CN117419806A - 一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备，光源及样品模块产生待分析的目标光束，经过入射狭缝和球面准直镜后得到的平行光束，中阶梯光栅用于对平行光束在第一方向进行色散，剪切干涉板将在第一方向进行色散的平行光束，在第二方向进行干涉，第二方向与第一方向垂直，柱面反射镜用于将干涉后的光束反射，并在第一方向聚焦到光电传感器，某一波长的光的能量可以分布在干涉方向上，由干涉方向中光电传感器的所有像素较为均匀的承担，从而能提高光电传感器测量光束的灵敏度。信号处理模块根据光电传感器转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算目标光束的光谱特征信息，还可以消除暗电流，平均噪声，并提高信噪比。

Description

一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，特别是涉及一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备。

背景技术

光谱探测技术的萌芽与兴起，使人类对深入研究感兴趣事物的能力得到了一次质的飞跃。光谱探测技术经过了二十几年的高速发展，已经形成了一门颇具特色的现代化学科。

狭缝光谱仪是一种用于测量光的波长分布的仪器。狭缝光谱仪的基本原理是，光通过狭缝后经过光栅或棱镜等分光元件进行色散，将不同波长的光分离开来。然后，这些分离出的光经过一个接收器进行检测和记录。通过测量不同波长处的光强度，可以绘制出光谱图，展示光的波长分布情况。

狭缝光谱仪在许多领域都有广泛的应用，包括物理学、化学、生物学、天文学等。它可以用于分析物质的成分、测量光源的光谱特性以及研究光与物质的相互作用等。通过狭缝光谱仪，我们可以获取关于光的波长、强度和频谱等信息，从而深入了解光的性质和物质的特征。相对于普通光谱仪，中阶梯光栅光谱仪是一种色散能力更强的光谱仪，常用于分析光谱的精细结构。常规的中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅作为第一级色散元件，用色散棱镜作为第二级色散元件。然而，上述的中阶梯光栅配合色散棱镜的光谱仪更适用于光谱稠密、连续的全光谱段测量。对于光谱稀松的情况，如元素发射光谱，光谱仪传感器靶面上会只在某行上呈现出许多散点。这是因为光谱仪传感器的灵敏度调节通常是整体性的，无法针对单个像元进行调节。由于不同散点的光强差别很大，测量结果的灵敏度取决于单个像元的动态范围和噪声情况。一些能量较高的散点可能会导致测量结果溢出，甚至损坏像元。而如果降低传感器的灵敏度，一些较暗的光谱点可能会被像元的暗电流和噪声所掩盖，导致无法正确测量。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光路结构、光谱仪及光谱信号处理方法、电子设备，以实现提升中阶梯光栅光谱仪光谱分析的灵敏度。具体技术方案如下：

一种光路结构，包括：光源及样品模块、分光模块、光电传感器；其中，

所述光源及样品模块用于产生待分析的目标光束；

所述分光模块包括入射狭缝、球面准直镜、中阶梯光栅、剪切干涉板和柱面反射镜；

所述入射狭缝用于接收所述目标光束；

所述中阶梯光栅对经过所述入射狭缝和球面准直镜后得到的平行光束在第一方向进行色散；

所述剪切干涉板用于将所述中阶梯光栅进行色散后的平行光束，在第二方向进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述柱面反射镜用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器；

所述光电传感器用于将接收的目标光束由光信号转化为电信号，并发送至与其电连接的信号处理模块，以便于所述信号处理模块根据转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息。

可选的，所述光源及样品模块、所述入射狭缝和所述球面准直镜同光轴设置。

可选的，所述入射狭缝为具有狭缝的遮光板，所述狭缝对准所述球面准直镜，以使所述目标光束通过所述狭缝照射到所述球面准直镜上；

所述球面准直镜为凹面反射镜，所述凹面反射镜面向所述狭缝，用于将所述目标光束准直为平行光束。

可选的，所述中阶梯光栅的衍射级数大于30。

可选的，所述剪切干涉板包括：楔形的光学玻璃板，所述光学玻璃板的顶面为半透半反射的第一反射面，所述光学玻璃板的底面为全反射的第二反射面，所述第一反射面以及所述第二反射面形成所述光学玻璃板楔形夹角。

可选的，所述柱面反射镜具有柱形凹面镜，所述柱形凹面镜面向所述剪切干涉板，所述柱形凹面镜面的轴线与所述干涉的方向平行，用于对干涉后的光束，在所述色散的方向聚焦，在所述干涉的方向保持，反射到所述光电传感器。

