本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

光譜測量在天文觀測、化學(xué)及材料分析、生物醫(yī)學(xué)以及光源特性檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的光譜測量系統(tǒng)通常采用光柵或棱鏡來實現(xiàn)光譜到空間的一對一映射，通過將不同波長的信號光投影到不同的空間位置并采用狹縫控制輸出光來實現(xiàn)光譜測量，但光柵、棱鏡等分光元件的尺寸極大的限制了傳統(tǒng)光譜測量系統(tǒng)的光譜分辨率，同時該類系統(tǒng)需要進(jìn)行掃描。相對于狹縫類光譜測量系統(tǒng)，干涉光譜測量系統(tǒng)具有較高的光譜分辨率，但其需要不斷驅(qū)動動鏡來實現(xiàn)光譜測量。

隨著科技的不斷發(fā)展，新型光譜測量系統(tǒng)采用更復(fù)雜的光譜到空間的映射，比如將光譜信息投影為復(fù)雜的強度圖樣，同時采用光譜傳輸矩陣(stm)來儲存不同入射波長對應(yīng)的空間強度，最后利用光譜重建算法實現(xiàn)信號光光譜的重建。相比于傳統(tǒng)的光譜測量系統(tǒng)，該類系統(tǒng)在分光元件的選擇上具有極大的靈活性，例如可以采用無序光子晶體、布拉格光纖陣列、多模光纖等等。然而，無序光子晶體、布拉格陣列等分光元件構(gòu)成的光譜測量系統(tǒng)通常有較低的光譜分辨率、高的插入損耗及低的信噪比；多模光纖構(gòu)成的光譜測量系統(tǒng)雖有較高的光譜分辨率，但其抗擾動性很差，對機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求高，極其容易受到各種噪聲的影響，無法以較高的光譜分辨率實現(xiàn)寬譜信號光光譜測量，從而無法準(zhǔn)確重建光譜。因此，研究一種結(jié)構(gòu)簡單、抗擾動能力強、低成本且有較高光譜分辨率的光譜測量系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價值和前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性、高光譜分辨率的光譜測量技術(shù)，推進(jìn)科技進(jìn)步。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一個實施例提供了一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)，包括：待測支路a、標(biāo)定支路b、分光棱鏡3、散射編碼分系統(tǒng)c、探測器6；所述待測支路a與所述標(biāo)定支路b均與所述分光棱鏡3連接，所述分光棱鏡3、所述散射編碼分系統(tǒng)c及所述探測器6依次串行連接；其中，

所述待測支路a用于接收待測信號光1；

所述標(biāo)定支路b用于產(chǎn)生標(biāo)定光；

所述分光棱鏡(3)用于對所述待測信號光(1)和所述標(biāo)定光進(jìn)行合束處理形成合束光；

所述散射編碼分系統(tǒng)(c)用于對所述合束光進(jìn)行擴(kuò)散和編碼處理以將所述待測光信號的光譜信息映射為散斑圖；

所述探測器(6)用于接收所述散斑圖。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述待測支路a包括準(zhǔn)直系統(tǒng)2。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述標(biāo)定支路b包括單色儀7和標(biāo)定光源8，所述單色儀7分別與所述標(biāo)定光源8和所述分光棱鏡3相連。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述標(biāo)定光源8為非相干光光源。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述散射編碼分系統(tǒng)(c)包括擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(4)和隨機散射介質(zhì)(5)，所述擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(4)和所述隨機散射介質(zhì)(5)依次串接于所述分光棱鏡(3)與所述探測器(6)之間；其中，

所述擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)(4)用于對所述合束光進(jìn)行擴(kuò)束處理形成擴(kuò)束光；

所述隨機散射介質(zhì)(5)用于對所述擴(kuò)束光進(jìn)行編碼處理形成所述散斑圖。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4包括第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；所述標(biāo)定光源8位于所述第一透鏡的焦距處，所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡的光軸重合。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述隨機散射介質(zhì)5為各向同性散射介質(zhì)。

本發(fā)明的另一個實施例提供了一種基于散射原理的光譜測量方法，適用于上述任一實施例提供的所述系統(tǒng)，其中，所述方法包括：

步驟1：根據(jù)待測信號光的光譜范圍及光譜分辨率確定標(biāo)定光源的標(biāo)定光譜的范圍及步長；

步驟2：打開標(biāo)定支路，關(guān)閉待測支路；

步驟3：對標(biāo)定光譜的范圍進(jìn)行掃描以完成標(biāo)定；

步驟4：關(guān)閉標(biāo)定支路，打開待測支路；

步驟5：采集待測信號光對應(yīng)的散斑圖，依據(jù)光譜傳輸矩陣采用奇異值分解法求得所述光譜傳輸矩陣的逆矩陣，從而重建出待測信號光光譜。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟3包括：

