光谱设备。

请参阅附图1，还提出了基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测设备，用于实施所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，包括：

准直透镜2，用于将待测光源1发射的光束形成平行的准直光柱；

分束器3，用于将准直光柱分成光路I及光路II；

沿所述光路I照射方向依次设置的通带可调滤光片5及第一光探测器8；

以及沿光路II照射方向依次设置的第一反射镜6、通带可调滤光片5第二反射镜7及第二光探测器9；

所述光路I及光路II通过的通带可调滤光片5为同一结构，所述光路I及光路II分别以不同角度通过通带可调滤光片5；

还包括角度调节机构4，所述角度调节机构连接所述通带可调滤光片5，用于改变通带可调滤光片5的放置角度。

本实施例基于上述待测光源1、准直透镜2、分束器3、角度调节机构4、通带可调滤光片5、第一反射镜6、第二反射镜7、第一光探测器8及第二光探测器9的有效布局实现了上述基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法的有效实施。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、待测光源（1）射出的光束经准直透镜（2）透过分束器（3）形成两个光路，两个光路分别为光路I及光路II；

S2、设定通带可调滤光片（5）倾斜角为，光路I以角度/>通过通带可调滤光片（5），此时，通带可调滤光片（5）相对光路I，中心波长为/>；光路II经过第一反射镜（6）反射后以角度/>通过通带可调滤光片（5），此时，通带可调滤光片（5）相对光路II，中心波长为/>；

S3、通过通带可调滤光片（5）的光路I到达第一光探测器（8）并被检测；通过通带可调滤光片（5）的光路II通过第二反射镜（7）到达第二光探测器（9）并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器（8）与第二光探测器（9）间的光强差；

S4、通过角度调节机构（4）使得通带可调滤光片（5）的角度增加至，光路I以角度通过通带可调滤光片（5），通带可调滤光片（5）相对光路I的中心波长为/>；光路II以角度/>通过通带可调滤光片（5），通带可调滤光片（5）相对光路II中心波长为/>；

S5、通过通带可调滤光片（5）的光路I到达第一光探测器（8）并被检测；通过通带可调滤光片（5）的光路II通过第二反射镜（7）到达第二光探测器（9）并被检测，随后通过差分运算得到第一光探测器（8）与第二光探测器（9）间的光强差；

S6、重复步骤S4及步骤S5，记录多组差分光强信号，通过重建算法获得细节光谱信息。

2.根据权利要求1所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，其特征在于，采用S型函数曲线描述通带可调滤光片（5）的透光率，其中，S型函数曲线为：

；

其中，为波长；/>为S型函数曲线对称中心所在波长；/>描述曲线上升的速率；/>为滤光片对波长的透光率；/> 为S型函数曲线的最大值。

3.根据权利要求1所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，其特征在于，定义响应函数为两光路透光率之差，所述光强差信号强度可描述为：

；

其中，为两探测器所测得光强差；/>为第一探测器（8）所得到的光强信息；/>为第二探测器（9）所得到的光强信息。/>分别为滤光片对光路I及光路II波长的透射率，[/>]为待测窄带波段的波长范围；/>为待测光谱强度关于波长的函数，即待重建光谱。

4.根据权利要求1所述的基于通带可调滤光片的算法重建窄带光谱探测方法，其特征在于，通过旋转通带可调滤光片（5）至个不同角度，记录/>个响应函数，线性方程组描述为：

；

其中为待重建光谱中各分立的波长的光强，其中为滤光片处于m个不同角度时对b-a+1个不同波长的响应函数为m个不同角度下对应的光强差，通过求解线性方程组即可得到波段光谱信息。