可选的，所述光电传感器为二维图像接收传感器。

一种光谱仪，包括：上述的光路结构、信号处理模块和显示模块；

所述信号处理模块分别与所述光电传感器和所述显示模块电连接；

所述信号处理模块根据所述光电传感器转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，并通过所述显示模块显示。

一种光谱信号处理方法，应用于上述的光谱仪中的信号处理模块，所述目标光束的色散方向为所述光电传感器的横向，所述目标光束的干涉方向为所述光电传感器的纵向；所述方法包括：

获取所述光电传感器纵向每列像素数据，每列像素数据包括：像素坐标信息和像素亮度信息；

根据获取的每列像素数据的所述像素坐标信息和所述像素亮度信息，对每列像素数据依次进行空间频域的傅里叶变换，计算出每列像素数据对应的光束频域数列，所述光束频域数列包括光束频率与光束强度的对应数据；

统计通过每列像素数据计算的光束频域数列，建立所有光束频率与所有光束强度的对应数据，生成目标光束的光谱特征信息。

一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的光谱信号处理方法。

本发明实施例有益效果：

本发明实施例提供的光路结构，光源及样品模块产生待分析的目标光束，经过入射狭缝和球面准直镜后得到的平行光束，中阶梯光栅用于对平行光束在第一方向进行色散，剪切干涉板将在第一方向进行色散的平行光束，在第二方向进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直，柱面反射镜用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器，相较于现有技术，某一波长的光的能量可以分布在干涉方向上，由干涉方向中光电传感器的所有像素较为均匀的承担，从而能提高光电传感器测量光束的灵敏度。另外，与光电传感器电连接的信号处理模块，根据光电传感器转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，还可以有效地消除暗电流，平均噪声，并提高信噪比。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本申请相关技术中一种阶梯光栅光谱仪二维面阵传感器探测靶面采集信号成像的示意图；

图2为图1所示光谱仪的光栅色散后的成像示意图；

图3为图1所示光谱仪的光栅和棱镜分别色散后的成像示意图；

图4为本申请实施例一提供的一种光路结构的结构示意图；

图5为图4所示的光路结构的俯视光路示意图；

图6为图4所示光路结构中光电传感器的成像示意图；

图7为本申请实施例二提供的一种光谱仪的电连接结构示意图；

图8为本申请实施例三提供的一种光谱信号处理方法的流程示意图；

图9为图8所示光谱信号处理方法中一列像素数据对应的光束频域数列函数关系示意图；

图10为本申请验证实施例电传感器的成像的示意图；

图11为本申请验证实施例测量汞氩灯光的谱特征信息图；

图12为本申请实施例五提供的一种电子设备的结构示意图。

附图标记如下：

光源及样品模块10，入射狭缝21，球面准直镜22、中阶梯光栅23，第一反射面231，第二反射面232，剪切干涉板24，柱面反射镜25，光电传感器31。

信号处理模块32，显示模块33。

处理器41，通信接口42，存储器43，通信总线44。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例提供的一种对比实施例光谱仪中，光谱仪利用棱镜和光栅色散型元器件成像。

从光栅分辨率公式可知：R＝λ/Dλ＝m·N。提高分辨率可增加光栅刻线总数N、用高衍射级次来解决。中阶梯光栅就是一种衍射次级很高的光栅，中阶梯光栅制作的光谱仪器具有体积小、高色散、高分辨率等特点。本方案对比实施例中光栅采用中阶梯光栅，在对比实施例光谱仪中，通过中阶梯光栅和色散棱镜的作用，不同次级的光在纵向上被分离开来，即发生交叉色散，从而将一维光谱转变为二维光谱。同时，使用高灵敏度的二维面阵传感器来探测靶面上的信号，图1为本申请相关技术中一种阶梯光栅光谱仪二维面阵传感器探测靶面采集信号成像的示意图，参见图1所示，所采集到的信号呈现出多重横纹状态。图中横向每一行纹路代表一个光谱次级内，为光谱的一个精细的小范围，一般为几个纳米；而纵向为不同的次级，为光谱的大范围。计算机通过先纵向再横向的拼接方式，可拼接得到完整的光谱图。这即是传统中阶梯光栅光谱仪的工作方式。

具体的，中阶梯光栅的光栅常数较大，即刻线密度较低，同时刻槽中角度较大的小斜平面是工作面，因此具有较大的闪耀角，一般在60度以上。根据光栅的简化计算方程：mλ＝2dsinθ。m为衍射级次，λ为衍射波长，d为光栅常数，θ为衍射角。中阶梯光栅有较大的光栅常数d(即刻线间距)，较大的闪耀角，因此其衍射次级一般在30级以上。