間隔一個步長調(diào)整單色儀輸出的中心波長；

使用探測器對中心波長的光對應(yīng)的強度分布圖進(jìn)行采集形成散斑圖；

將散斑圖轉(zhuǎn)化為列向量，由列向量組成所述光譜傳輸矩陣以完成所述標(biāo)定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢為：

1.本發(fā)明提出的光譜測量系統(tǒng)只需要進(jìn)行一次光譜傳輸矩陣(stm)的標(biāo)定，后續(xù)通過更換待測信號光即可完成多次光譜測量。

2.本發(fā)明提出的光譜測量系統(tǒng)的光譜分辨率在一定范圍內(nèi)隨著散射介質(zhì)散射平均自由程的增大而增大。

3.本發(fā)明提出的光譜測量系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單且抗干擾能力強。

4.本發(fā)明提出的光譜測量系統(tǒng)能夠以較高的光譜分辨率實現(xiàn)對標(biāo)定范圍內(nèi)的寬譜信號進(jìn)行測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于散射原理的光譜測量方法的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1，圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該光譜測量系統(tǒng)包括待測支路a、標(biāo)定支路b、分光棱鏡3、散射編碼分系統(tǒng)c及探測器6。其中，待測支路a包括待測信號光1及準(zhǔn)直系統(tǒng)2，標(biāo)定支路b包括單色儀7和標(biāo)定光源8，散射編碼分系統(tǒng)c包括擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4和隨機散射介質(zhì)5。待測信號光1通過準(zhǔn)直系統(tǒng)2后進(jìn)行隨機編碼，依據(jù)探測器6采集到的散斑，可以恢復(fù)出待測信號光1的光譜信息。

具體地，本發(fā)明在準(zhǔn)直系統(tǒng)2與探測器6之間加設(shè)有標(biāo)定支路b、分光棱鏡3、散射編碼分系統(tǒng)c，本發(fā)明的分光棱鏡3將兩路光合并為一路，其中一路為待測支路a，另一路為標(biāo)定支路b；本發(fā)明的散射編碼分系統(tǒng)c在分光棱鏡3后，依次分布擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4和隨機散射介質(zhì)5，光波經(jīng)過隨機散射介質(zhì)5進(jìn)行編碼后由探測器6接收散斑圖。

本發(fā)明提出的準(zhǔn)直系統(tǒng)2可根據(jù)光束直徑及其它系統(tǒng)參數(shù)自行選擇。標(biāo)定支路中單色儀7輸出光波的譜寬范圍需要小于或接近散射介質(zhì)5的去相關(guān)譜寬，以確保光譜傳輸矩陣(stm)的有效性；散射編碼分系統(tǒng)c中的隨機散射介質(zhì)5對入射光進(jìn)行隨機編碼，將光譜信息映射為復(fù)雜的空間圖樣，即散斑圖，可以通過選擇適當(dāng)散射平均自由程的各項同性散射介質(zhì)來提高系統(tǒng)的光譜分辨率。

實施例二

請再次參見圖1，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一，本發(fā)明的待測信號光1覆蓋的光譜均需要位于標(biāo)定的光譜范圍內(nèi)，本例中采用中心波長為625nm、譜寬為16nm的led光源，其譜寬范圍610-640nm均需要位于標(biāo)定的光譜范圍內(nèi)。

實施例三

請再次參見圖1，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一，本發(fā)明的分光棱鏡3將待測支路a及標(biāo)定支路c進(jìn)行合束，經(jīng)過合束后待測支路a的光軸與標(biāo)定支路b的光軸應(yīng)保證完全一致，光束直徑保證一致，此舉可以保證信號光譜的高精度重建。

實施例四

請再次見圖1，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一，本發(fā)明的標(biāo)定光源8采用非相干光源，本例中采用150w的氙燈光源，其光譜范圍覆蓋200-2500nm，可以滿足待測信號光需求，其經(jīng)過單色儀7以后可以輸出不同中心波長的單色光。

實施例五

請再次參見圖1，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一，本發(fā)明的擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4包括三個透鏡，標(biāo)定光源8位于第一透鏡焦距處，該透鏡焦距可自行選擇；第二透鏡和第三透鏡組成4f系統(tǒng)，用于擴(kuò)束，三個透鏡光軸重合，可以保證兩路光光束直徑一致，也可采用擴(kuò)束器代替后兩個透鏡實現(xiàn)擴(kuò)束。本例中采用焦距為100mm透鏡及擴(kuò)束器。

