基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。本发明还公开了使用上述光谱测量装置的光谱测量方法。相比现有技术，本发明易于制作，成本低廉，利于实现批量生产。
【专利说明】基于滤波膜阵列的光谱测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光谱测量装置及方法，属于光学测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 光谱仪是一种测量光谱的科学仪器。它是将光学方法与现代电子数据处理系统相 结合，通过获取所研究物质的光谱信息来精确分析物质的结构、成分和含量的基本设备。光 谱仪具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药 卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备 (参见文献[李全臣，蒋月娟。光谱仪器原理[M]，北京；北京理工大学出版社，1999])。光 谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等，从海 洋的底部到遥远的宇宙，光谱仪为我们收集周围世界的信息。
[0003] 然而，随着科学技术的迅猛发展，对光谱仪提出了更高的要求。特别是在如 地质矿产勘探、微流控和星载分析等一些特殊场合，需要光谱仪能抗振动干扰能力强、 光谱测量分辨率高、测量的频率范围大、功耗小和能够快速、实时、直观地获取光谱信 号，显然，传统的光谱仪器很难同时达到上述要求。譬如目前商用傅里叶变换光谱仪 不仅体积较大、对振动敏感、测量范围主要在红外波段，而且其分辨率受动镜移动范围 影响，因此不适于野外等特殊环境测量；而光栅光谱仪分辨率不高，价格也不菲（参见 文献[Yang Jae-chang, et al. Micr0-electr0-mechanical-systems-based infrared spectrometer composed of multi-slit grating and bolometer array, Jap. J. of Appl. Phys. 47 (8)，6943-6948 (2008)])。因此，对于光谱仪来说，要求其在具有抗振动的同时能够 降低成本，性能上能够达到较高的光谱分辨率，结构简单并且易于制作，用现有的技术很难 实现。
[0004] 南京邮电大学的杨涛课题组提出了一种"衍射孔阵列结构微型光谱仪及其高分辨 率光谱复原方法"（参见申请号为20121000416. 6,申请日为2012-1-9,
【公开日】为2012-7-11 的中国发明专利）。该微型光谱仪利用衍射孔二维阵列来进行光谱测量。入射光经过衍射 孔阵列后会发生衍射，成像阵列芯片中位于各个衍射孔正下方的像素元会接收到相应的衍 射光功率；将不同像素元对不同中心波长或中心频率光的探测率、各个像素元所接收到相 应的衍射光功率以及入射光中各中心波长或中心频率所对应的光谱功率分别作为系数矩 阵、增广矩阵和未知数矩阵组成一个线性方程组，采用Tikhonov正则化方法求解该线性方 程组，就可以得到入射光各中心波长或中心频率对应的归一化光谱功率，然后将这些光谱 功率值进行线性拟合并经光谱辐射定标，得到入射光的光谱，即完成高分辨率光谱复原。
[0005] 以上方案虽然较好地解决了传统光谱仪的缺陷，但在制作大小不同的衍射孔阵列 时需要通过聚焦离子束刻蚀、光刻、电子束刻蚀等方法，其实现成本较高。因此，在保持衍射 孔阵列结构微型光谱仪分辨率高、光谱测量范围广、抗振动能力强等优点的前提下，需要大 幅降低其制作成本及制作难度，利于实现批量生产。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有光谱测量技术的不足，提供一种基于滤 波膜阵列的光谱测量装置及方法。
[0007] 本发明基于滤波膜阵列的光谱测量装置，包括沿入射光传播方向依次设置的光学 准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向上互 不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相同； 所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正对。
[0008] 优选地，所述探测阵列芯片为黑白光电成像器件，例如黑白电荷耦合成像器件 (黑白（XD)或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件（黑白CMOS)。
[0009] 优选地，所述光学准直装置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共 同焦点处的小孔光阑。
[0010] 为了便于器件制作，优选地，所述滤波膜阵列还包括透明基底，滤波膜附着于所述 透明基底的表面。
[0011] 进一步地，为了能够根据探测阵列芯片所采集的数据自动完成光谱复原，所述基 于滤波膜阵列的光谱测量装置还包括与所述探测阵列信号连接的计算处理单元。
[0012] 本发明基于滤波膜阵列的光谱测量方法，利用以上任一技术方案所述光谱测量装 置实现，具体包括以下步骤：
[0013] 步骤1、将所述探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为η个频率段，η为所述滤 波膜阵列中的滤波膜总数，各频率段的中心频率计为f\、f 2、…、fn;
[0014] 步骤2、令待测入射光依次通过光学准直装置、滤波膜阵列，测量所述探测阵列芯 片中各有效像素元所探测到的灰度值，记为h、G 2、…、Gn ;所述有效像素元是指：从每个滤 波膜所正对的像素元中预先选定一个，这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元即 为有效像素元；
[0015] 步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量f\、f2、…、f n的大小 ->G(fn)：
[0016]
【权利要求】
1. 基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，包括沿入射光传播方向依次设置的 光学准直装置、滤波膜阵列、探测阵列芯片；所述滤波膜阵列包括一组平行且在入射光方向 上互不重叠的滤波膜，各滤波膜在所述探测阵列芯片的测量波段范围内的透射谱线互不相 同；所述滤波膜阵列中的每一片滤波膜均有至少一个所述探测阵列芯片的像素元与其正 对。
2. 如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述探测阵列芯 片为黑白光电成像器件。
3. 如权利要求2所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述黑白光电成 像器件为黑白电荷耦合成像器件或者黑白互补金属氧化物半导体成像器件。
4. 如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述光学准直装 置包括两个共焦的透镜，以及设置于所述两个透镜的共同焦点处的小孔光阑。
5. 如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列 还包括透明基底，滤波膜附着于所述透明基底的表面。
6. 如权利要求5所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述透明基底的 材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
7. 如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，所述滤波膜阵列 中的各滤波膜均为光学彩色聚酯薄膜。
8. 如权利要求1所述基于滤波膜阵列的光谱测量装置，其特征在于，还包括与所述探 测阵列信号连接的计算处理单元。
9. 基于滤波膜阵列的光谱测量方法，其特征在于，利用如权利要求1?8任一项所述光 谱测量装置实现，具体包括以下步骤： 步骤1、将所述探测阵列芯片所能探测的频率范围等分为个频率段，为所述滤波膜 阵列中的滤波膜总数，各频率段的中心频率计为、厶 步骤2、令待测入射光依次通过光学准直装置、滤波膜阵列，测量所述探测阵列芯片中 各有效像素元所探测到的灰度值，记为G、&、···、&;所述有效像素元是指：从每个滤波膜 所正对的像素元中预先选定一个，这些预先选定的与所述滤波膜一一对应的像素元即为有 效像素元； 步骤3、通过求解以下方程组得到待测入射光中各频率分量，
、 G{f2) > -,G{fn)：
式中，
表示中心频率为的频率段的光在经过与不经过滤 波膜阵列的情况下，所述探测阵列芯片中第J'个有效像素元所探测到的灰度值之比，通过 实验预先测得； 步骤4、对、···、€(/；)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测入射光的 光谱。
10. 如权利要求9所述基于滤波膜阵列的光谱测量方法，其特征在于，使用交替方向乘 子法求解所述方程。
【文档编号】G01J3/28GK104142178SQ201410357523
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】杨涛, 许超, 黄维, 周馨慧, 李兴鳌, 刘亚丽, 何浩培, 严怀成 申请人:南京邮电大学