这意味着，尽管在同一级光谱中的分辨能力很高，但不同次级间有大量的重叠。例如30级衍射光中的532nm、31级衍射光中的514.8nm、32级衍射光中的498.75nm(波长与次级的乘积相同)，图2为图1所示光谱仪的光栅色散后的成像示意图，如图2所示，这些波长的光，如532nm、354.7nm波长的光束不能被中阶梯光栅分离，经过光栅后是重叠在一起的。

色散棱镜可以使不同次级的光在纵向上分开来(次级内为横向分离)，即交叉色散，图3为图1所示光谱仪的光栅和棱镜分别色散后的成像示意图，如图3所示，色散棱镜将一维光谱变为二维光谱。但是，由于图3中的光谱稀松，光谱仪传感器靶面上会只在某行上呈现出许多散点(341nm，532nm，354.7nm，540nm)，光谱仪传感器靶面灵敏度的调节是整体的，导致光谱仪传感器的灵敏度低，测量的光谱信息准确性较差。

实施例一

为了解决上述问题，为本申请实施例提供的一种中阶梯光栅光谱仪。

图4为本申请实施例提供的一种光路结构的结构示意图，图5为图4所示的光路结构的俯视光路示意图。请参见图4和图5所示，本方案实施例提供的一种光路结构包括：光源及样品模块10、分光模块和光电传感器31。其中，所述光源及样品模块10用于产生待分析的目标光束，所述分光模块包括入射狭缝21、球面准直镜22、中阶梯光栅23、剪切干涉板24和柱面反射镜25，所述入射狭缝21用于接收所述目标光束，所述中阶梯光栅23对经过所述入射狭缝21和球面准直镜22后得到的平行光束在第一方向(第一方向为如图4所示的x方向)进行色散，所述剪切干涉板24用于将所述中阶梯光栅23进行色散后的平行光束，在第二方向(第二方向可以为如图4所示的y方向)进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述柱面反射镜25用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器31。所述光电传感器31用于将接收的目标光束由光信号转化为电信号，并发送至与其电连接的信号处理模块，以便于所述信号处理模块根据转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息。

本发明实施例提供的光路结构，光源及样品模块10产生待分析的目标光束，经过入射狭缝21和球面准直镜22后得到的平行光束，中阶梯光栅23用于对平行光束在第一方向进行色散，剪切干涉板24将在第一方向进行色散的平行光束，在第二方向进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直，柱面反射镜25用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器31。

图6为图4所示光路结构中光电传感器的成像示意图，请参见图6所示，某一波长的光的能量(341nm、532nm、354.7nm、540nm)可以分布在干涉方向上，相较于对比实施，由干涉方向中光电传感器31的所有像素较为均匀的承担，从而能提高光电传感器31测量光束的灵敏度。如图6所示，波长为532nm、354.7nm的光束不能被中阶梯光栅分离，处于光电传感器31的同一列上，所述目标光束呈现为在列方向上明暗交替的光纹。利用与光电传感器31电连接的信号处理模块，根据光电传感器31转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，还可以有效地消除暗电流，平均噪声，并提高信噪比。

如图4所示，所述光源及样品模块10、所述入射狭缝21和所述球面准直镜22同光轴设置，入射狭缝21狭缝将光源及样品模块10发射的目标光束限制在球面准直镜22方向上。具体的，所述入射狭缝21为具有狭缝的遮光板，所述狭缝对准所述球面准直镜22，以使所述目标光束通过所述狭缝照射到所述球面准直镜22上。

所述球面准直镜22为凹面反射镜，所述凹面反射镜面向所述狭缝，用于将所述目标光束准直为平行光束。

具体的，所述中阶梯光栅23的衍射级数大于30，使得光路结构能够在同一级光谱中，分辨能力较高。

如图5所示，所述剪切干涉板24包括：楔形的光学玻璃板，所述光学玻璃板的顶面为半透半反射的第一反射面231，所述光学玻璃板的底面为全反射的第二反射面232，所述第一反射面231以及所述第二反射面232形成所述光学玻璃板楔形夹角。当光线通过剪切干涉板24时，一部分光线经过第一反射面231反射，还有一部分光线透过半透半反射的第一反射面231后，经过第二反射面232反射出半透半反射的第一反射面231，两部分反射的光线可以形成干涉效应，这种干涉效应会导致光的强度在夹角方向上产生周期性变化，如图5中所示，在a处产生干涉条纹。