實施例六

請再次參見圖1，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一，本發(fā)明的隨機散射介質(zhì)采用各向同性強散射介質(zhì)，如毛玻璃，氧化鋅等。在適當(dāng)范圍內(nèi)，隨機散射介質(zhì)的散射平均自由程越大，光譜測量系統(tǒng)分辨率越高。本例中采用顆粒度為220目的毛玻璃。

實施例七

請參見圖2，圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于散射原理的光譜測量方法的示意圖。本發(fā)明的基于散射原理的光譜測量方法，在上述實施例一至實施例六的任一基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)上運行，基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例一至實施例六，光譜測量方法包括有：

步驟1：根據(jù)待測信號光的光譜范圍及光譜分辨率確定標(biāo)定光源的標(biāo)定光譜的范圍及步長；

步驟2：打開標(biāo)定支路，關(guān)閉待測支路；

步驟3：對標(biāo)定光譜的范圍進(jìn)行掃描以完成標(biāo)定；

步驟4：關(guān)閉標(biāo)定支路，打開待測支路；

步驟5：采集待測光源對應(yīng)的散斑圖，依據(jù)光譜傳輸矩陣采用奇異值分解法求得所述光譜傳輸矩陣的逆矩陣，從而重建出待測信號光光譜。

其中，步驟3可以包括：

步驟31：間隔一個步長調(diào)整單色儀輸出的中心波長；

步驟32：使用探測器對每個中心波長的光對應(yīng)的強度分布圖進(jìn)行采集形成散斑圖；

步驟33：將每幀散斑圖轉(zhuǎn)化為列向量，由列向量組成所述光譜傳輸矩陣以完成所述標(biāo)定。

具體地，對于步驟1，需要對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行確定，按照連接順序，待測信號光1后依次為準(zhǔn)直系統(tǒng)2，分光棱鏡3，分光棱鏡3入射端為標(biāo)定支路b，出射端為散射編碼分系統(tǒng)c，確定系統(tǒng)參數(shù)，具體涉及：依據(jù)所需標(biāo)定光源8的光譜范圍及所需光譜分辨率確定標(biāo)定光譜的范圍及步長，準(zhǔn)直系統(tǒng)2、調(diào)整分光棱鏡3、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)4中各元件間距及角度，確保標(biāo)定光源8及待測信號光1的光軸及直徑一致。

對于步驟2，打開標(biāo)定支路b，即標(biāo)定光源8、單色儀7，關(guān)閉待測支路a，即待測信號光1、準(zhǔn)直系統(tǒng)2。

對于步驟3，控制單色儀，間隔一個步長調(diào)整單色儀輸出的中心波長，即依據(jù)步長對標(biāo)定光譜范圍進(jìn)行掃描，使用探測器6對單色儀7輸出的每個中心波長的光對應(yīng)的強度分布圖進(jìn)行采集，用于光譜傳輸矩陣(stm)的構(gòu)建。對探測器6采集到的多幀散斑圖進(jìn)行處理，將每幀散斑轉(zhuǎn)化為列向量，不同散斑形成的列向量組成光譜傳輸矩陣(stm)，完成傳輸矩陣的標(biāo)定過程。同一光譜測量系統(tǒng)只需要執(zhí)行一次標(biāo)定過程，通過更換待測光源即可完成不同光譜測量。

對于步驟5，采集待測光源經(jīng)過隨機散射介質(zhì)5編碼后形成的散斑圖，采用奇異值分解法對步驟3中標(biāo)定的光譜傳輸矩陣(stm)求逆，根據(jù)逆矩陣進(jìn)行信號光光譜重建，完成光譜測量過程。

簡而言之，本發(fā)明提出的一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)，涉及光譜測量領(lǐng)域。本發(fā)明利用非相干光源進(jìn)行光譜傳輸矩陣(stm)的標(biāo)定，隨后采集信號光光譜的映射的散斑圖，通過采用奇異值分解求的傳輸矩陣的逆矩陣進(jìn)行光譜重建，實現(xiàn)信號光光譜的測量。本發(fā)明提出的光刻方法避免了多次掃描或動鏡控制等，僅需要一次標(biāo)定過程即可以完成不同信號光光譜測量，通過選擇合適散射平均自由程的散射介質(zhì)，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下可以最大限度提高系統(tǒng)的光譜分辨率。此外，本發(fā)明提出的光譜測量系統(tǒng)所需元件成本較低、結(jié)構(gòu)簡單且抗動能力強。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。