如图4和图5所示，所述柱面反射镜25具有柱形凹面镜，所述柱形凹面镜面向所述剪切干涉板24，所述柱形凹面镜面的轴线与所述干涉的方向平行，用于对干涉后的光束，如图5中所示，在b处，干涉条纹在在所述色散的方向聚焦，在所述干涉的方向保持，反射到所述光电传感器31。所述光电传感器31可以为二维图像接收传感器。例如，二维图像接收传感器可以为CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS，互补式金属氧化物半导体)类型二维图像接收传感器，或是二维图像接收传感器可以为CCD(charge-coupleddevice，CCD，电荷耦合器件)类型二维图像接收传感器，当然，本申请实施例的中阶梯光栅光谱仪，二维图像接收传感器不局限于CMOS类型和CCD类型。

本申请的实施例中的中阶梯光栅光谱仪，中阶梯光栅23可以垂直安装，使得其色散方向为图4中所示的第一方向，剪切干涉平板位于中阶梯光栅23后，其楔角方向垂直于光栅的分光第一方向，即图4中所示的第二方向。

经过中阶梯光栅23和剪切干涉平板的交叉色散后，采用柱面镜将光束投射在传感器靶面上，柱面镜的安装方向平行于剪切干涉平板的色散方向，即第二方向。即其仅对中阶梯光栅23分光方向上(即第一方向)进行聚焦，如图5中b处所示，在剪切干涉板24分光方向(即第二方向)上不聚光。

根据剪切干涉平板的原理，如图5所示。其由一块光学玻璃的前后两个反射平面构成，其中第一个反射面为半透半反射表面，两个反射平面之间有一个小的角度，即楔角θ。平行光束在剪切干涉板24上被第一个反射面分为两束并由前后两个反射面分别反射。

由于两个反射面存在楔角，反射后的两束光的波前W1和W2将存在对应的角度，如果入射光为单色平行光，经过剪切干涉平板，光在柱面镜前将形成干涉条纹。根据理论计算，干涉光强分布为正弦分布，干涉条纹的周期T与光束波长以及倾斜角θ相关：T＝λ/θ。

而柱面镜将在光束在第一方向上汇聚，第二方向保持不变。而传感器靶面位于柱面镜的焦面上，因此传感器上的图像为光强正弦波周期分布的一个细条，方向为第二方向。如图5中a处所示，该细条在第一方向的位置，则由中阶梯光栅23的色散效果决定。

实施例二

图7为本申请实施例二提供的一种光谱仪的电连接结构示意图，如图7所示，一种光谱仪包括：上述的光路结构、信号处理模块32和显示模块33。所述信号处理模块32分别与所述光电传感器31和所述显示模块33电连接，所述信号处理模块32根据所述光电传感器31转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，并通过所述显示模块33显示。

本发明实施例提供的光谱仪，光路结构的光源及样品模块10产生待分析的目标光束，经过入射狭缝21和球面准直镜22后得到的平行光束，中阶梯光栅23用于对平行光束在第一方向进行色散，剪切干涉板24将在第一方向进行色散的平行光束，在第二方向进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直，柱面反射镜25用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器31，相较于相关技术，某一波长的光的能量可以分布在干涉方向上，由干涉方向中光电传感器31的所有像素较为均匀的承担，从而能提高光电传感器31测量光束的灵敏度。另外，与光电传感器31电连接的信号处理模块，根据光电传感器31转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，还可以有效地消除暗电流，平均噪声，并提高信噪比。

因此，本发明提出了一种新型的光谱仪，通过使用剪切干涉板代替色散棱镜来实现交叉色散，将如图6所示，波长为532nm、354.7nm的光束分离，这种分离并不是直接的位置分离，而是基于空间频率的分离原理。具体而言，不同波长的光被分成具有不同周期条纹的形式，然后通过传感器进行信号读取，并利用信号处理模块进行分析，实施中，信号处理模块可以采用计算机实现。在纵向上进行傅里叶变换，对空间频域谱进行分离和强度读取。这种方法的优势在于，光能量在整个传感器靶面上纵向分布，使得所有传感器像元得到充分利用。同时，傅里叶变换过程能够平均各个像元的噪声，消除暗电流的影响，从而大幅度提升综合信噪比。通过以上创新，新型的中阶梯光栅光谱仪实现了更高效的光谱分离和信噪比提升，进一步拓展了光谱仪的应用领域。

实施例三

图8为本申请实施例三提供的一种光谱信号处理方法的流程示意图，请参见图8所示，一种光谱信号处理方法，应用于上述的光谱仪中的信号处理模块，所述目标光束的色散方向为所述光电传感器的横向，所述目标光束的干涉方向为所述光电传感器的纵向。

所述方法包括：

S10、获取所述光电传感器纵向每列像素数据，每列像素数据包括：像素坐标信息和像素亮度信息；

目标光束被中阶梯光栅在第一方向(x方向)进行色散后：

因此在一个x坐标上，存在一系列离散的波长：n～m为中阶梯光栅的衍射次级范围，f为光谱仪焦距，d为光栅常数。

若没有通过剪切干涉板在第二方向(y方向)进行干涉的情况下，光谱为一维光谱，其传感器读取的信号值为

其中A(λxi)表示了λxi波长光的能量强度。每个A(x)中包含了多个波长的能量值的叠加，一维光谱无法单独区分其中不同次级各自的能量值。

在通过剪切干涉板在第二方向进行干涉的情况下，

中阶梯光栅在第一方向上的色散以及剪切干涉平板在第二方向上干涉产生的干涉纹，光电传感器感应的光强可表达为

导入前式可得

即为此种方法下的光电传感器靶面图像的理论分布。二维图像接收传感器，实施中，每个像素可以按第一方向和第二方向排列成阵列。A(u,v)对应了第一方向第u个，第二方向上第v个像元的光电信号强度数据。

信号处理模块可以读取二维图像接收传感器A(x,y)的像素数据，从而可以获取所述光电传感器纵向每列像素数据的像素亮度信息x：

S20、根据获取的每列像素数据的所述像素坐标信息和所述像素亮度信息，对每列像素数据依次进行空间频域的傅里叶变换，计算出每列像素数据对应的光束频域数列，所述光束频域数列包括光束频率与光束强度的对应数据；

在对一列像素数据依次进行空间频域的傅里叶变换中：

图9为图8所示光谱信号处理方法中一列像素数据对应的光束频域数列函数关系示意图，请参见图9所示，由上式可得知：经过空间频域变换后，频域谱上将出现一系列离散的的峰值，峰值位置为ki，其幅度代表波长为λxi的光波强度。因此实现了不同次级光波的分离，各自信号强度可以分别读取。在计算机处理时，由于k为已知量，因此只需要依此获取频域谱上ki,i＝n～m位置上的信号强度，即对应了该次级光波强度。

实施中，通过改变x值进行上述步骤，即可以每列像素数据对应的光束频域数列。

S30、统计通过每列像素数据计算的光束频域数列，建立所有光束频率与所有光束强度的对应数据，生成目标光束的光谱特征信息。

本发明实施例提供的光谱信号处理方法，光电传感器在感应目标光束中，带有传感器噪声，例如暗电流(直流分量)或噪声，通过空间频域的傅里叶变换，噪声将出现在频域中零点的位置，从而可以消除噪声，提高目标光束光谱特征信息的准确性。另外，光电传感器中的白噪声，通过空间频域的傅里叶变换，将平均分布在整个频谱上，相对目标光束的强度将大大降低，可以提高信噪比。

实施例四(验证实施例)

本验证实施例中，光谱仪采用上述实施例一所述的光路结构，其中，

中阶梯光栅采用的光栅型号为GE2550-0863，中阶梯光栅的光栅常数为79线每毫米，闪耀角是63度，色散是5.75nm/mrad。球面准直镜为焦距f＝200mm的镀银球面反射镜，直径为2英寸。柱面反射镜的焦距f＝200mm，长、宽尺寸为52x30mm。剪切干涉板的楔形夹角角度为10弧秒。入射狭缝的狭缝直径为20微米。光电传感器为日本滨松公司的1英寸x1英寸致冷型CMOS传感器，像元数量为4096x 4096个。光源及样品模块采用汞氩灯，具有一系列离散的发射光谱。

图10为本申请验证实施例电传感器的成像的示意图，实验测量得到的传感器图像如图10所示。图11为本申请验证实施例测量汞氩灯光的谱特征信息图，经过对比，图11所示的光谱特征与来自权威实验室数据库的光谱特征相符。

实施例五

图12为本申请实施例五提供的一种电子设备的结构示意图，申请实施例五提供的一种电子设备实现上述实施例所述的光谱信号处理方法。请参见图12所示。

一种电子设备，包括处理器41、通信接口42、存储器43和通信总线44，其中，处理器41，通信接口42，存储器43通过通信总线44完成相互间的通信；

存储器43，用于存放计算机程序；

处理器41，用于执行存储器43上所存放的程序时，实现上述的光谱信号处理方法：

获取所述光电传感器纵向每列像素数据，每列像素数据包括：像素坐标信息和像素亮度信息；

根据获取的每列像素数据的所述像素坐标信息和所述像素亮度信息，对每列像素数据依次进行空间频域的傅里叶变换，计算出每列像素数据对应的光束频域数列，所述光束频域数列包括光束频率与光束强度的对应数据；

统计通过每列像素数据计算的光束频域数列，建立所有光束频率与所有光束强度的对应数据，生成目标光束的光谱特征信息。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光路结构，其特征在于，包括：光源及样品模块(10)、分光模块、光电传感器(31)；其中，

所述光源及样品模块(10)用于产生待分析的目标光束；

所述分光模块包括入射狭缝(21)、球面准直镜(22)、中阶梯光栅(23)、剪切干涉板(24)和柱面反射镜(25)；

所述入射狭缝(21)用于接收所述目标光束；

所述中阶梯光栅(23)对经过所述入射狭缝(21)和球面准直镜(22)后得到的平行光束在第一方向进行色散；

所述剪切干涉板(24)用于将所述中阶梯光栅(23)进行色散后的平行光束，在第二方向进行干涉，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述柱面反射镜(25)用于将干涉后的光束反射，并在所述第一方向聚焦到所述光电传感器(31)；

所述光电传感器(31)用于将接收的目标光束由光信号转化为电信号，并发送至与其电连接的信号处理模块，以便于所述信号处理模块根据转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息。

2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述光源及样品模块(10)、所述入射狭缝(21)和所述球面准直镜(22)同光轴设置。

3.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述入射狭缝(21)为具有狭缝的遮光板，所述狭缝对准所述球面准直镜(22)，以使所述目标光束通过所述狭缝照射到所述球面准直镜(22)上；

所述球面准直镜(22)为凹面反射镜，所述凹面反射镜面向所述狭缝，用于将所述目标光束准直为平行光束。

4.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述中阶梯光栅(23)的衍射级数大于30。

5.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述剪切干涉板(24)包括：楔形的光学玻璃板，所述光学玻璃板的顶面为半透半反射的第一反射面(231)，所述光学玻璃板的底面为全反射的第二反射面(232)，所述第一反射面(231)以及所述第二反射面(232)形成所述光学玻璃板楔形夹角。

6.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述柱面反射镜(25)具有柱形凹面镜，所述柱形凹面镜面向所述剪切干涉板(24)，所述柱形凹面镜面的轴线与所述干涉的方向平行，用于对干涉后的光束，在所述色散的方向聚焦，在所述干涉的方向保持，反射到所述光电传感器(31)。

7.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，

所述光电传感器(31)为二维图像接收传感器。

8.一种光谱仪，其特征在于，包括：如权利要求1～7任意一项所述的光路结构、信号处理模块(32)和显示模块(33)；

所述信号处理模块(32)分别与所述光电传感器(31)和所述显示模块(33)电连接；

所述信号处理模块(32)根据所述光电传感器(31)转化的电信号进行空间频域的傅里叶变换，计算所述目标光束的光谱特征信息，并通过所述显示模块(33)显示。

9.一种光谱信号处理方法，其特征在于，应用于权利要求8所述的光谱仪中的信号处理模块，所述目标光束的色散方向为所述光电传感器(31)的横向，所述目标光束的干涉方向为所述光电传感器(31)的纵向；所述方法包括：

获取所述光电传感器(31)纵向每列像素数据，每列像素数据包括：像素坐标信息和像素亮度信息；

根据获取的每列像素数据的所述像素坐标信息和所述像素亮度信息，对每列像素数据依次进行空间频域的傅里叶变换，计算出每列像素数据对应的光束频域数列，所述光束频域数列包括光束频率与光束强度的对应数据；

统计通过每列像素数据计算的光束频域数列，建立所有光束频率与所有光束强度的对应数据，生成目标光束的光谱特征信息。

10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器(41)、通信接口(42)、存储器(43)和通信总线(44)，其中，处理器(41)，通信接口(42)，存储器(43)通过通信总线(44)完成相互间的通信；

存储器(43)，用于存放计算机程序；

处理器(41)，用于执行存储器(43)上所存放的程序时，实现权利要求9所述的光谱信号处理方法。